“伞形”支撑系统在复杂深基坑工程中的应用分析

李洪年，高强，周聪

（1.上海东方枢纽投资建设发展集团有限公司，上海 200000；2.江苏建院营造股份有限公司，江苏 苏州 215000）

1 前言

随着建筑业的飞速发展，城市用地日趋紧张，地下空间已经成为城市开发利用的新方向。因此，基坑深度不断增加，地下工程的整体安全性也显得尤为重要。另外，城市中多数项目场地轮廓呈现出不规则性，周边环境也相对复杂，特别是临近轨道交通、生命通道、管廊等重要建筑及构筑物，因此深基坑支护工程的设计与施工难度不断增加[1]。

对于深大型基坑而言，传统方案采用竖向支护结构及水平支撑的围护形式，相比于悬臂式支挡结构，内支撑可更有效地控制基坑开挖施工时产生的位移变形[2]。其中，竖向支护结构多采用工法桩、灌注桩、地下连续墙等；内支撑主要分为钢支撑、混凝土支撑及钢与混凝土混合支撑等[3]。整体上深基坑内支撑主要表现为角撑、对撑、环撑等形式。相对而言，角撑较为经济高效，且相对出土便捷，但《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）[4]要求混凝土支撑不宜大于15m，钢支撑不宜大于20m；对于角撑未能覆盖的区域，常规可采用对撑加以控制，但角撑与对撑的形式须在坑内布设大量横向杆件，严重限制了基坑出土及地下结构的施工速度；环形支撑体系一方面可有效利用结构拱效应抵抗基坑的整体位移变形，另一方面，环形支撑具备较大的敞口空间，约占基坑面积的70%，为地下工程施工提供了良好的作业条件[5-7]。

对于不规则形状的地下室轮廓，须充分利用周边环境条件，因地制宜，制定合适的设计方案。例如支撑可根据基坑形状采用水平角撑结合环形支撑的杆件系统，竖向围护结构可根据周边建筑情况做出选择。深基坑工程施工方面，基坑开挖过程中，诸多因素将导致基坑支护结构处于复杂的受力状态，如施工影响、荷载因素、时空效应，极端天气条件等，均会对基坑产生较大影响。加强基坑施工过程中的各项监测，提高监测的准确性，一旦监测值达到报警值，及时开展应急抢险措施[8]。

2 工程概况

2.1 场地概况及周边环境

苏州拟建中荷（苏州）科技创新港工程，本项目地块位于江苏省苏州市相城区相融路东、富翔路以南，场地形状近似半圆形。其主要由A、B、C、D 四个高层塔楼及三层裙房组成，整体设两层地下室，图1为拟建项目效果图。

图1 中荷（苏州）科技创新港工程效果图

本项目场地周边环境条件复杂，地下重要管线众多，且场地南侧、东侧为地铁二号线地面车辆段，车辆段围墙距离开挖边线约50m，车辆段工程桩为φ 800mm 钻孔灌注桩。本项目北侧下穿后期轨道交通10 号线，经与轨道部门沟通，地铁隧道埋深暂未确定，本次围护设计考虑预留大跨度通道。

2.2 基坑规模及支护形式

本项目基坑开挖面积37550m2，基坑周长756m，设地下两层车库，地库区域开挖深度为10.10～10.80m，A 塔楼开挖深度为12.50m，B、C、D 塔楼区域开挖深度为11.80m，电梯井、集水井落深为1.50～2.85m。根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）[4]基坑安全等级为一级。

2.3 场地地质特征及土层分布

拟建场地在90.30m 深度范围内的地基土主要由粘性土、粉土和粉砂构成，呈水平成层分布。根据本次勘探的底地层资料分析，按其沉积年代、成因类型及其物理力学性质的差异主要分为11 个层次，若干亚层，分别为：①0层淤泥；①1层素填土；③层淤泥质粉质粘土；④1层粘土；④2层粉质粘土夹砂质粉土；⑤1层砂质粉土夹粉质粘土，⑤2层砂质粉土夹粉砂；⑥层粉质粘土夹砂质粉土；⑦1层砂质粉土夹粉质粘土；⑦2层砂质粉土夹粉砂；⑧1层粉质粘土；⑧2层粘土；⑧3层粉质粘土夹砂质粉土；⑧3夹层砂质粉土夹粉质粘土；⑧4层粉质粘土；⑨层砂质粉土夹粉砂。

2.4 项目重难点

基坑周边涉及轨道交通2 号线以及重要市政道路和管线，基坑安全等级高。图2 展示了本项目拟建场地航拍图，基坑轮廓与场地同样呈现出不规则形状，且基坑深度较深，须布设内支撑，而由于形状不规则，内支撑布设方案较为复杂。

图2 拟建场地航拍图

后期轨道交通10 号线将穿越本场地内北侧地下区域，该区域支护结构须预留后期轨道施工中盾构机穿越空间，因此不能采用永久性刚性围护结构。鉴于本项目的特殊性，其施工工期紧张，传统水平支撑形式将覆盖较大基坑面积，影响基坑土方出土效率，而基坑不规则形状使得环形支撑难以布设，因此，优化支撑的布设方案至关重要。

2.5 设计思路

本项目基坑轮廓呈现为半圆伞形，考虑利用半圆形结构的拱效应，并辅以对撑及角撑，利用有限的支撑杆件，设计出合理的半圆伞形受力体系。后期待建轨道交通10 号线下穿基坑内北侧区域，为预留轨道施工盾构空间，该区域设计采用SMW 工法桩或CSM 工法桩的支护形式，并且考虑后期所有型钢均拔除回收，其余地下二层及汽车坡道区域均采用钻孔灌注桩的竖向支护结构。根据变形及内力分析结果，进一步优化调整支撑杆件布置，减少辅助杆件数量。合理布置立柱桩、栈桥及土方开挖车辆下坑坡道等，提高出土效率，缩短地下工程施工工期。

3 基坑支护设计方案

3.1 支护体系

待建轨道交通10 号线区域采用SMW 工法桩或CSM 工法桩（型钢700×300×13×24，密插），其中地库区域型钢有效长度22.0m，塔楼区域型钢有效长度为25.0m。其他区域：地库区域采用φ900@1100 钻孔灌注桩，灌注桩有效长度为21.0m；塔楼区域挡土结构采用φ 950@1150 钻孔灌注桩，灌注桩有效长度为22.0m；场地东侧汽车坡道区域挡土结构采用φ800@1000钻孔灌注桩，灌注桩有效长度为11.0m。

3.2 止水体系

待建轨道交通10 号线影响区域止水帷幕采用双排3φ850@1200 搅拌桩，7 层粉土深厚位置采用CSM 深搅水泥搅拌墙，其他区域采用单排三轴3φ 850@1200搅拌桩止水帷幕。

3.3 支撑体系

本项目基坑工程地下2 层区域设置两道钢筋混凝土支撑，支撑系统混凝土强度等级为C35，坡道区域设置一道H400×400×13×21型钢支撑。

图3 为本项目基坑工程第一、二道钢筋混凝土支撑平面图，中心标高分别为-1.70m、-6.75m。主要由两道半圆环形支撑、角撑、主对撑以及副对撑组成，边桁架采用三角形桁架形式，充分利用基坑轮廓合理布设，支撑体系受力合理。

图3 钢筋混凝土支撑平面布置图

3.4 立柱体系

非栈桥区域、栈桥区域以及轨道交通10 号线区域均采用φ800mm 钻孔灌注桩，桩长25.0～28.0m。为预留轨道施工大跨度空间，北侧立柱桩间距达到14.0m左右。

4 基坑开挖

本基坑工程土方开挖工程量大，基坑开挖面积37550m2，土方开挖总量约为406000m3。土方开挖阶段充分利用水平支撑特点，先盆式开挖，投入两个土方开挖班组，同步对称盆式开挖；后采用中心岛式开挖，主要是利用坑内土体自重反压控制基坑变形，同时增加基坑位移变形及支撑内力监测频率，根据变形情况开挖中心土方，如图4、图5 所示。利用基坑东西向主栈桥、西北角以及南侧栈桥板作为主要出土口，东西向栈桥作为主出土通道。由于本工程基坑面积较大，基坑开挖深度较深，仍须注意“时空效应”[9-10]，在每个开挖区段分块、分层开挖，缓解基坑土方开挖阶段的应力释放，否则可能引起基坑过大变形甚至基坑垮塌事故。此外，按规定时限开挖，缩短基坑暴露时间，开挖至最下一层土方，应及时施工基础垫层及地下室底板，无垫层坑底最大暴露面积不得大于200m2，暴露时间不得超过12h，混凝土垫层须直接浇筑至围护桩内侧面，以免墙底、坑底隆起，涌水涌沙。

图4 土方开挖阶段航拍图

图5 地下结构施工航拍图

5 理论分析与实测结果对比分析

本项目基坑围护设计采用同济启明星9.0 以及BSC 分析软件计算模拟施工工况，施工阶段采用信息化监测手段，理论计算联系实测数据，双向反馈指导施工。图6、图7为基坑施工过程中位移变形及支撑轴力监测数据图。根据理论计算与实测数据分析，开挖至坑底时，基坑最大位移以及支撑最大轴力位置均出现在基坑南侧（圆环撑与边桁架交界区域），实测最大位移达到19.1mm，其中第一道、第二道支撑最大位移分别达到11.5mm、16.4mm，明显小于理论计算最大位移（33.6mm）；第一道、第二道钢筋混凝土支撑最大轴力分别为4306.8kN、8296.6kN，明显小于理论计算最大支撑轴力（14241.0kN）。

表1 主要结构尺寸

图6 最大深层水平位移-深度监测数据图

图7 最大轴力监测数据图

理论与实测结果之间的变形与轴力值差异主要是由于项目基坑规模较大，为避免“时空效应”，确保基坑安全稳定，考虑分区段独立施工的策略，并及时换撑。因此，相比于设计工况，本项目整体水平支撑系统均处于偏安全受力状态，进而位移变形与支撑轴力明显小于理论计算值。

根据本基坑工程特点及基坑围护设计经验，本项目围护方案理应整体采用钻孔灌注桩结合两道钢筋混凝土支撑的围护形式，但由于后期轨道交通10 号线下穿本项目场地内北侧的限制，其受影响区域不得采用永久性刚性围护结构，所以考虑采用水泥搅拌桩密插H 型钢并结合两道钢筋混凝土支撑的支护形式代替。图8 展示了土方开挖至坑底阶段工法桩及钻孔灌注桩区域实际位移变形监测结果，相比于本场地类似地质条件下采用钻孔灌注桩支护形式的区域，工法桩区域深层水平位移略大，但均小于20mm，在可控范围内。这是由于水泥土搅拌桩密插H 型钢支护结构与围护钻孔灌注桩的刚度相当，均可有效控制基坑深层土体位移变形。因此，本项目基坑围护设计方案验证了当其他类似深基坑工程受到周边环境条件限制而不能采用钻孔灌注桩结合两道钢筋混凝土支撑时，采用水泥土搅拌桩密插型钢并结合水平支撑围护形式替代方案的可行性。

图8 工法桩与灌注桩区域位移变形监测数据图

为满足结构梁设计时强剪弱弯、强节点弱构件的准则[11]，布设水平支撑时，应尽量保证相邻支撑杆件交汇于一点，更有利于满足支撑杆件的抗剪要求，否则会导致垂直于支撑梁杆件向的分解荷载较大。若加之支撑梁较短，必将使得该杆件成为抗剪最薄弱区域，承担相应支撑梁脆性断裂的风险。

6 结束语

在深基坑工程中，基坑围护工程水平支撑的布设须充分利用基坑轮廓特点，合理选择水平向支撑布设形式，充分采用三角形桁架布置形式，保证基坑支撑处于整体合理受力状态的同时，有效控制基坑整体位移变形。此外，基坑平面上尽可能提供较大的敞口空间，保障地下结构的施工作业条件。

施工过程中应根据支撑特点、施工出入口位置，合理规划土方开挖以及支撑分区施工方案，设计指导施工，施工反馈设计，理论计算和实际监测结果共同反馈基坑安全情况，确保基坑安全储备能力。基坑开挖过程中，明确并严格落实信息化监测要求，及时反馈基坑各项监测情况，基于监测数据结果及时商讨并调整土方开挖方案，快速规避风险，保障施工安全的同时，带来更大的经济与社会效益，为后续类似深基坑工程提供丰富的经验与技术参考。