不规则形状小型深基坑环框梁支护应用

邬君宇，林祖锴，罗永健

(广州市设计院集团有限公司，广州 510620)

1 概述

基坑工程的设计选型通常受地块周边环境的影响很大，若地块用地紧张，周边现有建筑较多，基坑距离建构筑物较近时，基坑水平体系多数采用支撑以满足设计条件并减少对周边的扰动，但基坑面积较小时过多内支撑会带来一系列对工程不利情况。

环框梁支护形式因减少了通常支撑支护体系中的内支撑及临时格构柱的布置，从而得以解决了因开挖空间狭小而带来的施工困难，并有效减少了内支撑支护的造价，故多应用于规则形状(正方形、圆形等)的小型深基坑及盾构井[1-11]。在各城市老城区日益用地紧张的今天，不规则形状小型深基坑工程越来越多，本文以广州地区一个上述典型基坑为例，详细介绍环框梁在不规则形状小型深基坑的应用，直观的展现出其支护优势，并结合基坑开挖后得到的监测数据，证明了该设计方案的合理性，从而为越来越多的类似基坑工程提供参考。

2 项目概况

2.1 周边环境

项目为广州市越秀区某改扩建工程，地块位于居民区。北侧与西侧均紧靠市政道路(道路宽6～8 m)，距离拟建地下室边线仅1～3 m，路对面即为现有建筑；南侧紧邻现有建筑，距离约为4 m；东侧紧邻该项目原有且保留建筑(筏板基础，一层地下室，埋深约为5 m)；四周管线分布密集，存在较多给水管、燃气管等市政压力管线。按照扩建建筑设计图纸，拟建建筑采用筏板基础，其地下室边线距离东侧保留建筑仅3 m距离。该项目场地地形平坦，实测钻孔高程标高约为6.97～8.04 m，与周边标高基本一致(本工程采用广州高程系统，下同)，周边环境如图1所示。

2.2 基坑概况

拟建工程为2层地上展馆，设置2层地下室。基坑面积约为407 m2，周长约为84 m，形状不规则，近似为17 m×24 m的长方形，东南角局部内凹。本工程±0.00标高相当于8.10 m，结合场地现状及周边道路标高，施工前对场地适当平整硬化至标高为8.10 m，考虑垫层及底板厚度0.7 m，地下室底板面标高为-2.00 m，故基坑开挖深度为10.8 m。

3 工程地质与水文地质

项目场地地层分布从上至下依次为：1杂填土、2-1淤泥质土、2-2粉细砂、3-1粉质粘土、4-1全风化泥质粉砂岩、4-2强风化泥质粉砂岩、4-3中风化泥质粉砂岩、4-4微风化泥质粉砂岩。根据勘察报告及钻孔情况淤泥质土及粉细砂仅存在地块的西南角，其余区域土层均为杂填土及粉质粘土。场地地下水埋深为4.75～6.52 m，类型主要为潜水和基岩裂隙水，潜水主要赋存于填土层和冲积层，基岩裂隙水主要存于泥质粉砂岩中，总体上地下富水性一般。基坑支护计算采用岩土层的物理力学指标参数见表1所示。

表1 地层物理力学指标

4 基坑支护设计及分析

4.1 支护等级及竖向支护方式确定

本项目基坑开挖深度较深，存在淤泥质土与砂层软弱土层，周边环境复杂，因而根据相关规范确定基坑支护安全等级为一级，基坑支护结构重要性系数取1.1[12]，基坑环境等级为一级。由于拟建地下室边线距离保留浅基础建筑只有3 m，且紧邻市政路，周边管线复杂，施工用地紧张，综合上述实际条件，本基坑支护竖向采用直径1 m的咬合桩并兼做止水，桩间距0.8 m(本文主要阐述分析该项目水平支护方式，垂直支护方式对比选型在此不详细展开)。

4.2 水平结构比选及计算

根据周边环境，水平支护结构初定为按常规布置的钢筋混凝土内支撑：基坑四角布置角撑，东南角设置角撑板，长边设置一道对撑[13](如图2所示)。此方案提出后施工现场反馈，基坑内部布置过多内支撑后施工难度很大，后续设备进出基坑及施工材料调入调出极为不便；其次，由于施工场地有限，施工单位提出需增设板撑以供现场临时堆载及转运。根据地块情况并结合施工需求，最终确定西南角不规则处设置对撑支护，将基坑分为长方形及近似正方形两个规则形状区域，后利用空间效应采取环框梁进行支护，西南角长方形区域设置支撑板(如图3所示)。此方案中水平体系既大量节省内支撑，方便施工设备及材料的进出，又提供临时堆载空间，而若直接全部采用纯环框梁设计(如图4所示)，则不能满足施工的全部需求，且经试算不满足基坑变形要求(后文详细计算对比)。

本项目基坑支护设计计算采用北京理正深基坑支护结构软件进行计算，包含分区单元计算及整体计算[14]。

如图5、图6所示，为内支撑+环框梁水平布置体系时(见图3)两个典型剖面图及其相应单元计算位移结果。图5剖面进行单元计算时将环框梁的抗弯刚度转化为等效的冠梁刚度，其根据如下公式：

K=3L×EI/a2(L-a)2

(1)

式中：

K——冠梁刚度估算值，MN/m；

a——桩、墙位置，m；

L——冠梁长度，m；

EI——冠梁截面刚度，MN·m2，

I——截面对X轴的惯性矩。

根据单元计算结果可以看出，环框梁区域向坑内变形最大为27.76 mm，对撑区域向坑内变形最大为14.54，对撑限制基坑变形效果优于环框梁，但两种水平布置最大变形均控制在30 mm以内，满足一级基坑变形要求；在单元计算满足基坑相关规范条件的基础上，进一步计算内支撑+环框梁布置的整体变形情况，并且同时计算本文3.2中图4纯环框梁的整体变形情况进行，即对加对撑分为两个近似规则形状后采用环框梁与整体直接采用环框梁支护进行对比，可以得出图7、图8所示的结果。

图7 内支撑+环框梁整体计算示意

图8 纯环框梁整体计算示意

从计算结果可以看出，内支撑+环框梁的整体变形与单元计算结果基本保持一致，深层水平位移最大控制在30 mm以内，而纯环框梁水平支护形式位移偏大超过45 mm，不满足规范中对一级基坑变形要求，故无法直接采用纯环框梁的水平支护方式。

4.3 结果对比分析

从上面对比可以看出：基坑采用纯环框梁时，由于形状不规则，空间效应无法有效利用，基坑长边会有较大变形；而把基坑分为两个近似规则形状后，对撑在局部不规则形状位置处限制了变形，从而使整体的环框梁变形更小，两部分环框梁的三维空间效应更显著，在设计层面证明了上述做法的可行性；本项目根据深化试算结果，环框梁大小取为1.5 m×1.0 m(肥槽为1.0 m)，支护梁不会侵入地下室施工范围，便减少了换撑工况，进而减少可能带来的基坑过大变形及支护结构的应力突变，从而提高了安全性；从施工角度来看，环框梁的应用增大了基坑内部的施工空间，大量减少了内支撑的施工与拆除，并且完全避开了主体结构，为出土、物料转运、施工提供了更多有利条件。

5 实际效果

本项目基坑自开始施工支护桩至回填历时4个月，施工过程中经历了雨季的考验，目前整个项目已竣工验收并投入使用。基坑使用期间分别对冠梁顶(环框梁)水平垂直位移、支护桩深层水平位移按照规范要求频率进行了监测记录。

根据监测数据反馈，基坑内部无渗漏，变形位移、环框梁及支撑受力均较小，始终处于安全状态。基坑环框梁水平位移最大变形量为14.57 mm，与图5单元计算基本一致；深层水平位移最大变形量为26.76 mm，与图7整体计算结果基本一致；实际监测中环框梁及深层水平位移出现最大值位置与图7整体计算出现最大变形位移位置一致，均位于基坑长边东侧中部。上述现象主要由于基坑东侧较大跨度且只采用环框梁水平支护，并紧靠浅基础保留建筑，附加荷载最大，导致开挖后此位置变形位移最大，这也证明了设置一条对撑后采用环框梁支护的必要性。结合对保留建筑及周边管线的沉降与位移监测数据，均小于规范要求变形，说明基坑开挖并未影响到附近建构筑物的使用。从实际应用层面证明了内支撑+环框梁的可行性与安全性。基坑开挖到底后现场如图9所示。

图9 基坑现场示意

6 结语

1) 不规则形状小型深基坑不宜直接采用纯环框梁支护，但可根据实际形状对基坑进行分块处理，采用内支撑等形式近似分割成规则形状后采用环框梁进行支护。

2) 通过设计计算与实际工程应用表明上述基坑支护形式安全可靠，根据实际项目情况类似基坑工程可采用内支撑+环框梁支护形式。

3) 环框梁水平支护体系是三维空间效应在基坑工程中的一个应用，其受力模式相对复杂且不明确，故在实际应用时需考虑如跨度，基坑形状，环框梁大小等多种因素以保证基坑安全。

4) 上述支护形式减少了多数内支撑布置，一方面节约工程造价，并缩短了工期；另一方面，为大型机械提供了较大施工空间，对主体结构影响减到最小，有明显的社会与经济效益。