石湾广场基坑工程实例分析

肖芳

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

为确保地下空间结构施工及基坑周边环境的安全，避免基坑及其支护结构产生过大的变形，甚至导致不可控的工程事故，必须对深基坑侧壁及周边环境采取一定的支护措施[1]。目前基坑支护有多种形式，排桩加内支撑是目前应用较多的一种支护结构形式，内支撑系统由于具有无须占用基坑外侧地下空间资源、可提高整个围护体系的整体强度和刚度，以及可有效控制基坑变形和保护周边环境能力强的特点，而得到了大量的应用。

本文依托石湾文化广场工程，结合工程现状、场地环境条件，对排桩加内支撑体系进行计算分析，提供一个深基坑工程的设计实例。

1 工程概况

该工程位于佛山市禅城区石湾街道石湾文化公园内。基地西侧为镇中路，且西侧佛山地铁2号线正在建设，北侧为三友南路，东侧为茂祥路。该地块总用地面积27 153.91 m2。根据对该地块开发计划，地下拟建为公交枢纽站、机动车地下停车库、地下商业、地下通道及配套用房等综合性的交通枢纽一体化工程项目。项目总建筑面积约为28 225.99 m2，地下两层，地上一层。该工程建筑形状大致成三角形。

2 工程地质条件

根据相关工程岩土工程勘察报告，地表地形有一定起伏，呈东西向分布。地面标高在8.0～11.2 m。其中，西北角地势最低，地面标高为8.0 m，东北角地面标高为10.0 m，东南角地面标高为11.2 m。在原始地貌上属第三系残丘及山前冲积平原，后经人工填土整平，建成公园。在区域地质构造范围上，基岩中未见断裂构造形迹，岩石总体稳定性较好，仅局部风化基岩节理面见滑动擦痕。场地基底岩石为古近系宝月组（E2by）风化基岩，不是灰岩地区，不存在土洞、溶洞等岩溶现象，不存在采空区。场地地形开阔平坦，不存在滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害。在钻探过程中未发现全新活动断裂等不良地质作用。佛山市禅城区抗震设防烈度为7度。稳定水位埋深在1.50～2.80 m。广场区域内主要分布有六种地层（见表1）。

表1 设计区域主要地层物理力学参数

残积中砂夹层主要为含水层，仅东侧局部分布。其他土层与风化岩层含水贫乏，透水性差。淤泥质土层也仅在东侧局部分布。

3 基坑围护结构设计

基坑工程为二层地下室基坑，局部为一层地下室基坑，基坑边长约为660 m，基坑占地面积约为19 670 m2。该项目现状场地绝对标高约8.650 m，基坑整平至绝对标高8.000 m。基础底板厚800 mm，基底设置100 mm厚的垫层。该项目地下室底板东侧浅、西侧深，东侧开挖深度为9.85 m，西侧开挖深度为10.25 m，东北侧开挖深度为5.95 m。其中分布有杂填土、粉质黏土、残积粉质黏土。

该地块的地下结构比较复杂，且成不规则形状。该工程基坑的二层结构段基坑深约10 m，一层结构段基坑深约6 m。考虑到该基坑周边环境条件极为复杂，周边25 m范围内有地铁、商场、居民楼、市政管线和道路等多项重要建筑与设施，对基坑沉降和水平位移均极为敏感。按照全国及广东省建筑基坑支护的有关规范和规定[2-3]，以及该地下室西侧紧贴既有地铁车站和地铁隧道结构，北侧靠近禅城区中心医院，东侧为茂祥路，且其下尚未发现埋设市政管线，故该基坑支护工程安全等级西侧、北侧为一级，东侧为二级。

该工程选用钻孔灌注桩为挡土结构，内部支撑结构由两道临时混凝土支撑和216根型钢格构柱构成，第一、第二道之间的支撑竖向间距为5.5 m。底板、中板和顶板顶标高分别为-1.350 m、2.950 m、7.050 m（8.050 m）。坑内降水至最终开挖面下0.5 m,坑外防水主要采用三轴水泥搅拌桩[4],计算时选取地面下0.5 m作为坑外侧水位深度。

围护桩嵌固深度参照《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）要求，采用圆弧滑动简单条分法并结合当地设计经验，选取5.750 m为最终嵌固深度。相应的桩布置方式确定西侧、北侧为直径1.0 m的圆形钻孔灌注桩，桩间距1.20 m，东侧为直径0.8 m的圆形钻孔灌注桩,桩间距1.10 m[2，5-6]。基坑支护平面布置如图1所示，典型支护剖面如图2所示。

图1 基坑支护平面布置图

图2 基坑围护结构典型断面图（单位：mm）

4 基坑体系剖面计算

剖面计算考虑分步开挖、逐道支撑等动态施工因素的影响。竖向开挖过程的围护桩按支承在弹性地基上的梁系结构进行内力和变形分析，模拟实际的施工工序，对不同的工况计算内力和变形后进行综合包络。结构计算根据施工过程进行内力计算。对围护结构进行稳定、强度、变形验算。围护结构内力计算主要成果见表2。

根据不同的地质钻孔得到的计算结果表明，围护墙西侧、北侧最大变形控制在30 mm，东侧最大变形控制在42 mm，均在合理的控制范围之内。灌注桩的最大弯矩约为-1 800 kN·m，最大剪力约为800 kN，灌注桩桩内力在合理范围内。计算得到的整体稳定安全系数约为2，抗倾覆安全系数大于2，坑底抗隆起稳定性安全系数大于3.5，均满足规范规定的要求。上述变形与内力的计算结果表明，当前选择的灌注桩围护结构可以满足要求。

表2 围护结构内力汇总表

5 基坑内支撑平面计算

将支撑结构从整个支护结构体系中截离出来，此时内支撑（包括围檩）形成自身平衡的封闭体系，在周边的围檩、内支撑上添加适当的约束，进行在土压力作用下的杆系有限元计算分析。

初始围压荷载根据弹性地基梁法计算得到的内支撑反力进行取值。因基坑外的土层情况不同，东侧有残积中砂夹层与淤泥质土层，西侧土质情况较好，因此通过剖面计算得来的东侧支撑的土压力作用远大于西侧的土压力作用，从而使内支撑体系在上述不平衡荷载作用下，向荷载小的西侧整体“漂移”。而支撑体系在产生刚体位移的同时，必然要受到竖向围护墙及其外围土体的约束作用，并进一步引起墙后土压力的重新分布，直至达到新平衡。由于土压力的重分布,使作用在支撑上的水平荷载也得到重新调整。为使计算结果趋于合理，在平面计算时采用在内支撑结构的西侧施加虚拟的法向均布弹簧的办法，来模拟周边围护墙及外围土体对内支撑的约束作用，围护墙和土体对内支撑的约束作用一般不考虑受拉，所以加设的应是单向弹簧。基坑第一道水平支撑变形前后水平位移如图3所示。内支撑平面计算指标见表3。

图3 基坑第一道水平支撑计算变形图

表3 支撑系统信息表

通过平面计算结果可以得出，支撑体系整体上可以满足水平受力的要求，内支撑整体位移趋势合理，能够满足相应的规范要求。

6 结语

基坑采用双轴搅拌桩止水帷幕+钻孔灌注桩+两道内支撑进行支护，支撑在布置上避开了轴线位置，不影响结构柱的施工。支撑至坑底的净距为3 m以上，满足小挖机的施工操作净空要求。计算结果表明：支护结构最大位移发生在拆除第二道支撑后，西侧（邻近地铁侧）为26.3 mm，北侧为29.4 mm，均小于一级基坑支护工程水平位移控制值（30 mm）；东侧为41.9 mm，小于二级基坑支护工程水平位移控制值（50 mm）；该工程基坑支护设计方案是合理的，满足规范要求。支撑采用对撑和角撑的支撑形式，有效减小了围檩的变形和内力，该围护结构的变形与内力从总体上讲皆在合理与可控范围内，可满足基坑自身稳定性和对环境保护的要求。