深大异步联合基坑支撑优化及实测分析

袁运涛,李苏春,雷秋生

(江苏省纺织工业设计研究院有限公司,江苏苏州215128)

0 引 言

目前深大基坑工程实践及研究热点多集中于单体基坑开挖对周边建(构)筑物的影响及围护体系自身稳定及变形的分析:刘兴旺[1]对软土地区部分基坑工程的围护体最大侧向变形、最大侧向变形位置、邻近建筑物的沉降等进行了分析研究和总结;孙凯[2]通过数值模拟对某深基坑实测数据进行分析;安关峰[3]对广州地铁琶州塔站实测数据进行了深入探讨,得到围护体结构位移及受力的关系;张建全[4]从时空效应的角度出发,评估了温度对基坑的变形及受力的影响。

单体基坑的研究较为充分,但对不同步开挖的基坑变形及受力分析罕有研究[5]。

本文对某开挖不同步的深大联合基坑进行了详细优化介绍,并对实测结果进行分析,为该类基坑提供实践经验。

1 工程概况

如图1,拟建联合基坑工程为两部分,左侧为A工程,东西宽约85 m,南北长约89 m,3层地下室,普遍区域挖深14.9 m;右侧为B工程,东西宽约84 m,南北长约90 m,3层地下室,普遍区域挖深12.9 m。两基坑地下室外墙间距4.5 m。A、B基坑四周为市政道路,85国家高程基准约+3.00 m,其下管网密布,道路外侧均为高层建筑。两基坑工程施工需确保周边道路、管线及周边建筑物安全。

图1 两基坑基坑平面关系及周边环境图

2 场地内工程及水文地质概况

2.1 工程地质概况

根据地质详勘报告,场区的工程地质概括如表1。

表1 基坑内各土层性质表

基坑底部大部分区域位于(3-2)粉土和(3-3)粉质粘土夹粉土层中。

2.2 水文地质概况

根据勘探揭露的地层结构,基坑影响范围内场地地下水可分为潜水、微承压水层。

(1)潜水

浅层孔隙潜水赋存于表层填土层中,分布不均匀,水量较小,稳定水位标高为0.80 m～1.55 m。

下伏(2)粘土层、(3-1)粉质粘土层透水性差,是潜水含水层与微承压含水层之间的相对隔水层。

(2)微承压水

微承压水主要贮存于(3-2)粉土中,本层土透水性及赋水性中等,是对本工程影响较大的含水层,主要接受侧向径流补给及越流补给,其相应水头标高为0.55 m～0.72 m。

3 工程特点及优化对比分析

3.1 工程特点

周边环境较复杂、距离红线较近且挖深较深,故采用垂直围护体系:两基坑均采用φ 900钻孔灌注桩作为挡土结构,外侧采用φ 850@1200三轴搅拌桩落底式止水帷幕,内部采用三道钢筋混凝土内支撑体系,采用临时钢立柱及柱下钻孔灌注桩作为水平支撑系统的竖向支承构件。基坑坑内采用管井降水+明沟集水井的排水方式。

两基坑中间交界处剖面相对位置关系见图2。

图2 两基坑交界处剖面关系

两基坑结构外墙之间净距4.50 m,B工程结构底板边缘距离A基坑已施工钻孔桩净距仅为0.38 m,无法重新设置钻孔桩,造成两基坑中间钻孔桩成为分隔墙结构。

根据两基坑实际施工进度,在B基坑围护设计方案之前A基坑围护桩已打设完毕,且采用3道环撑体系,导致双方工期不同步;两基坑工期安排如表2。

表2 两基坑工序时间表

从表2看出,A基坑施工进度始终领先B基坑,工况2～5两基坑开挖最大落差为7.6 m,是本工程分析的重点。

综上,本工程是较为典型的开挖工况不一致且共体的深大复杂基坑。

3.2 支撑优化及受力分析

针对以上工程特点,对三个方案计算分析,比选最优支护体系。

3.2.1 计算模型的选择

采用有限元模型计算:土体采用实体单元,并采用摩尔—库伦本构模型,参数根据勘察报告取值;混凝土结构体采用弹性实体单元;内支撑采用弹性杆单元;采用Goodman单元作为土体与混凝土结构的接触面模型,其余部分依据以往类似设计取相应参数。

整个开挖工序按照表2计算;围护体位移控制值为30 mm。

3.2.2 多方案介绍及计算

(1)方案一

A基坑采用3道水平环撑体系;B基坑采用十字对撑+角撑+边桁架水平支护。

A基坑支撑整体受力较为复杂,对施工技术要求高;若B基坑也采用环撑体系,则增加结构整体受力的复杂程度,基坑变形难以控制。故采用钢筋混凝土角撑+对撑体系,各角区形成独立的受力体系,减少不利影响的范围,如图3所示。

图3 方案一

计算结果表明:A基坑环撑最大水平位移为15.3 mm,A、B交界处围护体最大水平位移为23.9 mm。

冠梁及围檩最大弯矩为1 834 kN,最大剪力出现在两基坑交界处的围檩上,为1 496 kN。

在环撑靠近交界处位置部分连杆出现拉力,最大值为-171 kN。

(2)方案二

考虑到基坑施工过程影响因素较多,难以达到以上理想计算状态,在两基坑交界处A侧边增设一榀边桁架,如图4。

经计算,A基坑环撑最大水平位移为10.6 mm,A、B交界处围护体最大水平位移为13.0 mm,均小于变形控制值。

图4 方案二

冠梁及围檩最大弯矩为1 793 kN,最大剪力出现在B基坑东侧,为1 274 kN。

在环撑靠近交界处位置部分连杆出现拉力,最大值为-83 kN。

同方案一相比,交界处围护桩水平变位最大减幅45.6%,平均减幅34.5%;A基坑环撑水平变位最大减幅31.6%,平均减幅23.7%。

(3)方案三

此时A基坑尚未打设立柱桩等基坑内围护设施,经协商,最终采用图5所示统一的联合支护体系。

图5 方案三

方案三联合基坑围护桩计算最大水平位移为24.0 mm,出现在东西两侧中部,冠梁及围檩最大弯矩为1 355 kN,最大剪力出现在两基坑交界处,为1 223 kN。

同方案一相比,围护桩水平变位平均减幅25.7%;同方案二相比,围护桩水平变位平均减幅13.2%。

以上计算结果表明:

(1)方案三围护桩总体变形小于前两者,但在东西角撑开口位置变形大于前两者。

(2)方案三冠梁及围檩受力最大值小于前两者,且受力更为均匀。

3.2.3 各方案综合对比分析

(1)安全性

多道环撑体系的深基坑围护工程受力较为复杂,周边不对称卸荷对其安全性及稳定性的影响尚有待进一步分析[6-9]。方案一及方案二支撑体系不均衡,对先期实施的环撑影响较大,计算结果表明部分连杆出现较大拉力,存在拉裂的风险;方案三支撑体系较为对称,受力相对合理,计算表明东西两角撑交界处变形较大,但在容许范围内;总体来看方案三优于前两者。

(2)经济性

A基坑围护总造价三个方案较为接近(方案一/二为879.3万元、方案三为923.5万元),但B基坑支撑杆件及临时立柱减少较为明显,总造价方案一～三分别为935.0万元、1 072.8万元、862.9万元;方案三造价总体低于前两者。

(3)施工便捷性

环形支撑体系中部可预留较大的挖土空间,加快施工进度,但周边辐撑及连杆往往比较密集,往往导致挖土工效降低;方案一及方案二两基坑交界处杆件较为密集,限制了土方开挖的速度;方案三中两基坑交界处已打设的围护桩兼做挡土用悬臂式钻孔灌注桩,保证两基坑相对独立、便捷地挖除中部土方,减少彼此施工干扰。

4 实测结果分析

本工程于2010-03-25开始挖土,2011-01-28基坑回填结束,本文关注于两基坑交界处深层水平位移及轴力在空间上的变化规律;围护桩深层水平位移监测点CE1～CE7,轴力监测点ZL1～ZL3测点,位置如图5。

由表2双方工序时间表可知,在工况2、3、5情况下,双方基坑开挖深度及落差较大,是影响本工程安全的关键节点,提取相应监测结果分析:

4.1 深层土体位移空间变化规律

4.1.1 深层土体位移竖向变化规律

取两基坑交界处监测点CE1及B基坑一般区域监测点CE4,观察其位移历时曲线,如图6。

两监测点结果表明:

(1)随开挖的进行,两测点水平位移逐渐增大,最大水平位移出现在CE1点约6.0 m深度处,最大值22.2 mm;

(2)两测点水平位移沿深度方向均为先增后减,呈弧形变化;比较CE1～CE7号测点后发现,在21.0 m深度处深层水平位移均趋近于零,深层水平位移接近零点位置与开挖深度之比约为1.6,略小于以往1.7～2.2的监测结果[1-4];

(3)基坑开挖至第二道支撑以后,CE1点在开挖面下4 m～5 m范围内深层水平位移值明显大于CE4,CE5～CE7也反映出类似的规律;分析认为,该位置A基坑侧开挖已达到第三道支撑位置,削弱了该位置坑底土对围护桩的约束。

图6 深层水平位移点CE1、CE4全过程位移曲线

4.1.2 深层土体位移水平向变化规律

CE1～CE7深层土体位移最大值按开挖工况统计,见表3。

表3 CE1～CE4深层土体位移最大值

各点深层水平位移增量沿垂直两基坑交界面方向变化如图7。

图7 交界处深层水平位移增量变化图

由表3及图7可知,两基坑工序的差别对该区域围护桩深层土体位移产生较为明显的影响:

(1)同一工况下,各测点位移累计量随交界面距离的增大而减小,但增量总体逐渐趋近于零;由图7可知影响范围一般不超过15 m,两基坑最大工序差7.60 m,两者比值接近2.0。

(2)不同工况时,各测点位移增量随基坑开挖的进行变化规律不明显,原因在于侧壁开挖速率不一致,导致增量波动较大。

4.2 支撑轴力空间变化规律

取两基坑交界处B侧3榀对撑轴力监测点ZL1～ZL3,其中第一道支撑对应轴力ZL1-1～ZL1-3,第二道支撑对应轴力ZL2-1～ZL2-3,其轴力监测结果如表4。

表4 交界处轴力监测结果

结果表明,同一工况条件下,沿垂直交界面方向轴力变化规律不明显;不同工况条件下,同一监测点变化规律亦不明显。

这表明异步开挖交界处对围护体变形产生一定影响,但混凝土内支撑作为被动受力体系,受力更多取决于该位置的土方开挖速率及温度变化[4],异步开挖对支撑轴力的影响并不显著,计算结果及实测均反映出类似规律。

5 结 语

本文详细介绍了某深大异步共体基坑的优化设计,并对实测结果进行了有针对性的分析,得出如下结论:

(1)对共体的深大基坑,在开挖不同步的情况下,宜尽可能采用较为可靠的平面支撑体系;特别是对于本文实例,不宜采用三道双环形支撑体系,应尽量避免方案一、二中支撑在水平面内不对称的情况,方案三不但受力合理,施工方便,围护体系的变形及对周围环境的影响也相对较小。

(2)深层水平位移接近零点,与开挖深度之比约为1.6;交界面处先开挖基坑削弱了该处围护桩的侧向约束;深层水平位移累计量随交界面距离的增大而减小;影响范围约为开挖面高差的2倍。

(3)异步开挖对交界面附近一定范围内围护体变形产生一定影响,但对内支撑轴力影响不明显。

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