钢筋混凝土圆环内支撑在软土深基坑支护工程中的设计探讨

刘家国

（深圳地质建设工程公司，广东 深圳 518023）

1 引言

基坑支护中的预应力锚索结构由于周边环境、工程地质等条件限制，其使用逐渐减少甚至不被允许，而内支撑体系大量被采用。内支撑平面布置可采用角撑、对撑、圆环撑等形式，或根据需要对其进行多种平面组合，而圆环支撑有其独特的优势，得到较为广泛的应用；内支撑主要采用钢筋支撑体系和钢支撑体系[1],而前者更为普遍。

内支撑系统设计计算包括水、土压力作用下的平面内计算和竖向力作用下的平面外计算；也可将围护体、支撑以及立柱作为一个整体进行空间模型分析，因其计算复杂，应用上存在不足，大部分仍采用相对简便的平面计算模型进行分析。

支撑平面内的内力和变形计算是将围檩和支撑杆件从支护体系中脱离出来，形成一个平衡体系，在周边的围檩上添加适当的约束进行求解；对于长度较长的支撑，宜适当考虑温度变化对支撑内力的影响。

支撑体系自重和支撑梁顶面或施工堆载平台的施工活荷载等竖向力作用下，支撑的内力和变形可近似按多跨连续梁进行分析；基坑开挖施工过程中，相邻立柱隆起或沉降有差异时，支撑会产生次应力，应予以考虑并适当加强。

钢筋圆环内支撑的围檩、冠梁与支撑构件等采用整体浇筑，以确保其支撑刚度和可靠性，使连接节点为刚接，支座弯矩可适当折减，跨中弯矩宜相应增加。

土压力计算是一个涉及很多因素的复杂问题，内支撑体系与支护桩、土体共同作用，加之受温度、地下水、施工荷载、差异沉降等因素的影响，内支撑设计计算较为复杂，本文在简化计算的基础上，通过对平面内的分析计算进行设计，平面外的计算进行校核。

2 钢筋圆环内支撑的特点

2.1 圆环结构受力合理

圆环内支撑结构中，水、土压力通过基坑支护结构传递给腰梁与边桁架腹杆、辐射撑等，再集中传至圆环，充分利用材料的受压性能改善对撑、角撑等支护结构中杆件复杂的受力状态；圆环支撑刚度大、稳定性好、变形小，确保基坑及周边建（构）筑物、环境安全的效果好，适用于超大面积以及多种平面形式的基坑[2],特别适用于方形、多边形基坑支护[3，4]。

2.2 便于土方挖运及地下结构施工

圆环支撑结构可在基坑平面上形成较大面积的无支撑区域，尤其当塔楼处于圆环内、在圆环区域布置出土坡道或栈桥后，桩基础和地下室施工十分方便，可以盆式开挖基坑，相较于对撑、角撑支撑梁下出土，形成开阔的工作面，大幅度提高了土方开挖速度。

2.3 经济效益明显

因圆环支撑方便土方和地下结构施工，工效大大提高，尤其在面积较大的基坑支护中，通常具有普通内支撑无法比拟的经济优势，可节约投资、加快总体施工进度，经济效益明显。

2.4 合理安排地下结构施工节奏，可顺利地进行拆换撑

圆环支撑因其依靠圆环结构受力，要求拆换撑时，应确保肥槽的回填对称、均衡，在地下结构施工时，需合理安排施工工序，确保拆换撑的顺利实施。

3 圆环内支撑的平面布置形式

基坑平面近似方形或多边形时，可采用一个圆环支撑；窄长形基坑，可采用两个或多个圆环或与其他支撑进行组合。

4 工程实例

4.1 工程概况

项目位于宝安大道东侧、大洋路与桥和路交会处西北角，场地为滨海潮间带地貌，后经填土后整平。设3 层地下室，基坑北侧东段有1 栋6 层建筑，周边地下管线密布；基坑面积约14 520 m2，深15.15 m，支护安全等级为一级。

4.2 工程地质概况

（1）素填土：松散，稍湿；主要以黏性土混砂堆填，含有少量建筑垃圾及生活垃圾，层厚1.8～5.10 m，平均3.35 m。

（2-1）淤泥质粉质黏土：流塑～软塑状，饱和，含少量有机质和砂粒，层厚0.8～4.5 m，平均2.17 m。

（2-2）粉质黏土：可塑，不均匀，含石英质砂粒，含量约为10%～30%。层厚0.9～10.1 m，平均4.77 m。

（2-3）中砂：饱和，松散～稍密，砂为石英质，含黏性土约25%，层厚0.8～9.4 m，平均5.26 m。

（3）粉质黏土：可塑～硬塑，系混合岩风化残积而成，含少量石英质砂粒，层厚0.5～6.1 m，平均3.57 m。

（4）早震旦系大绀山组混合岩，灰色、灰黑色，变余结构，片麻状构造，岩芯表面可见白色条带，主要成分为黑云母，石英，长石，风化程度不等。

4.3 水文地质条件

场内地下水有上部第四系松散地层孔隙潜水和下部基岩裂隙水，强～中风化混合岩裂隙发育，其富水性及透水性较强，是地下水赋存和运移的较好空间。勘察期间测得混合稳定水位埋深为0.8～1.9 m，地下水位受季节及降雨影响，其变化幅度为1.0～2.0 m。

4.4 基坑支护方案

经多方案比选，基坑西北角和东南角采用咬合桩、其余部位采用旋挖灌注桩+两层钢筋圆环内支撑支护，圆环直径111.2 m。支护咬合桩荤桩和素桩桩径1.2 m，桩间距2.0 m，咬合0.2 m，嵌固深度8.0m，支护平面如图1 所示。钢筋圆环支撑梁强度等级为C30，冠梁1.0 m×1.2 m，腰梁1.0 m×1.0 m，第一层和第二层径向支撑梁、角撑梁及联系梁分别为0.8 m×1.0 m、1.0m×1.0 m，第一层（标高-1.50 m）和第二层圆环撑梁（标高-6.50 m）分别为1.0 m×1.6 m、1.0 m×1.8 m。支护桩为桩径1.2 m，桩间距1.8 m，桩间设置两根双管高压旋喷桩与支护桩共同形成截水帷幕，旋喷桩与支护桩同长，如图1、图2 所示。

图1 基坑支护平面图

图2 基坑支护平面图

场内地下孔隙水主要赋存于第四系地层中，属潜水，受大气降水及地表水补给，水位变化因季节而异，基坑采用咬合桩、支护桩加桩间高压旋喷桩截水；基坑顶和坑底设排水明沟，坑底设集水井，排入相邻市政管网。从经济、土方开挖的便利性考虑，在坑内设超前集水坑，排除坑内土体中的地下水。

4.5 基坑设计计算

内支撑计算基于线弹性体平面杆系有限单元法。独立进行水平面受荷变形分析和竖直面内受荷变形分析，计算中不考虑计算结果的相互影响[5，6]。竖直平面内分析中除特殊截面构件，均自动计算构件的自重荷载。

基坑顶的超载、围护结构外侧水、土压力等通过支护桩传递给内支撑体系来平衡，支护体起到挡土、截水的作用，并将水平力通过竖向抗弯的方式全部传递给内支撑。将第一层、第二层支撑水平荷载（分别为367 kN/m、539 kN/m）施加在冠梁和腰梁上，求得支撑系统的变形和内力。

计算得到支护桩的最大计算弯矩为845.5 kN·m，桩的最大位移发生在支护桩顶以下约5.5 m，为6.7 mm。圆环支撑梁最大变形为7.8 mm，冠梁最大变形发生于基坑北侧中部，为9.3 mm，圆环形梁和支撑均呈压应力状态，满足设计要求。

立柱桩按所承受的最大竖向力进行计算，相关参数为：支撑梁重度25 kN/m3；钢立柱质量为331 kg/m，长度按14.75 m计算。

立柱抗压承载力标准值为：

立柱桩抗压标准值：

立柱桩长12 m，桩径1.2 m，桩侧土体为粉质黏土厚3.7 m、全风化岩厚4.2 m、强风化岩厚4.1 m，侧摩阻力特征值分别为35 kPa、70 kPa、100 kPa，桩的极限端阻力特征值取1 500 kPa。立柱桩承载力特征值为：

抗压满足要求。

4.6 咬合桩施工

咬合桩采用搓管钻机分两序施工，一序桩（素桩）采用超缓凝，缓凝时间控制在初凝60 h，终凝时间70 h，强度等级为C15；二序桩（荤桩）为钢筋桩，在相邻的一序桩终凝之前进行施工，强度等级为C30。

4.7 土方开挖施工

充分利用大直径圆环支撑形式，为快速开挖出土创造有利条件，在圆环支撑内设置纵坡坡率为1∶6、横坡坡率为1∶1.25、宽8 m 的出土坡道，土方车辆直接进出基坑。坑内土方分3 层开挖：第一层土方挖至第一道支撑梁底，第二层土方挖至第二道支撑梁底，第三层土方挖至基坑底，土方开挖前对坑内地下水分层进行降水后，其开挖作业面能够满足挖机挖土及泥头车装运土方，可减少土方在坑内二次倒运，大幅度提高土方挖运施工效率。

4.8 基坑监测

对基坑支护结构、周边建（构）筑物、周边道路及地下管线的沉降位移等进行监测。基坑开挖前，测初始值不少于两次；基坑开挖过程中，每2 d 观测一次，基坑开挖结束至地下室底板浇筑完成后每5 d 观测一次，以后每7 d 观测一次，直至±0.00 为止；雨天加密监测。除支撑轴力和桩身内力的预警值为允许值的65%外，其他各项指标的预警值为允许值的80%。

构件承载能力设计值分别为第一道支撑梁9 000 kN，环撑梁18 000 kN；第二道支撑梁12 000 kN，环撑梁26 000 kN。监测最大支撑轴力第一道支撑梁7 214 kN，环撑梁12 389 kN；第二道支撑梁9 461 kN，环撑梁18 607 kN。

监测表明，因设计计算及现场测试方法、测试元器件等综合影响，实测值与计算值有一定差异；各支撑轴力实测值均在设计预警值以内，圆环内支撑受力状态、规律基本与计算结果相近，

4.9 换撑及拆撑施工

地下室采用单边支模工艺，换撑采用地下室结构梁板方式。支撑梁分区对称采用绳锯切割拆除。

5 结语

软土地层基坑，若周边环境复杂，对变形和沉降较为敏感，控制基坑的整体刚度和变形尤为重要；土方开挖和塔楼工期紧的项目，采用钢筋圆环内支撑，受力合理，整体刚度大，支护结构变形小，保护周边环境效果好；基坑圆环中部可提供大面积的无撑区域，通常可避让塔楼部位，土方挖运十分便捷，可加快主体结构施工进程；结合单边支模工艺，确保了拆换撑工序的有效实施；在软土基坑中的成功实施，说明大直径钢筋圆环内支撑结构是一种安全且较为经济的支护方案。