软土地区浅基坑换撑优选分析

张 会 新

(上海市政工程设计研究总院集团有限公司，上海 200092)

0 引言

日益突出的城市停车问题促使地下车库建设的发展，在城市中心区开挖基坑越来越多，施工条件日益严苛。软土地区较厚的淤泥或淤泥质软土对支护和周边保护对象的位移控制不利[1]，基坑支护成本较高。综合平衡需求和经济成本，基坑开挖深度6.0 m左右的地下1层基坑不断涌现。板式支护体系结合内支撑的支护型式因所需施工场地较小，且变形控制效果好等优点，在周边环境要求严苛的基坑工程中得到广泛的应用。

在进行正式结构施工时，需要拆除支撑并用正式结构转换原支撑的受力体系，来维持原围护结构的功能[2,3]。一般深基坑工程借助主体结构楼板换撑，部分工程设置临时钢支撑作为换撑[4,5]；对于基坑开挖深度6.0 m左右的基坑，一般设置一道内支撑，顶板距离支撑较近，而底板换撑通常因拆撑后悬臂较大产生较大的变形，对周边环境的保护不利。许多工程事故因换撑工况形式选择不合理而引起。本文以宁波东部新城中央商务区(民安路—惊驾路)景观提升工程为依托，对地下1层基坑进行分析，并对不同换撑方式进行优选，对类似工程具有一定的指导或参考意义。

1 概况

1.1 工程概况

本工程位于民安路与江澄北路交叉口，江澄北路道路上分布有雨水、污水、路灯等市政管线，南、北两侧分别邻近宁波市规划局和宁兴财富国际广场。基坑总面积约3 802.8 m2，基坑周长约264 m，大面积基坑开挖深度6.1 m。工程平面图如图1所示。

1.2 工程地质

拟建场区地层分为6个大层和若干亚层；主要涉及①-1层杂填土、①-3层淤泥质黏土、②-2层淤泥、②-3层淤泥质黏土、③层粉砂夹粉质黏土、④层粉质黏土和⑤-1层黏土。工程地质剖面如图2所示，土层物理力学指标如表1所示，抗剪强度指标计算取值根据表格按0.85折减。

表1 土层物理力学指标表

1.3 水文地质

拟建场地地下水类型有浅部土层中潜水，下部③,⑤-1T层中的承压水。潜水赋存于浅部黏性土层和浅部粉性土层中，地下水位埋深为0.4 m～1.8 m之间，高程为1.48 m～2.55 m。承压水赋存于浅部③层中的微沉压水，中部⑤-1T层中的承层压水，③层微承压水稳定水位标高为1.36 m～1.57 m。本工程基坑开挖深度为6.1 m，根据地层情况复核，西侧基坑坑底抗突涌稳定性较差，③层砂土易发生突涌，设置减压井降压。

2 基坑支护措施

2.1 工程特点

本工程基坑开挖深度适中，淤泥或淤泥质软土较厚，地下水位高，周边环境复杂，特别是东侧邻近共同沟，保护要求高。

2.2 基坑支护方案

本工程采用钻孔灌注桩结合一道钢筋混凝土内支撑支护，支撑布置采用边桁架+对撑+角撑的形式，水平间距8 m，圈梁、主撑截面分别为1 000×800，800×800。支撑与顶板净距0.3 m，小于0.7 m[6]，局部结构主梁上翻，与支撑位置冲突。支撑平面布置图如图3所示。

2.3 围护及换撑优选

根据本工程邻近共同沟侧基坑安全等级为一级，变形控制要求0.4%h，即24.4 mm。

1)底板换撑。

考虑施工方便，优先考虑底板换撑。满足位移要求时，采用一般底板换撑，需采用φ1 050@1 250钻孔灌注桩；而如在底板换撑的基础上，设置上翻反力牛腿，以减小悬臂高度，则采用φ900@1 100钻孔灌注桩即可满足位移控制要求。底板换撑示意图如图4所示。

2)斜撑换撑。

斜撑换撑在大面积方形基坑中应用较多，先施工侧墙至顶板位置，预留后浇带；分别在结构外墙和底板上预埋钢板，设置型钢和钢筋混凝土传力带形成换撑。型钢换撑通常采用H型钢或钢管支撑，间距一般3.0 m～6.0 m。斜撑换撑示意图如图5所示。采用斜撑换撑时，围护桩采用φ100@900钻孔灌注桩即可满足位移控制要求。

3)顶板换撑。

顶板换撑可有效减小围护桩悬臂，位移控制最好，采用φ100@900钻孔灌注桩即可满足位移控制要求。

由于顶板与支撑净距较小，局部上翻梁与支撑位置冲突，无法直接采用顶板换撑。考虑到上翻梁为局部区域，可采用上翻梁二次浇筑的方式处理。上翻梁与支撑冲突位置，顶板设置U形箍筋，箍筋伸出顶板不小于0.25 m，避开支撑位置，箍筋按正常设置，浇筑与顶板同厚度梁截面形成换撑，支撑拆除后，与支撑冲突位置采用U形箍筋与预留箍筋焊接，新旧混凝土接触面洗净凿毛后刷混凝土界面剂，粗糙面凹凸差不小于6 mm(见图6)。

4)优选分析。

对不同换撑形式计算，结果如图7所示。一般底板和反力牛腿换撑，拆撑后桩顶位移迅速增大，一般底板换撑最大位移23.4 mm，反力牛腿换撑对位移控制有一定的效果，最大位移22.2 mm；斜撑换撑和顶板换撑在围护桩上部提供支点，有效的控制了桩顶位移，拆撑引起的桩顶位移小于5 mm，最大位移出现在坑底附近，约20.7 mm。

根据对工程施工影响的造价、工期和施工便捷指标的影响，各换撑方案以优、良、中、差分别对应1，0.7，0.4和0.1进行无量纲半定量分析，得到数值越大方案越优，对比如表2所示。

表2 换撑优选分析

结果表明，顶板换撑最优，斜撑换撑最差，一般底板换撑和反力牛腿换撑效果基本接近。因此，本工程采用顶板换撑，局部上翻梁与支撑冲突的位置，采用上翻梁二次施工的方式处理。

典型剖面如图8所示。

3 计算及监测分析

3.1 计算分析

借助有限元软件对邻近共同沟侧剖面进行计算，以得到基坑开挖对共同沟的影响。模型宽度和高度分别为70 m和35 m，模型侧边和底部设置约束。土体和加固体采用土体硬化模型(HSS模型)，桩、结构均采用板单元弹性构件模拟，支撑和换撑采用锚定杆模拟[7,8]，支撑间距为8.0 m，有效长度15.0 m；换撑间距和有效长度均取1 m，刚度参数按结构刚度取值。坑边超载取15 kPa，道路超载取30 kPa。

3.2 计算及实测结果

数值计算结果云图如图9所示，与监测实测数据对比如图10所示。从图9，图10可以得到：

1)基坑开挖至坑底和顶板换撑拆撑时，围护桩的最大位移均出现在坑底位置；数值计算结果与围护桩测斜和土体测斜变形趋势基本吻合。

2)开挖到坑底和顶板换撑拆撑时，数值计算得到最大水平位移分别为23.67 mm和23.77 mm，土体测斜(TC)最大水平位移分别为18.2 mm和21.3 mm，围护桩测斜(CX)最大水平位移分别为15.1 mm和17.6 mm。

3)桩顶水平位移数值计算结果与实测结果基本一致，顶板换撑拆撑时，桩顶位移均略有增大。

4)最大竖向位移为坑底隆起，最大竖向位移20.4 mm，坑外最大沉降为20.1 mm。

5)数值计算得到共同沟的最大水平位移约为18.5 mm，最大沉降约为19.3 mm。实测共同沟位置地表沉降最大为11.5 mm。

4 结论

软土地区地下1层基坑换撑是许多工程设计和施工的痛点，本文结合具体工程案例对常用的换撑形式进行介绍和优选分析，借助有限元软件对确定的支护结构进行分析，计算结果与实测数据进行对比得到如下结论：

1)顶板换撑对软土地区地下1层基坑位移控制效果明显，局部上翻梁与支撑冲突时可采用上翻梁二次施工处理；反力牛腿可在一定程度上节省造价，在无顶板换撑条件时可作为备选。2)计算结果和实测数据趋势基本吻合，围护变形和共同沟变形均在可控范围内，说明采用φ700@900灌注桩+1道钢筋混凝土支撑，采用顶板换撑可有效控制拆撑引起的围护变形。3)本工程已顺利完工，基坑周边建(构)筑物变形控制满足基坑开挖对周边环境的影响要求，可为类似工程提供借鉴和参考。