超大规模深基坑钢筋混凝土圆形内支撑结构设计研究

张海龙

（东风鸿远工程咨询有限公司，湖北 襄阳）

引言

随着城市化进程的加速和基础设施建设的不断推进，超大规模深基坑工程在建筑、桥梁、地铁等领域的应用越来越广泛[1]。在这些工程中，深基坑支撑结构的设计与计算是至关重要的环节。本文将围绕超大规模深基坑钢筋混凝土圆形内支撑结构设计展开研究，主要涉及以下三个方面：内支撑结构设计结构型式选型、深基坑支撑数据计算和支护结构设计要点。

在深基坑支撑数据计算方面，首先，需要对工程地质进行详细勘察，了解土层分布、力学性质和地下水情况等。结合基坑工程的规模和特点，通过科学计算确定支护桩以及内支撑数据、水平位移等关键参数[2]。在支护结构设计方面，需要遵循一定的基本原则和设计步骤。进行基坑壁稳定性分析，确保在施工过程中的安全。其次，要根据工程需要选择合适的支护结构类型[3]。钢筋混凝土圆形内支撑计算是深基坑支撑结构设计的核心环节之一。在设计前，需要充分的收据周边环境资料、工程地质资料、水文地质资料及本地的建筑经验。

超大规模深基坑钢筋混凝土圆形内支撑结构设计的研究内容和意义重大。科学的支撑结构设计有助于确保深基坑施工中的安全与稳定，降低工程风险[4]。合理利用资源，提高支护结构的承载能力和使用寿命，有助于降低工程成本和提高经济效益。此外，本文研究深基坑钢筋混凝土圆形内支撑结构设计有助于推动相关领域的技术创新与发展。

1 超大规模深基坑钢筋混凝土圆形内支撑结构设计

1.1 工程概况及周边环境

某工程拟建建筑物地下4 层，地上4 层，地下4层为机械停车场，地上4 层为商业。本工程占地面积约3 483 m2，场区地面整平标高为68.00 m。地下室周长约为200 m，长约为66 m，宽约为51 m，形状近似正方形，基坑开挖深度H 约为15.6 m。基坑周边环境：北侧、东侧距离现有道路约为5 m，道路下分布有雨污水管线，直径600 mm，埋深3 m；南侧距离现有5F 砖混建筑物约为8 m，建筑物采用条形基础，埋深1.5 m。西侧距离现有2F 砖混建筑物约为7 m，建筑物采用条形基础，埋深1.5 m。

1.2 工程地质条件及水文地质条件

拟建场地地貌单元属汉江Ⅰ级阶地，钻探深度范围内主要地层从上至下依次为杂填土和第四系全新统粉质黏土、粉土、粉砂、圆砾、中砂、粉质黏土和卵石，下卧基岩中风化泥岩，基岩埋深大于50 m。水文地质条件：场区勘探孔揭露深度范围内地下水类型为上层滞水及承压水。①层杂填土层赋存有上层滞水，水量较小。④层粉砂、⑤层圆砾和⑥层卵石赋存承压水，与汉江水力联系密切，并互相补给，水位随季节变化而变化。勘察期间测得地下水承压水水位埋深4.62～5.75 m，标高为63.05～63.25 m，水量丰富，基坑降水深度达13 m。

1.3 支护结构设计要点

超大规模深基坑设计的另一重要组成部分为支护设计，旨在确保坑壁结构的稳定性，维护工程安全等，同时不影响周边建筑和道路管线正常使用。支护结构选型时需要考虑以下因素：①支护结构对周边环境的影响；②工程地质条件和水文地质条件；③施工对周边环境的影响；④造价经济合理。

本基坑工程周边环境复杂，可使用空间有限，有建筑物和管线分布，地下水位较高，水量丰富，不宜采用桩锚体系。本基坑降水深度较大，容易引起周边建筑物和道路、管线的沉降、开裂，为减少基坑内降水对周边环境的影响，支护结构采用C35 地下连续墙（咬合桩）支护，兼具止水帷幕。综合分析，本项目支护结构采用C35 地下连续墙（咬合桩）+二道C35 钢筋砼内支撑，内支撑分别设置于现地面下-5 m、-10 m 位置。基坑内采用管井降水，地下连续墙外围设置回灌井、观测井，见图1。

图1 支护结构示意图

1.4 钢筋混凝土内支撑架设

本基坑长约为66 m，宽约为51 m，形状近似正方形。内支撑平面布置可以采用水平对撑、角撑，但支撑结构穿越主体结构，对主体结构的施工影响较大。场地狭小，空间有限，内支撑结构也影响土方开挖及车辆运输。且采用水平对撑、角撑造价较高。本基坑采用二道圆形混凝土支撑，可以最大限度地发挥混凝土结构的受压能力，同时形成中部开阔的空间。相比于水平对撑、角撑，无支撑面积最大，便于土方开挖和主体结构施工，减少工期，见图2。

图2 内支撑平面布置示意图

第一道钢筋砼支撑位于-5 m，圆环支撑直径46 m。第二道与第一道支撑中心距离为5 m。内支撑混凝土等级为C35，支撑截面尺寸见表1。

表1 支撑截面尺寸一览表 单位：mm

在进行支撑架设时，按照以下工艺流程进行操作：测量定位→土方开挖至支撑底面→围檩施工→立柱施工→支撑施工→达到设计强度后→土方开挖。进行下一层支撑施工。

2 圆形内支撑计算

2.1 水土压力

作用在支护结构上的土压力可根据支护结构侧向变形控制要求分别按静止、主动、被动土压力进行计算。对岩土工程和周边环境条件复杂或重要的基坑工程，宜采用土与结构共同作用的方法和合理的数值计算方法计算土压力。

①静止土压力标准值可采用以下公式（1）进行计算：

式中：eoz——计算点处静止土压力标准值（kPa）；γi、hi——计算深度以上第i 层土层的天然重度和厚度；qz——主动侧深度z 处由于超载引起的竖向土压力标准值（kPa）；k0——计算点处静止土压力系数。

静止土压力系数宜采用室内k0试验或现场原位试验确定。有成熟工程经验时可按当地经验确定。

②主动、被动土压力标准值可采用朗肯理论公式计算。地下水位以上应采用总应力法；地下水位以下的土、水压力可采用总应力和有效应力两种方法计算。对黏性土和粉土宜采用总应力法；对粉、细砂宜采用有效应力法， 有经验时也可采用总应力法；对中、粗砂及卵砾层应采用有效应力法。

③水土压力合算时可采用公式（2）、（3）进行计算；水土压力分算时可采用下公式（4）、（5）进行计算：

式中：eaz、epz——深度z 处的主、被动土压力强度标准值（kPa），eaz＜0 时取eaz=0；qz——主动侧深度z 处由于超载引起的竖向土压力标准值（kPa）；paz、ppz——主、被动侧深度z 处的由上覆土层自重引起的竖向土压力标准值（kPa）；pwaz、pwpz——主、被动侧深度z 处的孔隙水压力（kPa）；z——计算点的深度（m），主动侧自坑顶起算，被动侧自坑底起算；n——主动侧或被动侧计算点以上的土层数；γi、hi——计算深度以上第i层土层的天然重度和厚度；ka——主动土压力系数，ka= tan2（45°-φk/2），土水分算时应采用有效应力参数φ'k计算；kp——被动土压力系数，＝ tan （45 ＋φ/2），土水分算时应采用有效应力参数φ'k计算；ck、c'k——计算深度处土的总应力、有效应力黏聚力标准值（kPa）；φk、φ'k——计算深度处土的总应力、有效应力内摩擦角标准值（度）。

2.2 内支撑计算的原则

内支撑支护结构宜采用符合桩（墙）与撑协同工作原则的方法计算，也可按“弹性抗力法”计算。对于特别重要的基坑工程可采用空间有限元方法计算校核。按“弹性抗力法”计算时，应注意以下问题：①支护桩支护结构的内力和变形。②内支撑结构（包括冠梁和围檩）作为平面钢架采用有限元计算时，应合理设置附加约束。③支护桩与内支撑分别计算时，内支撑结构的位移应与支护桩的位移相协调。二者相差过大时，应调整支撑刚度系数的取值，重新进行支护桩计算，并利用所得到的支护桩对内支撑的作用力的新值重新对内支撑进行计算。④应计算拆除下层支撑后上层支撑力的变化[5]。

3 计算结果

内支撑支护结构就其本质而言是排桩－内支撑空间结构问题，应该用空间有限元计算[6]。但空间计算十分复杂，难以在设计中实施。“弹性抗力法”的思想是将支护结构与内支撑分离考虑。第一步，先将内支撑作为支护桩的弹性支座，对支护桩进行计算，得到桩的位移、内力和弹性支座的支承力；第二步，将上述弹性支座的支承力反向，作为内支撑所受的荷载，将内支撑（含冠梁或围檩）作为平面刚架进行计算，得到内支撑的位移和内力。为验证本文提出的方法的有效性，通过天汉软件计算支护桩和内支撑的轴力、剪力、弯矩和位移，并用理正软件进行验证。

3.1 支护桩计算结果

通过天汉软件对基坑周边周边四个剖面进行计算，支护桩最大弯矩约为900 kN*m，最大剪力约为500 kN，发生在基坑深度2/3 位置处。位移约为22～29 mm，发生在桩顶处。理正软件通过空间有限元法进行验证计算，基坑最大位移约为31 mm，弯矩、剪力与天汉软件计算结果基本相近。

3.2 内支撑计算结果

支撑体系采用杆件平面法，见表2 和表3。

表2 圆环支撑设计值计算结果

表3 辐射撑设计值计算结果

通过计算结果分析得知：①支护桩变形位移与支撑变形位移基本一致，都为20～30 mm 左右，说明支护桩与支撑协同一致工作，计算结果比较准确，支撑刚度取值比较合理。②第一道支撑受到的内力值小于第二道内力。第一道支撑设置于1/3H 处，第二道支撑设置于2/3H 处，计算结果也与支护桩的受力变形基本一致。③圆形支撑可以充分发挥混凝土结构的受压性。④本设计计算理论的科学性、先进性。

结束语

本文系统地研究了超大规模深基坑钢筋混凝土圆形内支撑结构设计的关键环节，主要涉及支护结构设计要点、深基坑支撑数据计算和钢筋混凝土内支撑架设三个方面。通过不断深入研究和探索，这将有助于推动深基坑工程技术的发展和创新，提高我国在基础设施建设领域的国际竞争力，并为我国的城市化建设和经济发展做出更大的贡献。