考虑空间效应的基坑支护优化设计与施工

宋倩云， 徐国兴， 王翠英

(1 湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068； 2 湖北楚程岩土工程有限公司， 湖北 武汉 430300)

上海大部分深基坑工程均处于地下30 m以内的流塑及软塑黏土层中。由于软黏性土具有较大的流变性，则基坑工程中的支护结构和周围地层的变形在很大程度上取决于施工工序和施工参数。因此，在基坑设计施工过程中，必须考虑时空效应所带来的影响并制定相应的解决措施。已有许多学者在基坑的空间尺寸对基坑支护结构、周围地层的位移及基坑稳定性的影响做了较深入的研究。如方银钢[1]在时空效应的影响下采用钢支撑轴力伺服系统、设置隔离桩等措施对土体分层分块卸荷，以此控制基坑变形；贾坚[2]利用时空效应法开挖技术，解决复杂地区基坑变形控制问题；高文华等[3]运用三维有限元分析模型对支护结构内力和变形时空效应的影响规律进行探索；史子庸[4]对深基坑内支撑支护结构变形规律与优化设计进行了研究；李成巍等[5]介绍了紧邻地铁隧道的复杂环境条件下，两侧超大深基坑同步开挖的总体设计思路，以及针对变形控制目标采取的技术措施；包宸豪[6]基于数值模拟和层次分析法对双侧基坑最优开挖方案进行研究。

目前工程界在软土地区深基坑工程中，为控制地层位移保护基坑周围环境，在基坑开挖前用高压旋喷注浆法，沿坑底2～4.5 m厚的土体，满膛加固，有的在开挖过程中施加密集的大规模型钢支撑等处理方法。如照此做法，在上海地区基坑施工时，需加固大量土体，不仅花费高额加固费用，而且还将延长施工周期。笔者以上海某深基坑工程为背景，探究考虑空间效应的优化设计及“盆式挖土与限时对撑”的施工技术，有效地控制基坑变形，降低造价，为类似基坑设计与施工提供参考。

1 基坑开挖的空间尺寸与抗隆起安全系数的关系

深基坑开挖的空间效应是指土体及支护结构的应力场与位移场不但与最终状态有关，而且与达到最终状态的路径、结构尺度等有关，即所谓空间效应。基坑中软黏土开挖顺序、分块尺寸与基坑的稳定性和墙后地面沉降都有一定的关系。

Eide等曾对长条形、方形和长宽比为2的矩形基坑的抗隆起进行研究，提出了抗隆起安全系数Fs计算公式[7]为：

(1)

式中：Cu为不排水抗剪强度,kPa；γ为土体重度,kN/m3；H、B、L为基坑开挖深度、宽度、长度,m；q为地面超载,kPa；Nc为与尺寸相关的待定参数。

图1为基坑尺寸长、宽、深与Nc关系曲线。对于H/B=1及B/L→0的条形基坑，图1中查出Nc=6.4，Fs0=Cu·6.4/γH；对于H/B=1及B/L=1为方形基坑，图1中查出Nc=7.7，Fs1=Cu·7.7/γH；Fs0、Fs1分别为条形、方形基坑抗隆起安全系数。

由式(1)可知：Fs0/Fs1= 7.7/6.4=1.21，H/B=1的方形基坑(B/L=1)的抗隆起安全系数比H/B=1的条形基坑(B/L→0)大21%。

2 考虑空间效应的基坑设计与施工

根据基坑开挖深度、面积大小和周边环境条件等因素优化基坑支护结构型式，考虑空间效应，采用盆式开挖，分层分段，留土护壁，限时对撑的基坑挖土方案，从而达到控制基坑变形的目的。

2.1 考虑空间效应的深基坑支护设计

2.1.1 方案设计采用内支撑“对撑+边桁架+局部角撑”支护形式。

设计考虑的内容如下：

1)根据设计要求，对设计提出的总的变形控制量进行分解，根据施工流程和工况提出分阶段的定量控制指标，用以指导分阶段的施工作业；

2)信息化施工的具体安排。首先进行基坑系统的分析和先期预控设计，然后施工过程中实施动态监测和过程控制。

2.1.2 支撑轴力的计算采用等值梁法计算支撑轴力。首先计算出各土层的主动土压力和被动土压力，然后求出土压力零点O位置。图2为等值梁法计算简图。

等值梁AO，根据平衡方程计算支撑轴力

(2)

式中：Ea为库伦主动土压力,kN/m；h为基坑深度,m；u为坑底至压力零点的距离,m；a为主动土压力合力作用点至桩顶的距离,m；h0为支撑点距桩顶的距离,m。

2.1.3 横撑水平距离的确定设横撑水平间距为d，根据支护结构平衡条件，则

即

(3)

式中：∑Ea为支护桩墙一侧的主动土压力合力标准值,kN/m；∑Ep为支护桩墙另一侧被动土压力合力标准值,kN/m。

2.1.4 支护结构的稳定性验算稳定安全系数

(4)

式中：Ni为第i个支撑对支护桩墙的水平作用力,kN/m。

2.2 考虑空间效应的深基坑施工

1)盆式开挖 先开挖基坑中间部分的土，基坑周围内侧留土坡，土坡最后挖出，称盆式开挖。本基坑基坑开挖面积大、无法放坡；结合基坑的实际分布情况，在考虑周边环境与实际施工条件之后，首先将基坑分为若干个区域，一一进行数字编号，并严格按照分区编号大小顺序从小到大依次施工，编号数字相同区域需要同时施工，图3为盆式开挖施工图。

图 3 盆式开挖施工图

2)分层开挖 本基坑土质较软弱、开挖深度较大，并且施工条件不适合分块分段施工混凝土垫层。分层开挖是整体浇灌混凝土垫层的基础，分层的厚度必须严格根据地下土质情况进行稳定性计算之后确定。软土地基的分层厚度一般控制在2 m以内，而硬质土可以控制在5 m以内。

3)土方开挖与支护的配合 开挖进程和支护结构施工协调，可以形成循环作业，节省工期。所有支护桩、立柱桩、水泥土搅拌桩、降水井必须在基坑开挖前完成。

2.3 环境保护的信息化施工与监测

图4为基坑信息化施工流程图。

图 4 基坑信息化施工流程图

3 工程实例

3.1 工程概况

上海某工程占地面积21 562 m2，总建筑面积87 650 m2。工程北毗临宋氏住宅保护建筑，东侧紧邻M15规划地铁线，南为主干道，西靠申康宾馆保护建筑，同时与拟建12号线对接。

该基坑工程近似于长方形，南北长约120～190 m，东西宽约110 m。地下部分开挖深度23 m，基坑开挖面积约16 572 m2，周边延长米约600 m，地层情况详见表1。

表1 地层计算参数

3.2 考虑空间效应的深基坑设计与施工

3.2.1 深基坑支护结构设计方案综合考虑本次基坑工程情况、周边环境条件及基坑开挖施工顺序，围护设计采用地下连续墙(两墙合一)+四道钢筋砼水平内支撑的围护形式；内支撑布置采用“对撑+边桁架+局部角撑”，连续墙边缘采用围檩的形式进行加固，支撑平面布置及施工分区图见图5。

图 5 支撑平面布置及施工分区图

3.2.2 支撑体系该工程地下四层，开挖深度23 m，围护设计设置四道钢筋砼支撑，支撑和围檩参数详见表2。

表2 内支撑和围檩参数

此外还有栈桥、支撑立柱、换撑、支撑拆撑(篇幅所限略)。

3.2.3 支撑力计算

1)计算工况 挖土标准工况与地下室施工顺序：开挖至-1.55 m时，开槽施工第一道支撑、围护桩压顶梁；分层分块开挖至-6.85 m时，开槽施工第二道围檩及支撑；待强度达到后，分层分块开挖至-11.85 m时，开槽施工第三道围檩及支撑；待达到强度后，分层分块开挖至-16.05 m时，开槽施工第四道围檩及支撑；达到强度后，分层开挖至坑底处，并立即浇注垫层、施工底板及换撑带等。

2)1-1剖面支撑力 本算例选取1-1剖面，采用等值梁法计算支撑轴力。基坑周边地面荷载取20 kPa，连续墙深度41.8 m。

第一道支撑力N1计算。开挖至-6.85 m，第二道支撑还未施工、强度未达到期间，第一道支撑处于最不利状态。采用朗肯土压力理论、水土合算计算土压力，计算得各土层主动、被动土压力强度见图6，等值梁法计算简图见图7。

土压力零点位置

图 6 主、被动土压力分布情况

图 7 1-1剖面等值梁法计算简图

采用逐层开挖支撑力不变法Ea1=70.52 kN/m，b1=4.55 m，Ea2=206.90 kN/m，b2=1.52 m，Ea3=309.63 kN/m，b3=1.02 m。对等值梁AO的O点取矩，由(2)式得

243.2 kN/m

b1、b2、b3分别为土压力Ea1、Ea2、Ea3合力作用点距开挖面的距离；同理求得：N2=856.3 kN/m，N3=1125.7 kN/m，N4=1160.5 kN/m

横撑水平距离的确定。

由式(3)得，

稳定性验算由式(4)得

内支撑结构满足稳定性要求。

3.3 考虑空间效应的深基坑施工

3.3.1 平面分区本基坑长约120～190 m，宽约110 m，根据基坑施工要求，土方开挖与支撑施工过程中拟将该基坑场地由北至南划分为A、B、C、D四个施工区(图5)。N轴线以北为A区，N～J轴线范围为B区，J～E轴线范围为C区，E轴线以南为D区。为了提高施工进度，每个施工区域又以5号轴为界划分为东、西两个平行施工段Ⅰ、Ⅱ，平面分区具体划分示意图见图4。

3.3.2 竖向分层估算主体基坑最长120 m，宽约110 m，B/L=0.92，H/B=0.21，插入法查图1得Nc=6.2，最大分块长、宽分别为55 m、30 m，取Fs为1.2，开挖深度范围内土层黏聚力Cu厚度加权平均值为18.0 kPa，根据式(1)，分块每层开挖深度H=4.89 m。

基坑土体开挖共分为五层，每层开挖深度4.6 m(4.6 m<4.89 m)，第一层与第五层开挖一次到底；第二层～第四层，每层再分二小层分层开挖。

3.3.3 留土护壁，盆式开挖盆式开挖中间土体并施工对应的支撑，四周留5 m宽左右的土堤，并且沿开挖面放1:1.5的坡，以减少基坑围护结构的变形；基坑严禁超挖，最后150 mm厚土层采用人工清挖，以控制标高。由于上海地区黏性土的流变性，应用时空效应，随挖随撑，盆边支撑48 h内形成，限时支撑。

3.4 监测结果

设计提出的总的变形控制量，分解至施工流程和各工况分阶段的定量控制指标中；图4基坑场地划分的A、B、C、D四个施工区分成阶段1、阶段2、阶段3、阶段4进行监测，第5 d、第10 d、第15 d和第20 d天围护结构的监测结果分别见图8、图9、图10和图11；监测结果表明，围护结构变形监测值与设计预测值相吻合，均在规范允许范围。

工程实施情况和监测结果表明，考虑了空间效应内支撑布置形式以及施工方法，可减小、控制深基坑变形，合理地解决了土方开挖及施工过程对周围建筑物和交通所造成的影响，降低了造价。

图 8 第5 d基坑围护结构变形监测值与预测值对比

图 9 第10 d基坑围护结构变形监测值与预测值对比

图10 第15 d基坑围护结构变形监测值与预测值对比

图11 第20 d基坑围护结构变形监测值与预测值对比

4 结论

1)阐述基坑开挖的空间尺寸与抗隆起安全系数的关系，分析得出方形基坑的抗隆起安全系数比条形基坑大21%；用该方法估算了开挖平面分区尺寸；

2)深基坑方案设计中考虑空间效应，采用内支撑“对撑+边桁架+局部角撑”的支护形式；并对支撑轴力、横撑水平距离及支护结构的稳定性进行了验算；

3)考虑空间效应采用“盆式开挖”的施工原则，做到“平面分区，竖向分层，留土护臂，限时对撑”，控制围护结构变形及周围地表沉降；

4)设计提出的总变形控制量，分解至施工流程和各工况分阶段的定量控制指标中。第5 d、第10 d、第15 d和第20 d围护结构的变形实测值结果表明，与设计预测值相吻合，并在规范允许范围。