多圆环支撑结构在软土地区深基坑中的设计研究

章万胜

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津 300074)

0 引 言

为适应城市地下空间利用水平的不断提升，控制周边环境受到的基坑开挖影响，排桩加钢筋混凝土内支撑方式的应用日渐广泛，圆环支撑体系则属于该方式的典型应用，能够实现基坑变形的有效控制、支撑体系安全性的更好保障。为更好开展软土地区深基坑支护，正是本文围绕多圆环支撑结构开展具体研究的原因所在。

1 工程概况

以某建筑工程作为研究对象，工程设有3层地下室，基坑周长、基坑面积分别为820 m、38 500 m2，基坑平面呈不规则状，存在15.4～16.7 m的开挖深度。基坑周边环境复杂，环境保护要求较高，市政管线和建筑物密布，周边存在包括砖混结构建筑、框架结构建筑、机动车道、市政管线、地铁站。围绕工程地质和水文地质条件进行分析可以发现，较厚填土层普遍分布于场地内，主要存在第四系冲洪积相和湖沼相沉积地层，以粉土、黏性土、泥炭质土层为主，地下水属于承压水和孔隙型潜水，场地承压水、潜水稳定水位埋深分别为6.5～7.0 m、0.5～2.0 m，工程场地属于典型的软土地区[1]。

2 基于多圆环支撑结构的深基坑设计

2.1 基坑特点分析

结合工程实际分析基坑特点可以发现，基坑主要三方面特点。第一，基坑形状不规则、开挖深度和面积较大，且存在显著的基坑空间效应；第二，软弱土层会受到基坑开挖直接影响，灵敏度较高的软弱土层受扰动后会出现明显下降的物理力学性质，同时存在显著的基坑时间效应；第三，多层厚层状粉土分布于基坑开挖深度范围内，存在具有承压性的粉土层内赋存地下水，如地下水控制措施无法发挥预期效用，流土和管涌情况将出现，周边环境也会受到负面影响。

2.2 支撑结构设计

为应对形状不规则的基坑，角撑+对撑结合边桁架的传统基坑支护布置方案需要使用大量杆件，这类杆件需要穿越基坑内部，土方开挖、地下室结构施工的顺利开展会受到严重负面影响。基于基坑平面形状和工程实际，工程采用了多圆环支撑结构(三圆环)，无支撑覆盖区域因此得以最大限度形成，土方开挖和主体施工由此获得了有力支持，图1为多圆环支撑结构和监测点平面布置示意图，图2为基坑典型剖面图[2]。

图1 多圆环支撑结构和监测点平面布置示意图

图2 基坑典型剖面图

基于图1杆系布置及检测点进行分析可以发现，工程设置对撑桁架于基坑中部阳角部位，基坑由此被划分为东西两个区域。西区、东区分别布置144.14 m、102.83 m直径的圆环，环梁轴力转换杆件设置于两圆环相交区域，以此分解和传递环梁推力。设置50.0 m直径的独立圆环于基坑南侧角部，采用对撑桁架连接大圆环，应力集中可由此减少。设置角撑于基坑角部，结合圆环径向杆件设置角撑和对撑的连杆，以此保证局部区域受力平衡实现，同时水平力的传递和圆环系统的稳定可获得途径支持。增设钢筋混凝土板(厚200 mm)于东西两环梁相交区域和存在较小环形支撑体系结构刚度的区域，多圆环支撑结构的支撑可靠性和安全性因此进一步提升。工程完全避开建筑的竖向构件进行支撑体系的平面布置，建筑向上施工主体结构可在不拆撑的情况下持续开展，工程工期因此缩短，具体采用C35等级的混凝土杆件。此外，为基于截水帷幕隔断坑外与坑内地下水的水力联系，工程针对性设置了 650@400单轴水泥土搅拌桩2排[3]。

3 基坑监测结果及施工问题处理

3.1 基坑监测结果

基于图1所示的监测点布置(监测点布置图)，工程针对性开展了基坑的环梁轴力监测、土体深层水平位移监测、周边建筑物沉降监测。基于环梁轴力监测可以发现，在浇筑完成第1道支撑梁分区后，土方开挖基于岛式开挖法进行，此时需保证浇筑强度达到设计要求。南侧小圆环投影范围内的出土需在开挖过程中得到保障，并采用东南角和西北角、东北角和西南角对称开挖的方案，最后开挖南北向对撑范围内土方，基于土方开挖顺序控制支撑梁施工顺序。工程共开展25d土方开挖(支撑工作面范围内)，监测点YL1-1～YL1-5存在持续增加的支撑轴力。在开挖第2道支撑梁下方土体后，监测点YL2-1～YL2-5存在持续增加的支撑轴力，YL2-3、YL2-4、YL2-2分别检测到20 500 kN、15 000 kN、14 000 kN的轴力，对应的设计值分别为23 371 kN、17 475 kN、22 535 kN，可见实测结果均处于设计值范围内。开展针对性分析可以确定，存在实测值与计算值相差较大的第1道环梁最大轴力，相较于计算值，监测点YL1-3～YL1-5存在偏大的实测值，第2道圆环支撑轴力的计算值与实测值基本吻合。之所以出现偏差，主要原因是由于盲目赶工，工程未能严格遵循分层、分段、对称的土方开挖原则，不平衡的首道支撑快速加载引发了很多问题。第2道支撑下土方开挖对施工流程进行了针对性优化控制，因此得到在可控范围内增长的支撑内力，基坑工程的安全使用得到了保障。

基于土体深层水平位移监测可以发现，支撑体系刚度较小的基坑东侧和西侧中段属于基坑抗水平变形薄弱区域，坑底附近存在最大土体深层水平位移，这种位移与软弱土层的分布深度关联较为密切，图3为深层土体水平位移示意图。基于图片进行分析可以确定，存在78.5 mm的最大深层土体水平位移值，且位移发展在分区内底板浇筑完成后仍然存在，变形停止出现于完全封闭地下室底板后，封闭分区底板至完全封闭地下室垫层期间存在18.5%的最大土体水平位移增量，基坑的时空效应因扰动高灵敏度软土带来的强度降低而强化；基于周边建筑物沉降监测可以发现，周边建筑存在较大的整体沉降量，但具体值处于20.0 mm的控制值内，分析数据可发现建筑距离基坑边的距离与其竖向位移联系紧密。

图3 深层土体水平位移示意图

3.2 施工问题处理

在软土地区深基坑多圆环支撑结构施工中，工程针对性处理一系列施工问题，主要包括基坑侧壁漏水、土方无序开挖，问题的出现源于追求施工进度和开挖不当及开挖速率过快等，地层本身因素与施工问题的出现也存在密切关联。在工程的基坑开挖过程中，两处涌水量较大的漏水点出现于基坑东南侧和南侧的粉土层中，为针对性处理基坑侧壁漏水问题，施工单位立即停止了漏水点处土方开挖，为规避漏水扩大，针对性开展了沙袋围堰反压控制，并采用双液灌浆处理漏水点桩后侧，漏水点的有效封堵得以实现，快速及时的漏水点处理使得周边环境及建筑物未受到不良影响；在基坑第一道支撑下方土体的开挖过程中，施工单位过于追求施工进度，具体的土方开挖未能严格遵循“对称、分段、分层”原则开展，因此先开挖区域出现了急剧变化的地面竖向位移和深层水平位移，以及远超过设计值的支撑体系内力监测值。基于上述问题，施工单位开展了多次书面交涉，最终工程施工单位对现场土方开挖与支护结构施工进行了统一协调，“对称、分段、分层”原则在后续施工中得以严格落实，同时施工严格遵循了“先换撑后拆撑、限时封闭、先撑后挖”原则，周边环境变形发展及支撑内力控制得以较好实现，施工安全和质量也得到了较好保障，深基坑多圆环支撑结构施工最终得以高质量顺利完成。

4 结束语

综上所述，多圆环支撑结构可较好用于软土地区深基坑工程中。在此基础上，本文涉及的支撑结构设计、基坑监测结果、施工问题处理等内容，则结合实例提供了可行性较高的多圆环支撑结构设计与应用路径。为更好应对软土地区深基坑，多圆环支撑结构的应用还需要关注局部应力集中问题的规避、土方开挖速率和顺序的控制，以此应对软土地区深基坑工程，但由于多圆环支撑结构的成本相对较高，地质条件较好的一般工程不宜采用这类结构。