深基坑组合支撑系统换撑技术研究

申笑寒， 张顺伟， 孟 江， 朱利明,3， 王海彦,3

(1.中铁十五局集团城市建设工程有限公司，河南 洛阳 471000；2.南京工大桥隧与轨道交通研究院有限公司，江苏 南京 210032；3.南京工业大学交通运输工程学院，江苏 南京 210009)

在大量的城市基础设施的建设中，涌现了很多环境复杂的基坑工程项目。东南沿海地区，特别是沿长江河漫滩地区地层土体具有软土蠕变特性，基坑开挖会导致地表土的非均匀沉降、围护结构变形较大，严重时会引起工程事故等。

Terzaghi和Peck等学者[1]于1948年根据工程经验总结出挖方数量预估方法，并辅以支撑荷载计算方法为基坑工程提供跨越性的科学理论支持。徐洪钟等[2]统计分析了南京长江河漫滩地区48个地铁深基坑案例，得出地铁车站深基坑围护结构变形最大值和周边地表沉降最大值。Kung[3]通过33个基坑工程总结出中等硬化黏土场地下围护墙位移变形量和周边地表沉降曲线的半经验模型预估方法，并提出地表沉降最大值应与围护墙最大变形量近似相等。

对于换撑理论的研究，主要是通过简化模型进行理论公式的推导。刘燕等[4]研究了基坑变形与桩长、基坑深度、支护桩间距的关系，从支护体系协同变形角度出发，推导了排桩变形的表达式。沈兴东等[5-7]结合具体的工程实际，具体阐述了基坑换撑技术和施工步骤。房浩等[8]结合软土地区的实际工程案例，通过有限元模型，对车站变形及内力进行了计算，增加换撑基坑变形量减小了48%。

有限单元法作为一种成熟的数值计算方法，可以用于大体量基坑开挖分析。本文以南京某地铁基坑工程为依托，开展深基坑组合换撑系统换撑技术研究。

1 工程概况

1.1 基坑支护设计方案

南京某地铁基坑工程，基坑长约186.5 m、宽约20.3 m、开挖深度24.35 m，采用明挖法施工。基坑采用∅1.2 m@1.5 m的H型桩，桩长34.9 m，桩间以∅0.6 m单重管旋喷桩止水，基坑共分6次开挖，开挖深度分别为3.65 m、3.5 m、4.7 m、4.9 m、4.0 m、3.6 m，最后一次开挖至坑底后浇筑底板。支护结构材料及尺寸见表1，基坑支护结构见图1。

表1 支护结构类型及尺寸

1.2 工程地质条件

拟建车站场地处于阶地～坳沟地貌单元，场区土层分布主要为素填土、粉质粘土、强风化岩、中风化岩。土层物理性质详细描述见表2，车站底板坐落于中等风化泥岩，场区稳定水位埋深1.10～2.80 m。

2 拆撑换撑方案确定

在底板混凝土浇筑施工完成后，由于底板和最后一道支撑的净间距只有1.9 m，影响机械作业空间，此外第5道支撑距离车站结构中板只有0.55 m无法完成支模，需要拆除最后2道钢支撑，现准备采用以下两种换撑方案。

图1 基坑支护结构

表2 土层物理性质描述

(1)以撑换撑：以底板换第6道支撑，以临时支撑替换第5道钢支撑。具体施工方案：底板浇筑完成并达到强度后，拆除第6道钢支撑；浇筑两侧边墙混凝土，待边墙混凝土达到设计强度后，在深度18.75 m位置增加一道∅609 mm临时撑，拆除第5道钢支撑；浇筑中板混凝土并达到强度后拆除临时支撑。

(2)以索换撑：以底板换第6道支撑，以锚索替换第5道支撑。具体施工方案：底板浇筑完成并达到强度后，在第5道支撑和第6道支撑位置处，向地层内部打设预应力锚索，拆除第6道钢支撑；浇筑两侧边墙混凝土，待边墙混凝土达到设计强度后，再拆除第5道钢支撑。锚索直径为4束∅15.2 mm，长度为15 m，与水平方向夹角为15°，注浆加固段长5 m，见图2所示。

3 计算模型

本文借助Midas GTS软件分析基坑换撑过程中围护结构受力变化，以寻求合适的处理方案，为同类工程建设提供理论指导和经验总结。

图2 以索换撑图示

3.1 模型建立

针对该工程换撑设计，建立三维实体计算模型，长度为330 m，宽度165 m，土层厚度取为70 m，基坑采用围护桩+内支撑支护体系，土体采用四节点/八节点实体混合单元网格，围护桩采用板单元模拟，内支撑采用梁单元，模型底面设置竖向约束，侧面设置水平约束，三维有限元模型见图3。

图3 计算模型

3.2 参数选取

根据地勘报告相关资料，采用修正摩尔-库仑模型，该模型考虑了土体的双硬化准则，对于大体量的基坑开挖较为适用。

由于基坑顶部荷载较小，基坑顶部按无超载考虑。坑外稳定水位按2.5 m深考虑，对节点施加水头荷载。每工况开挖之前，先进行坑内水位降深，采用井点降水方式将地下水降至开挖面以下1 m。

支护结构采用的是围护桩+内支撑体系，围护桩嵌固深度为10.55 m，采用板单元模拟，按弹性材料考虑，水平内支撑采用梁单元模拟，尺寸依据实际取值，具体的支护结构参数见表4。

表3 土体计算参数

表4 支护结构计算参数

4 计算结果与分析

本次模拟结合实际施工工序研究在不同换撑方案下围护结构的变形和受力特征。

4.1 拆撑前后桩体变形

为避免应力集中，尽量采用对称、分区换撑，不同换撑方案下的桩体变形曲线如图4所示。由图4计算结果可知：

图4 不同换撑方案桩体变形

(1)围护结构腹部侧向变形整体呈现“抛物线”型变化特征，围护结构最大侧向位移位置约为0.85H(H为基坑开挖深度)，接近坑底附近。以撑换撑围护结构变形实测值与计算结果较为接近，验证了模型的正确性，表明以撑换撑施工较为合理。

(2)随着施工工况的进行，两种换撑方案围护结构水平位移均呈增大趋势，但以索换撑方案效果较差，变形增大约66%。其变形机理解释如下：由以索换撑方案土体变形云图如图5可知，基坑开挖导致基坑侧向土体塑性变形区增大，而第5、6道锚索位于塑性区范围内，其作用效果甚微。由于第5、6道锚索位于粉质粘土层和强风化泥岩，其工程性质较岩石差，且地下水的存在降低了锚索与土层的端部锚固力和摩擦阻力，锚索所能提供的拉力有限。

图5 以索换撑方案土体变形云图

对于此种换撑方案要想获得比较理想的效果，需要加长锚索以穿越塑性区(见图6)，势必增加工程造价与成本。

图6 以索换撑方案作用机理图示

4.2 拆撑前后桩体内力

换撑施工过程中，土体是一个被卸载的过程，为寻求新的平衡状态，桩体的变形和受力状态会发生变化。两种换撑方案拆撑前后桩体弯矩和剪力的变形曲线如图7和图8所示。由图7和图8计算结果可知：

(1)采用以撑换撑方案，桩体弯矩和剪力会相应增大，但变形曲线较为平顺并未出现突变。

图7 不同换撑方案桩体弯矩

图8 不同换撑方案桩体剪力

(2)采用以索换撑方案，支撑节点处内力状态发生转变，弯矩和剪力出现突变现象。

究其原因为：由于第5、6道锚索并未穿越塑性区，无法约束侧向土压力，侧向荷载作用转移至第4道支撑，因此，在第4道支撑位置处出现弯矩、剪力突增。

4.3 拆撑前后支撑内力

图9给出了以撑换撑和以索换撑两种处理方案不同位置的支撑轴力。

由图9可知，第4道支撑轴力较大，换撑处理前支撑轴力为1 510 kN，采用以撑换撑处理方案，第4道支撑轴力为2 098 kN，支撑轴力增加约38.9%；采用以索换撑处理方案，第4道支撑轴力为3 524 kN，支撑轴力急剧增大，结构受力体系发生转变。

4.4 换撑后稳定性验算

图9 不同换撑方案支撑轴力

基坑支护结构以控制变形为主，其强度基本满足要求，换撑后需要对基坑进行整体稳定性和抗倾覆稳定性验算。

对以撑换撑施工方案进行验算，整体稳定性可采用圆弧滑动条分法分析，整体稳定性应符合下列要求：

(1)

式中：Ks为圆弧滑动稳定安全系数，对于一级基坑，Ks不应小于1.35；cj、φj分别为第j土条滑弧面处土的粘聚力和内摩擦角；Gj、lj分别为第j土条的自重和滑弧长度；θj为圆弧面法线与垂直面的夹角；uj为第j土条滑弧面上的土压力。

取土条宽度为0.4 m，采用理正深基坑软件进行验算，整体稳定性系数Ks=5.23>1.35，整体稳定性满足要求。

对支护结构底部和最后一道支撑点取矩，分别进行抗倾覆稳定性验算，抗倾覆稳定性验算可按下式进行：

(2)

式中：Kov为抗倾覆稳定系数，对于一级基坑，Kov不应小于1.25；∑Mp为被动区抗倾覆作用力矩总和；∑Ma为主动区倾覆作用力矩总和。

考虑不利工况，对支护桩底取矩，抗倾覆稳定性系数Kov=3.8>1.25；对最后一道支撑点取矩，Kov=6.0>1.25，抗倾覆稳定性满足要求。

5 结论

(1)围护结构腹部侧向变形呈现“抛物线”型，最大侧向位移位置约为0.85H，通过模型计算和现场实测数据的对比分析，以撑换撑变形较小。

(2)由于基坑开挖导致土体塑性区扩大，且地层富含地下水，要想获得理想的变形控制效果，以索换撑方案势必会增加成本。采用以索换撑施工方案，支撑节点处内力状态发生转变，导致第4道支撑处出现弯矩和剪力突增现象，第4道支撑轴力急剧增大。

(3)从安全性和经济性考虑，采用以撑换撑方案更为合理，采用此种施工方案，基坑强度、整体稳定性、抗倾覆稳定性可满足要求。