敏感环境长条形深基坑内支撑设计及数值分析

张道欣 蒋录珍 郭建明 安军海

摘 要： 为探究长条形深基坑在敏感环境下采取何种内支撑布置型式可以保证紧邻既有建筑及基坑的安全和稳定，以某基坑工程为背景，利用MIDAS GTS NX 对基坑进行考虑土体-结构相互作用的三维上下协同分析，对比了不同支护下的周边建筑控制指标，并且与监测报警值以及现场监测数据进行了对比。结果表明，对撑+角撑型式内支撑较其他类型更为适用;内支撑布置型式对基底隆起的变化形态有显著影响，但对于基底隆起量的影响较小;角撑型和双圆形环梁型内支撑在使用时应增加薄弱点处的刚度。采用对撑+角撑型内支撑既能保证基坑的安全又能较好地控制紧邻既有建筑的变形，对类似工程的设计、施工和变形控制有一定的参考价值。

关键词： 地下工程;深基坑;内支撑设计;有限元分析;监测分析

中图分类号：TU942 文献标识码： A

doi：10.7535/hbkd.2020yx06009

Design and numerical analysis of internal support for long

strip deep foundation pit in sensitive environment

ZHANG Daoxin1， JIANG Luzhen1， GUO Jianming2， AN Junhai1

（1.School of Civil Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 2.Hebei Jike Engineering Project Management Company Limited， Shijiazhuang， Hebei 050000， China）

Abstract：

In order to explore what kind of internal support layout can ensure the safety and stability of adjacent existing buildings in the sensitive environment of long strip deep foundation pit， taking an actual project as the background，

MIDAS GTS NX was used to analyze the three-dimensional interaction of soil and structure in the foundation pit，and the deformation control indexes of the surrounding buildings and foundation pit under various types of internal support were compared， which were also compared with the monitoring alarm value and field monitoring data. The results show that internal support of the opposite brace and angle brace type is more suitable than other types; the layout of the internal support has a significant effect on the change of the basement uplift， but has little effect on the amount of the uplift; it is suggested to increase the stiffness of the weak point when using the corner brace type support and the double circular ring beam type inner support. The opposite brace and angle brace type internal support can not only ensure the safety of foundation pit， but also better control the deformation of adjacent existing buildings， which has certain reference value for the design， construction and deformation control of similar projects.

Keywords：underground engineering; deep foundation pit; internal support design; finite element analysis; monitoring analysis

隨着施工环境愈加敏感复杂，深基坑设计已由强度控制转向变形控制，并对变形控制指标提出了更严格的要求[1-2]。内支撑支护结构凭借刚度大、变形小、构造明确等优点得到青睐，尤其是在对变形控制异常严格的超深基坑工程中应用广泛[3]。WANG等[4]利用有限元分析软件对内支撑支护结构和双排桩斜撑桩锚联合支护结构进行了对比分析，发现内支撑支护结构对相邻建筑物的沉降变形控制更好。DAI等[5]、YANG[6]、李科增等[7]均研究了地连墙和内支撑相结合的支护方案，发现该支护方式安全性高、适应性强、稳定性好。

内支撑布置方案多种多样。龚晓南等[8]发现不同的内支撑方案会对基坑变形产生不同影响。姜忻良等[9]以天津铜锣湾广场深基坑工程为研究背景，讨论了双环梁支护体系的适用范围以及内力和位移变化规律。侯新宇等[10]依托苏州某地铁换乘站深基坑，研究了3种不同内支撑方案的优缺点。李明[11]、董桂红等[12]考虑到井字形内支撑支护方案出土效率低的缺点，结合实际工程情况，设计了圆环桁架内支撑支护结构。曾萌等[13]通过改变斜撑的布置方式，研究了不同环形支撑平面布置方案对杆件内力及位移的影响。张明聚等[14]结合北京某地铁车站深基坑工程，利用FLAC3D研究了钢支撑预加轴力对基坑稳定性的影响。考虑到钢支撑滞后架设会导致基坑超挖，胡之锋等[15]结合实际工程分析了不同程度以及不同位置处的钢支撑滞后架设对内支撑内力的影响。陈江等[16]通过调整内支撑的竖向间距和平面布置，对杭州市某深基坑进行了系统优化。马将[17]构建了基坑变形预测模型，对采用内支撑支护的某基坑进行高精度预测。因此，对采用内支撑的基坑工程，在设计阶段应对内支撑的选型、受力和变形进行细致分析，防患于未然。

笔者采用有限元分析软件MIDAS GTS NX对河北省某医院深基坑工程进行施工过程全真模拟，分析不同内支撑布置型式的优缺点，根据分析结果对内支撑选型和设计提出相应的建议，为类似工程的设计、施工和变形控制提供参考。

1 工程概况

河北省某医院深基坑工程位于石家庄市，基坑长83.35 m，宽33.95 m，深26.35～28.50 m，为典型的长条形超深基坑，如图1所示。该项目的设计及施工难点在于对紧邻既有建筑的影响控制。基坑周边存在大量建筑且均紧邻基坑边缘，最小距离仅2.60 m。而且，各建筑结构形式不同，受力变形各异，如三号病房楼、医技病房楼和门诊楼为混凝土框架结构建筑，均设有2层地下室，急诊周转楼为钢结构建筑，二号病房楼为老旧砖结构建筑。由于项目位于院区内部，考虑到病人和仪器设备的特殊性，不仅需要保证建筑不出现裂缝等重大安全问题，更需要严格控制建筑的变形量和变形速率。同时，该场地附近有大量的地下管线、综合管廊[18]等设施，在施工时要格外注意这些生命线工程。总的来说，该基坑处于一个非常复杂敏感的施工环境，施工难度非常大，危险性也非常高。

2 有限元模型

2.1 模型建立

利用MIDAS GTS NX建立的考虑土体-结构相互作用的三维上下协同分析模型如图2所示。根据规范[19]要求，模型水平尺寸取3倍基坑开挖深度;结合工程经验，模型竖向尺寸取 1倍桩基深度。考慮到周边建筑以及土层性质的影响，部分计算区域有所放大，最终有限元计算模型的尺寸为280 m×200 m×65 m。

项目拟采用桩锚撑联合支护方案，为选取合适的内支撑布置型式，设计了对撑+角撑型、角撑型、双圆形环梁型及椭圆形环梁型4种型式，各型内支撑如图3所示。

2.2 土体及结构参数选取

土体采用能够考虑土刚度与应力状态相关性的修正摩尔-库伦本构模型，土体物理力学各参数取值如表1所示。根据岩土工程勘察报告，地下水类型属第四系孔隙潜水，地下水稳定水位埋深大于50 m，远大于基坑开挖深度，可不考虑其对基坑及建筑的影响。

内支撑、冠梁、围檩、腰梁、立柱、立柱桩、框架梁、框架柱、构造柱、圈梁采用1D梁单元模拟，锚索采用1D植入式桁架单元模拟，护坡桩等效为地下连续墙并采用2D板单元模拟，楼板、砖墙、地下室侧墙采用2D板单元模拟。上述结构单元均采用弹性本构模型，具体参数取值如表2所示。

2.3 施工过程模拟

为较真实地还原工程施工过程，减小计算误差，严格按照实际施工工况进行模拟，基坑开挖及支护顺序如表3所示。

3 结果分析

3.1 周边建筑变形分析

为确保周边建筑的安全和稳定，对门诊楼等5栋建筑均进行了详细的监测，限于篇幅，本文仅选取具有代表性的部分监测点进行分析，监测点平面布置如图1所示。

各工况下的建筑竖向位移如图4所示。由图4可知，急诊楼和门诊楼在采用不同内支撑型式时的变形差别不大且变形量均较小。原因如下：首先，两栋建筑均处于基坑短边一侧，较长边而言，短边方向受基坑开挖影响较小;其次，如图3所示的4种内支撑型式在基坑东西两侧布置方式类似，刚度差别不大，但是二号病房楼和医技病房楼在不同内支撑型式下的响应表现出较大差异，可以明显发现使用角撑型和双圆形环梁型时的建筑变形过大，不符合规范[20]要求。因此，单就控制建筑变形而言，对撑+角撑型和椭圆形环梁型更为适用。

3.2 护坡桩深层水平位移分析

开挖完成后，护坡桩深层水平位移随深度的变化曲线如图5所示。角撑型内支撑在控制护坡桩变形方面表现较差，在其支护下护坡桩最大水平位移为38.26 mm，远大于监测报警值25 mm。由图5可知，使用双圆形环梁支护时，5～16 m深度范围的桩身变形量均大于报警值的60%，在实际工程中此变形是十分危险的，必须立即进行危险报警。使用对撑+角撑型和椭圆形环梁型内支撑支护下的护坡桩深层水平位移变化趋势基本一致，呈现中间大两端小的弓形分布，且均满足变形控制的要求。

3.3 基底隆起分析

为展示不同内支撑布置型式下的基底隆起情况，将4种支撑下的有限元结果陈列如图6所示。使用对撑+角撑型、角撑型、双圆形环梁型及椭圆形环梁型内支撑时，基底最大隆起量分别为9，9，8.93和8.75 mm，即虽然基底隆起的形态高度依赖于内支撑型式，但其大小与内支撑型式相关性不大。

3.4 方案选取

从内支撑结构受力和传力机理角度而言，角撑型和双圆形环梁型内支撑在垂直于基坑长边方向上的内支撑布置缺失或不足，导致传力途径不畅通，使得角撑型内支撑的长边中点部位和双圆形环梁型内支撑与基坑长边相切的部位为明显的薄弱点，在土压力作用下，该部位容易产生超过规范限值的危险变形。因此，在实际工程中，若条件允许，上述两种内支撑布置型式不宜优先采用。而对撑+角撑型和椭圆形环梁型内支撑在垂直于基坑长边方向上布设了合理的内支撑，使得内支撑体系共同受力以抵抗变形，整体性好，在实际工程中宜优先考虑。

但根据规范[21]要求，基坑支护结构在设计和施工时除应做到安全适用和确保质量外，还需满足经济合理和技术先进的要求。由图3可知，首先，椭圆形环梁需要使用更多的建筑材料用于施作内支撑、立柱及立柱桩等支护结构，这将大幅增加工程造价;其次，椭圆形环梁的构造更加复杂，施工难度更大，不利于工程快速推进。因此，经综合评定，认为对撑+角撑型内支撑更适用于此类敏感环境长条形超深基坑工程，故建议河北省某医院深基坑工程采用该类型内支撑。

4 结 语

依托河北省某医院深基坑工程，利用有限元方法探究了多种内支撑布置型式在敏感环境长条形深基坑的适用性，研究结果表明：

1）相对于角撑型、双圆形环梁型及椭圆形环梁型内支撑，对撑+角撑型内支撑更适用于此类敏感环境长条形超深基坑工程，既能保证基坑的安全又能较好地控制紧邻既有建筑的变形;

2）内支撑布置型式对基底隆起的变形形态有显著影响，但对于基底隆起量的影响较小;

3）考虑到角撑型和双圆形环梁型内支撑在垂直于基坑长边方向上的内支撑布置缺失或不足，存在明显的受力薄弱点，较易发生破坏，若在实际工程中采用上述两种内支撑布置型式，建议增加薄弱点处的刚度。

本文考虑的敏感环境仅为基坑周边的各类复杂建筑，今后可考虑交通荷载、降雨入渗、地下水等因素对内支撑布置型式的影响，提出更加合理的内支撑布置型式及设计建议以用于实际工程。

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