复杂异形深基坑双环形内支撑体系设计及受力变形特性

刘 腾，李兆平，王佳豪，王全贤，崔向阳

（1.北京市政建设集团有限责任公司，北京 100089；2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044）

基坑采用钢筋混凝土环形支撑体系能充分发挥混凝土材料性能，具有土方开挖方便、主体结构施工空间宽敞、支撑拆除量少、施工周期短等特点。文献[1-3]讨论了单环形混凝土支撑的设计及受力特性，但是对于几何形状比较复杂的深基坑，采用单环形支撑的适用性相对较差，龚昕等[4]提出了直径相等的双圆环形混凝土支撑体系，并分析了双圆环形支撑受力合理性及工程适用性。

本文以北京地铁R4 线北京朝阳站的地下3 层和地下4 层基坑支护结构体系设计为背景。该基坑具有平面形状不规则、基坑内部存在坑中坑、开挖深度不同、周边附加荷载不对称等特点。为确保本工程基坑安全，根据基坑几何形状特点及周边荷载条件，提出采用直径不相等的双环形钢筋混凝土内支撑体系并成功实施。本文详细讨论了其布置和施工步序，建立三维数值分析模型，并结合监测结果分析了基坑开挖阶段双环形内支撑体系的受力和变形规律。

1 工程概况

北京地铁R4 线北京朝阳站(原名：星火站)是高铁北京朝阳站交通枢纽的组成部分，整个枢纽的地下1 层为一体化交通集散厅(换乘大厅)，地下2 层为地铁R4 线和M3 线北京朝阳站的站厅层，地下3 层为地铁R4 线北京朝阳站的设备层、风道附属结构以及地铁M3 线北京朝阳站的站台层，地下4 层为地铁R4 线北京朝阳站的站台层，另外，枢纽北侧的地下1 层和地下2 层设置了地下停车场。枢纽基坑平面布置及功能分区如图1、图2 所示。

图2 高铁北京朝阳站交通枢纽1-1 剖面Figure 2 Section 1-1 of the traffic hub of Beijing Chaoyang Railway Station

地铁R4 线北京朝阳站地下1 层和地下2 层基坑深度为18.25 m，并与整个枢纽基坑共坑开挖，采用地下连续墙+锚索支护体系，地下3 层基坑深度为30.27 m，地下4 层基坑深度为40.45 m。

基坑位置地层自上而下依次为杂填土、黏土、粉质黏土、细中砂、圆砾和卵石、黏土、粉细砂。场区内地下水类型分别为上层滞水、潜水、层间水以及承压水，其中上层滞水主要赋存于杂填土层中，潜水及层间水主要赋存于粉质黏土与粉细砂土层中，承压水主要赋存于卵石层和细中砂层。

2 钢筋混凝土双环形内支撑体系设计

2.1 基坑特点分析

1) 地下3 层为整个枢纽基坑的坑中坑，平面形状不规则，存在多处阳角和阴角。地下4 层为地下3 层的坑中坑。

2) 坑边附加荷载不对称：基坑东侧紧邻已经建成的高铁北京朝阳站，西侧、北侧和南侧为高铁北京朝阳站枢纽基坑的地下1 层和地下2 层。

相关文献的研究表明，对于平面几何形状非对称基坑以及基坑周边存在偏压所带来的荷载非对称基坑，其支护结构的受力及变形表现出明显的非对称特性[5-7]。对于本工程这种几何形状极为复杂且周边荷载不对称的基坑，常规的支护体系难以确保基坑安全。

2.2 双环形内支撑体系的布置

考虑到基坑的非对称性，本工程地下3 层基坑的内支撑采用“双环形钢筋混凝土支撑+双拼钢管对撑”组合型式，其中地下3 层基坑采用双环形现浇钢筋混凝土支撑；西侧标准段的地下3 层基坑采用混凝土支撑；地下4 层的站台层基坑为规则的长条形，采用双拼钢管对撑型式。双环形钢筋混凝土支撑体系设置如下：

1) 双环形内支撑体系由大环梁、小环梁、钢筋混凝土腰梁、钢筋混凝土支撑和钢筋混凝土支梁组成。环梁下方设置格构柱，并与环梁连接，格构柱的桩基础兼作抗拔桩；钢筋混凝土腰梁与地下连续墙密贴布置，其作用是将受到的荷载均匀传递给围护墙；钢筋混凝土支撑的两端与钢筋混凝土腰梁连接；钢筋混凝土支梁呈放射状布置，其一端与环梁连接，另一端与钢筋混凝土腰梁连接。大环梁、小环梁、钢筋混凝土腰梁、钢筋混凝土支撑和钢筋混凝土支梁组成平面网架结构，作为一个整体共同承受不同方向的荷载。

2) 基坑北侧区域设置一个直径为29 m 的单圆环形支撑，南侧区域设置一个直径为65 m 的单圆环形支撑，其中大环撑为A、B 两个基坑所共用，两圆环相交区域设置支撑连系杆件，确保环梁内力的分解和传递。

地下3层基坑的双环形支护体系布置如图3所示，地下4 层基坑的钢支撑对撑体系布置如图4 所示。

图3 地下3 层基坑的双环形内支撑平面布置Figure 3 Layout of the double-ring inner bracing system of the third layer of the foundation pit

图4 地下4 层基坑(北京朝阳站站台层)内支撑平面布置Figure 4 Layout of the bracing system of the fourth layer of foundation pit (platform floor of Xinghuo Station)

双环形内支撑结构参数如表1 所示。

表1 双环形支撑体系的结构参数Table 1 Parameters of double ring support system structure

地下3 层和地下4 层基坑支护结构剖面如图5 所示，其中地下4 层基坑为地铁R4 线北京朝阳站的站台层基坑，形状为规则的长条形，采用ϕ800，壁厚t=20 mm 的双拼钢支撑作为对撑。

图5 地下3 层和地下4 层基坑支护结构剖面Figure 5 Profile of the support structure for the third and fourth floors of the foundation pit

3 双环形内支撑支护体系施工步序

施工步序见图6。

图6 基坑双环形支撑体系施工步序Figure 6 Construction steps of double ring support system of foundation pit

步序1：施工地下3 层和地下4 层基坑地下连续墙及导墙，达到设计强度后，施工墙顶冠梁。

步序2：开挖地下3 层基坑至钢筋混凝土腰梁位置，施工立柱桩(兼抗拔桩)。

步序3：立柱桩达到设计强度后，进行钢筋混凝土腰梁及大、小双环撑结构(钢筋混凝土支撑、钢筋混凝土支梁及钢筋混凝土环梁)的施作。

步序4：待双环撑支撑结构达到设计强度后，分区、分层开挖至地下3 层基坑底，并对地下3 层和地下4 层基坑连接部位进行高压旋喷加固。

步序5：继续开挖地下4 层基坑至钢腰梁设计标高后，施作地下4 层基坑地连墙墙顶冠梁，并架设地下4 层基坑的钢腰梁、双拼钢支撑。

步序6：分层开挖地下4 层基坑(站台层基坑)土方至坑底。

4 双环形内支撑受力及变形特性模拟分析

4.1 计算模型

模型尺寸为330 m×345 m×120 m，模型底部设置为固定约束，四周为水平单向约束，基坑东侧邻近高铁北京朝阳站为地上3 层结构，根据《建筑结构荷载规范》[8]关于建筑物荷载取值方法，将高铁北京朝阳站等效为60 kPa 的附加荷载，计算模型如图7～8 所示。X方向、Y方向、Z方向分别代表基坑宽度、长度和深度方向(X表示东西方向，Y表示南北方向)。土体本构模型采用Plastic-Hardening 塑形硬化本构模型，高压旋喷桩加固地层的效果通过采用提高土体物理力学参数的方式进行模拟[9]。

图8 基坑支护体系有限元模型Figure 8 Finite element model of support system of foundation pit

地层及结构物理力学参数如表2～3 所示。

表2 地层物理力学参数Table 2 Physical-mechanical parameters of soils

表3 结构物理力学参数Table 3 Physical-mechanical parameters of structures

4.2 计算结果及分析

4.2.1 围护结构水平位移

图9 为基坑围护结构水平变形计算取值点的布置(含环梁和钢筋混凝土支撑轴力测点)，图10 为基坑不同位置围护结构水平位移变化曲线。

图10 基坑不同位置围护结构水平位移曲线Figure 10 Horizontal displacement curves for retaining structure at different positions of foundation pit

计算结果表明：

1) 西侧的CX1 测点和东侧的CX2 测点所处位置的基坑深度相同，西侧的CX5～CX10 测点和东侧的CX11～CX16 测点所处位置的基坑深度相同，但是围护结构水平位移存在明显的西侧小、东侧大的特点，主要原因在于东侧的围护结构邻近高铁北京朝阳站，基坑承受了高铁站房结构的附加荷载。

2) 南侧的CX3 测点所处位置的基坑开挖深度比北侧的CX4 测点大，所以基坑围护结构变形呈现明显的北侧小、南侧大的特点。

3) 上述所有取值点的基坑围护结构水平变形均小于20 mm 的允许变形值，表明基坑围护结构具有足够的抗弯刚度。

在荷载非对称、基坑开挖深度非对称的影响下，围护墙的水平变形呈现明显的非对称，势必影响环形内支撑的受力状态，因此有必要对环撑的内力进行计算分析。

4.2.2 环梁轴力

基坑开挖过程中，大、小环撑的环梁典型测点的轴力变化曲线如图11 所示。

图11 环梁轴力变化曲线Figure 11 Axial force variation curve of ring beam during foundation pit excavation

计算结果表明：

1) 随着基坑的开挖，环形支撑的环梁轴力逐渐增大，其中，大环撑的环梁轴力约为小环撑的两倍，Z7测点处环梁轴力最大，为6 608.8 kN，但仍小于控制值14 169.5 kN。

2) 基坑开挖至A 区坑底时，大环撑和小环撑的环梁各点轴力均有较为明显的差异，总体来看，南侧和东侧的环梁轴力较大。主要原因是受基坑开挖深度不同及基坑东侧建筑荷载的影响，南侧及东侧的土压力较大，经地连墙、围檩、辐射状支撑传递后，导致环梁受力不均匀。

4.2.3 钢筋混凝土支撑和钢筋混凝土支梁轴力

轴力云图如图12 所示，计算结果表明：

图12 钢筋混凝土支撑和钢筋混凝土支梁轴力云图Figure 12 Cloud diagram of axial force of concrete brace and concrete bracing beam

1) 几乎所有钢筋混凝土支撑的所受轴力均为压力，且大环撑的钢筋混凝土支撑轴力大于小环撑。

2) 部分辐射状的钢筋混凝土支梁出现拉应力，但数值并不大。

4.2.4 双环形支撑弯矩分布

图13 为双环形支撑弯矩分布云图，环梁承受的最大弯矩为1 863.3 kN·m，弯矩较大值主要集中在钢筋混凝土支撑和环梁的连接处，表明连接部位存在应力集中现象。

图13 双环形支撑弯矩云图Figure 13 Cloud diagram of bending moment of double-ring support system

4.2.5 双环形内支撑的变形特点

基坑开挖至坑底后的双环形内支撑位移云图如图14 所示。

图14 双环形支撑位移云图Figure 14 Cloud diagram of displacement of double ring support system

计算结果表明：由于基坑周边附加荷载及基坑开挖深度不同，环梁向坑内收敛值各不相同，其中南侧和东侧收敛值相对较大，但最大收敛值为11.9 mm，小于收敛控制值20 mm，表明双环形内支撑整体刚度较大，能有效约束环梁的变形。

5 双环形内支撑受力及变形监测结果分析

5.1 双环形内支撑轴力监测值

图15为部分钢筋混凝土环梁测点的支撑轴力监测值变化曲线，表4 为轴力的模拟值、监测值及控制值对比。

表4 各监测点轴力模拟值、监测值及控制值对比Table 4 Comparison of axial force simulation values, monitoring values, and control values for each monitoring points

图15 钢筋混凝土环梁轴力监测值变化曲线Figure 15 Curve showing changes in monitoring value of axial force in the ring double-ring support system

各个测点的轴力模拟值和实测值比较接近，并且各个测点的轴力监测值均小于最大轴力控制值，表明双环形支撑结构体系安全可靠。

5.2 围护结构位移监测值

图16 为CX1、CX2、CX3、CX4 测点的围护结构水平位移曲线，与图10 的计算结果对比，二者的位移分布和位移最大值均比较吻合，且实测的围护结构各点水平位移最大值均小于控制值(20 mm)。

图16 围护结构水平位移实测变化曲线Figure 16 Measured curve of horizontal displacement of the retaining wall of the foundation pit

6 结论

为解决北京地铁R4 线北京朝阳站地下3 层和地下4 层深基坑由于平面形状不规则、坑中有坑以及基坑周边附加荷载不对称所带来的支护体系设计问题，研发了钢筋混凝土双环形内支撑体系，并成功应用于本工程的基坑支护。

1) 双环形内支撑体系由大环梁、小环梁、钢筋混凝土腰梁、钢筋混凝土支撑和钢筋混凝土支梁组成，环梁下方设置格构柱，并与环梁连接，格构柱的桩基础兼作基坑抗拔桩；钢筋混凝土腰梁与地下连续墙密贴布置；钢筋混凝土支撑的两端与钢筋混凝土腰梁连接；钢筋混凝土支梁呈放射状布置，其一端与环梁连接，另一端与钢筋混凝土腰梁连接。大环梁、小环梁、钢筋混凝土腰梁、钢筋混凝土支撑和钢筋混凝土支梁组成平面网架结构，作为一个整体共同承受不同方向的荷载。

2) 数值模拟和现场实测结果表明：采用双环形内支撑的基坑围护结构变形、钢筋混凝土支撑和环梁轴力、环梁收敛等指标均满足控制值要求，表明双环形内支撑体系结构刚度大，可以较好地控制基坑围护结构变形。

3) 本工程的基坑开挖与结构施工实践表明，双环形支撑体系的环梁内部为无支撑开敞区，有利于基坑土方开挖和主体结构施工。