新?lián)克l工程空間分析法深基坑支護設(shè)計

黃顯（廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計研究院廣東廣州510640）

新?lián)克l工程空間分析法深基坑支護設(shè)計

黃顯
（廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計研究院廣東廣州510640）

本文通過分析新?lián)克l工程概況以及工程地質(zhì)條件，對基坑支護方案進行了比選和設(shè)計。對設(shè)計方案進行了計算分析，本次計算采用空間整體協(xié)同有限元計算方法，考慮了支護結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)及土空間整體協(xié)同作用，以期為類似案例提供借鑒。

水利工程；空間分析；深基坑；設(shè)計

1　工程概況

新?lián)克l工程位于廣州市黃埔區(qū)長洲島中部，東西兩端河口各設(shè)一座水閘，將原來潮漲潮落的自然狀況變?yōu)榭烧{(diào)控的人工湖，在保障水安全的同時，也提升了水環(huán)境、水景觀［1］。新?lián)繓|閘共7孔，總凈寬90.0m，閘門型式為底軸驅(qū)動下臥式鋼閘門。東閘基坑深度4.30m～12.10m，最深位于廊道處。廊道設(shè)置于底板下，用于管線布置和檢修通道，廊道貫穿河道，一直延伸到堤岸，岸邊設(shè)置吊裝孔、啟閉房連接廊道。廊道處基坑場地開闊，無近距離房屋，周邊多果樹及魚塘，綜合考慮到基坑深度以及破壞后果的重要性，基坑等級定為一級基坑。

2　場區(qū)地質(zhì)條件

工程區(qū)位于珠江三角洲平原，地勢平坦，汊河眾多，地面高程一般為0.50m～3.50m，河道為-3.80m～-0.15m。在勘探深度范圍內(nèi)，地基巖土層從上而下分別為：

①人工填土：稍濕，結(jié)構(gòu)松散，由粉質(zhì)粘土、中粗砂組成，局部夾碎石、草根，欠壓實，層厚1.90m～6.10m。

②-1淤泥質(zhì)土：流塑，具滑膩感，含有機質(zhì)。該層普遍分布，層厚2.15m～7.30m。

②-2粉砂：松散～中密，飽和，層厚2.25m～13.30m。

②-3淤泥質(zhì)粉砂：松散～稍密，飽和，含有機質(zhì)及少量貝殼，淤泥質(zhì)膠結(jié)，局部夾中粗砂薄層。該層普遍分布，層厚2.80m～13.20m。

②-4粗礫砂：稍密～密實，該層局部分布，層厚0.90m～2.80m。

③殘積土：可塑～硬塑，呈粉質(zhì)粘土狀。該層普遍分布，層厚0.90m～5.60m。

④全風化混合巖：原巖結(jié)構(gòu)基本已被破壞，巖芯呈堅硬土柱狀。該層部分分布，層厚1.05m～6.35m。

⑤強風化混合巖：風化強烈，原巖結(jié)構(gòu)大部分已被破壞，巖芯呈半巖半土狀。該層普遍分布，層頂標高-20.57m～-13.11m。

⑥弱風化混合巖：風化裂隙較發(fā)育，敲擊聲啞，易折斷，巖質(zhì)較軟，巖芯呈短柱狀。

根據(jù)附近鉆孔資料，廊道處基坑各巖土層的層厚及物理力學指標計算參數(shù)見表1。

表1　各土層物理力學指標及計算參數(shù)

3　支護方案選擇與設(shè)計

3.1支護方案比選

由于基坑深度達到12.1m，傳統(tǒng)的懸臂灌注樁支護結(jié)構(gòu)顯然是不能滿足要求的。本次主要對樁錨結(jié)構(gòu)以及內(nèi)支撐排樁結(jié)構(gòu)進行分析。

（1）從技術(shù)上，兩種方案均是成熟可行的支護結(jié)構(gòu)，對本工程適用性也較強。

（2）從經(jīng)濟上，由于工程區(qū)域淤泥質(zhì)土層較厚，錨索需要足夠長才能伸入到較好的地層，從而提供足夠的錨固力，不經(jīng)濟；而內(nèi)支撐排樁結(jié)構(gòu)可以采用型鋼作為腰梁及內(nèi)支撐梁，基坑施工完畢后可以回收利用，具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。

（3）從工期上，錨索工序復(fù)雜，而采用型鋼腰梁及支撐梁，則施工相對簡單許多，工期大大減少。

綜上所述，本次基坑支護采用內(nèi)支撐排樁結(jié)構(gòu)。

3.2支護方案設(shè)計

支擋結(jié)構(gòu)采用Φ1200鋼筋混凝土灌注樁，間隔1400沿廊道結(jié)構(gòu)外邊線外布置，預(yù)留1.0m～2.5m的施工空間。樁長21.00m，嵌固段長10.40m，樁端進入風化巖層不小于2.40m。樁頂標高1.50m，樁頂設(shè)1.00m寬平臺，1:2放坡至地面3.00高程。

采用兩道內(nèi)支撐，冠梁層均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，冠梁尺寸為1400mm× 1000mm，內(nèi)支撐梁為800mm×1000mm；腰梁層均采用型鋼結(jié)構(gòu)，腰梁采用兩道H型鋼HM:450mm×300mm×11mm×18mm形成組合梁，內(nèi)支撐梁采用Φ610×16鋼管，腰梁層在主體結(jié)構(gòu)完成、基坑填土壓實后，可拆除回收利用。

基坑平面布置及剖面圖1所示。

3.3止水方案設(shè)計

由于廊道延伸到河岸堤防，原堤防大多為拋石基礎(chǔ)，水泥攪拌樁難以施工，因此采用雙管旋噴樁作為止水，樁徑600mm，旋噴樁樁底穿越砂層，進入強風化層不小于1.0m。旋噴樁間隔1400布置于灌注樁之間，局部拐角位置加密噴射，以保證止水效果。由于場地地下水豐富，為確保成樁質(zhì)量，在水泥漿液中摻入一定量的速凝劑，摻量根據(jù)試樁成果確定。

圖1　基坑支護平面及剖面圖

4　支護設(shè)計計算

4.1計算原理及模型

由于規(guī)范有關(guān)支擋式結(jié)構(gòu)的計算分析是針對平面結(jié)構(gòu)的，都是簡化為用平面桿系結(jié)構(gòu)，采用彈性支點法進行分析。對于按平面結(jié)構(gòu)簡化難以反映實際結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)的情況，規(guī)范建議按照空間結(jié)構(gòu)模型分析［3］。由于本工程基坑在平面縱橫兩個方向上尺寸都較大，如按照線型的排樁支擋結(jié)構(gòu)來考慮，這樣的簡化計算顯然是不合適的。本次計算采用空間整體協(xié)同有限元計算方法，考慮了支護結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)及土空間整體協(xié)同作用。有限元基本方程［2］如下：

式中：［K］——總體剛度矩陣；｛δ｝——位移矩陣；｛F｝——荷載矩陣。

根據(jù)支護設(shè)計布置的排樁與內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，建立三維空間計算模型，如圖2所示。

圖2　基坑支護三維模型圖

圖3　控制工況下支護結(jié)構(gòu)位移與內(nèi)力圖

4.2計算結(jié)果

采用理正整體法協(xié)同計算，可以得到開挖至-4.50m高程、開挖至坑底時以及拆撐等工況下的樁身位移、樁身彎矩、冠梁腰梁彎矩以及內(nèi)支撐梁軸力。選取控制工況下（開挖至坑底）的計算結(jié)果如圖3所示。

從計算結(jié)果可以看出，控制工況下，樁身最大位移24.62mm，最大彎矩1791kN·m，內(nèi)支撐梁最大軸力3869kN。冠梁及腰梁彎矩大部分都小于800kN·m，只有陽角處的冠梁彎矩最大達到4064kN·m，這主要是因為該位置的變形較大引起的。實際工況下，該處靠近水閘邊墩，閘室底板為臺階狀，該處基坑深度較廊道處淺1.85m～4.0m，另外水閘邊墩下有灌注樁基礎(chǔ)及高壓旋噴樁搭接而成的止水帷幕，對于被動區(qū)的土體有很好的加固作用，因此該計算結(jié)果偏大，后文也將通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化來處理。

為了比較，整體計算的同時按照規(guī)范［3～4］平面簡化結(jié)構(gòu)計算，單元計算結(jié)果表明，控制工況下，樁身最大位移25.18mm，最大彎矩2200kN·m。對比發(fā)現(xiàn)，由于未考慮支護構(gòu)件的整體協(xié)同作用，單元計算結(jié)果明顯偏于保守。4.3配筋計算

圖4　基坑監(jiān)測布置圖

根據(jù)上述內(nèi)力計算的結(jié)果進行結(jié)構(gòu)配筋。由于計算出來每根樁的彎矩均不一樣，分別對每根樁進行配筋是不合理的，而且會大大增加施工的復(fù)雜程度，設(shè)計時，需對其進行歸并處理。根據(jù)計算結(jié)果，主要歸并為兩個區(qū)，配筋較大的樁只有少數(shù)幾根，集中在陽角區(qū)域附近，由于該區(qū)域計算結(jié)果偏于保守，而且較其他樁配筋差別不大，為便于施工，所有樁主筋均統(tǒng)一采用28C22，螺旋筋均采用B12@150。冠梁、支撐梁配筋及腰梁型鋼選型本處省略。

4.4支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過冠梁及腰梁彎矩圖可看出，由于陽角的存在，冠梁局部彎矩大大超過結(jié)構(gòu)要求，明顯不合理。為了限制該處的變形，加強構(gòu)件的整體性，在該處設(shè)置300mm厚的鋼筋混凝土角板連接冠梁。

5　基坑施工順序

由于基坑深度大，應(yīng)制定嚴格的施工工序，以確保基坑安全，本次基坑施工步驟如下：

1）開挖地面至1.50m高程，修整打樁平臺，進行沖孔灌注樁及樁間旋噴樁止水施工；

2）破除樁頭，施工冠梁和內(nèi)支撐梁；

3）待灌注樁、冠梁以及內(nèi)支撐梁達到設(shè)計強度后，繼續(xù)開挖土體至腰梁層以下0.5m，施工腰梁及內(nèi)支撐梁；

4）繼續(xù)開挖土體至坑底，及時施工結(jié)構(gòu)主體。廊道段可一次性施工完畢，吊裝孔及液壓啟閉室側(cè)壁施工到腰梁層標高下0.5m處時，在混凝土結(jié)構(gòu)達到設(shè)計強度的80%后，利用砂土填充側(cè)壁與支護結(jié)構(gòu)之間的空隙，并分層壓實，同時澆注一層厚500mmC30素砼換撐板，達到強度后拆除腰梁及內(nèi)支撐梁；

5）繼續(xù)施工吊裝孔及液壓啟閉室，在側(cè)壁施工到冠梁層標高下0.5m處時，同第5步要求施工素砼換撐板，并拆除結(jié)構(gòu)附近的內(nèi)支撐梁。

6　基坑變形監(jiān)測

根據(jù)規(guī)范［5］要求，本次基坑變形監(jiān)測共布置9個水平位移和沉降觀測點、5個測斜孔、4個地下水位監(jiān)測孔和5個地表沉降監(jiān)測點，布置圖如圖4。在基坑開挖深度≤10m期間1天～2天測1次，開挖至坑底期間1天測2次，保持此頻率直至廊道澆筑后7天，此后保持1天～3天測1次直至基坑回填。觀測結(jié)果顯示，樁頂最大位移為21mm，基坑外地表無明顯裂縫，地下水位穩(wěn)定，表明圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

7　結(jié)語

空間整體協(xié)同有限元方法是基坑設(shè)計中的先進方法，也是發(fā)展方向之一。對于深基坑設(shè)計中按平面結(jié)構(gòu)簡化難以反映實際結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)的情況，宜采用空間結(jié)構(gòu)模型分析，加以傳統(tǒng)方法比較，并結(jié)合工程實際，綜合考慮，來優(yōu)化基坑的設(shè)計。本文針對某軟土地區(qū)水閘工程中的深基坑實例，應(yīng)用整體法協(xié)同計算，并用規(guī)范方法計算比較，再結(jié)合實際工況對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，通過基坑監(jiān)測結(jié)果和實際施工效果，最終驗證了設(shè)計方案的合理性。陜西水利

［1］廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計研究院.廣州市黃埔區(qū)長洲島新?lián)克l工程初步設(shè)計報告［R］.2012.

［2］陳曉平，閆軍.深基坑支護結(jié)構(gòu)的三維桿系有限元分析［J］.巖土力學，2001，22（3）：258-261.

［3］《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）［S］.

［4］《廣州市標準廣州地區(qū)建筑基坑支護技術(shù)規(guī)定》（GJB02-98）［S］.

［5］《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB 50497-2009）［S］.

（責任編輯：暢妮）

TU753.7

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