圓環(huán)支撐在蘇州地區(qū)大面積基坑中的應(yīng)用

梅海青 （上海申元巖土工程有限公司，上海 200011）

0 前言

支撐布置形式目前常有的有正交支撐、圓環(huán)支撐或?qū)巍⒔菗谓Y(jié)合邊桁架布置形式[1]，其中圓環(huán)支撐體系具有受力性能合理、土方開挖便捷、經(jīng)濟(jì)效益顯著以及適用性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。蘇州地區(qū)深大基坑多采用角撐、對撐結(jié)合邊桁架形式，圓環(huán)支撐形式應(yīng)用較少。本文以蘇州地區(qū)某實(shí)際工程為背景，介紹了該項(xiàng)目的基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)及實(shí)施情況，特別是圓環(huán)支撐的應(yīng)用情況。

1 工程概況

本工程用地面積31894m2，擬建建筑物由9棟41層住宅樓及1棟3層配套用房組成，整體下設(shè)兩層地下車庫。基坑呈近似平行四邊形，東西長約115m，南北寬約221m。基坑面積約3.1萬m2，圍護(hù)總長度約766m，一般區(qū)挖深9.25～9.55m，主樓區(qū)挖深10.15m。

1.1 周邊環(huán)境

本工程位于蘇州市高新區(qū)，基坑?xùn)|側(cè)為京杭大運(yùn)河，基坑邊距離運(yùn)河駁岸約20m；基坑南側(cè)為規(guī)劃路，路南為待建地塊用地；基坑西側(cè)為運(yùn)河路，道路下埋深有多條市政管線，基坑距離管線最近約14.1m；基坑北側(cè)為金山浜，基坑距離河道邊駁岸最近處3.6m。基坑周邊環(huán)境較為復(fù)雜，尤其是北側(cè)及東側(cè)河道駁岸及西側(cè)市政管線均在基坑開挖3倍范圍內(nèi)，具有一定的環(huán)境保護(hù)要求。基坑周邊環(huán)境平面布置如圖1所示。

圖1 總平面圖

1.2 地質(zhì)概況

本工程場地淺層土層為①2素填土、②粘土、④1粉土、④2粉砂夾粉土層及⑤粉質(zhì)粘土層組成。基坑開挖范圍內(nèi)以上部填土及粘性土為主，開挖面普遍位于④1粉土層中，開挖面以下為較厚的粉土、粉砂層。場地內(nèi)深厚的粉砂土層滲透性強(qiáng)，易出現(xiàn)滲漏及流砂現(xiàn)象，需重點(diǎn)考慮基坑止水設(shè)計(jì)。相關(guān)物料力學(xué)指標(biāo)參數(shù)見表1。其中φ及c值為勘察報(bào)告提供的固結(jié)快剪峰值指標(biāo)。

土層物理力學(xué)指標(biāo) 表1

場地淺部土層分布有潛水，其補(bǔ)給來源為大氣降水及地表水入滲補(bǔ)給，以大氣蒸發(fā)為主要排泄方式，水位埋深一般在1.10～1.15m。第④1、④2層微承壓含水層水頭埋深一般在1.5m左右，層厚約10～12m，本工程基坑開挖面位于微承壓含水層中，基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)需重點(diǎn)考慮承壓水處理措施。

2 基坑設(shè)計(jì)

2.1 基坑圍護(hù)選型

本工程在圍護(hù)設(shè)計(jì)選型時(shí)有幾點(diǎn)需要考慮：①本工程處于市中心，周邊存在市政管線、河道駁岸等保護(hù)對象，變形控制要求高；②基坑規(guī)模大，施工周期較長；③基坑呈近似四邊形，號(hào)樓分布于基坑邊，根據(jù)建設(shè)單位建設(shè)時(shí)序，要求開挖至坑底后部分樓號(hào)可先行向上施工；④淺層地基土為軟弱土層且存在承壓水突涌危險(xiǎn)。因此，如何在保證基坑安全的同時(shí)控制基坑變形，減小基坑施工對周邊環(huán)境的影響同時(shí)考慮號(hào)樓的施工。

通過比較分析，本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用剛度相對較大的鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu)，止水帷幕采用止水效果良好的三軸水泥土攪拌樁，內(nèi)設(shè)一道鋼筋混凝土支撐。

2.2 擋土結(jié)構(gòu)及止水帷幕設(shè)計(jì)

本工程一般區(qū)挖深9.25～9.55m，擋土結(jié)構(gòu)采用Φ850@1050鉆孔灌注樁，樁長18.65～19.45m，灌注樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30（水下）。

本工程場地分布有較厚粉土及砂土層，該土層滲透性強(qiáng)，滲透系數(shù)約4.0E-03cm/s，為保證止水效果，止水帷幕采用Φ850@600三軸水泥土攪拌樁，套接一孔法施工，攪拌樁水泥摻量20%。考慮到基坑開挖處于④1層微承壓含水層中，采取止水?dāng)嚢铇陡魯喑袎汉畬哟胧顾當(dāng)嚢铇稑堕L18.6～20.0m，攪拌樁進(jìn)入⑤粉質(zhì)粘土深度不小于1m。

圍護(hù)剖面如圖2所示。

圖2 普遍區(qū)支護(hù)剖面圖

2.3 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程基坑面積約3.1萬m2，呈平行四邊形，東西長約115m，南北寬約221m。蘇州地區(qū)類似工程多采用角撐、對撐結(jié)合邊桁架的布置形式，本工程如采用常規(guī)支撐體系，一方面支撐桿件較多，會(huì)增加工程造價(jià)，也不利于土方開挖與運(yùn)輸；另一方面無法形成較大的無支撐空間區(qū)，無法滿足建設(shè)單位施工工期要求。經(jīng)對比分析，本工程采用南、北雙圓環(huán)支撐體系，南側(cè)圓環(huán)半徑56.8m，北側(cè)圓環(huán)半徑45.5m，南北圓環(huán)之間設(shè)置一組對撐，增加圓環(huán)支撐的整體剛度同時(shí)可設(shè)置為施工棧橋。

綜合考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算和周邊環(huán)境保護(hù)要求，本工程豎向設(shè)置一道鋼筋混凝土水平支撐，鋼筋混凝土支撐較壓頂圍檁落低2.0m以減小基坑開挖階段圍護(hù)體變形。

圖3 支撐平面布置圖

本工程設(shè)置的圓環(huán)支撐形成無支撐區(qū)域面積達(dá)到50%左右，為土方開挖提供了良好的條件。此外，兩個(gè)圓環(huán)支撐全完避讓了2#、5#及6#結(jié)構(gòu)，基坑開挖至坑底后，3棟號(hào)樓可由下向上順作施工，不受支撐拆除影響。

2.4 基坑土方開挖

本工程基坑面積大、挖深較深，土方量較大。加快土方開挖一方面可縮短工期；另一方面可有效減小基坑施工的時(shí)空效應(yīng)，更好的控制基坑變形。

根據(jù)周邊交通情況，本工程出土方式采用東側(cè)京杭運(yùn)河水運(yùn)結(jié)合西側(cè)運(yùn)河路陸運(yùn)。兩個(gè)圓環(huán)中間的對撐作為施工棧橋，棧橋?qū)挾燃s12.0m，貫穿基坑?xùn)|西向連接連個(gè)出土口。挖土機(jī)械及土方車可直接利于施工棧橋進(jìn)行土方開挖及運(yùn)輸。此外，結(jié)合蘇州地區(qū)土方開挖經(jīng)驗(yàn)，中間棧橋區(qū)設(shè)置了部分下坑土坡道，施工機(jī)械下坑進(jìn)行土方開挖、運(yùn)輸，大大提高了土方開挖效率。本工程通過圓環(huán)支撐形成的大面積無支撐空間也為加速土方開挖創(chuàng)造了有利的條件。

考慮到圓環(huán)支撐受力特點(diǎn)，特別是對于本工程這樣的大面積基坑，土方開挖方式也是決定基坑順利進(jìn)行的關(guān)鍵。圓環(huán)支撐土方開挖要求島式對稱開挖方式，以保證這個(gè)支撐整體受力均勻。本工程采用南北兩個(gè)圓環(huán)支撐，土方開挖除考慮單個(gè)圓環(huán)的對稱開挖外還需同時(shí)考慮南北圓環(huán)的對稱問題。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算分析

3.1 圍護(hù)樁計(jì)算分析

本工程采用啟明星軟件對基坑開挖進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算分析結(jié)果表明基坑開挖階段，圍護(hù)樁體最大位移約21.0m，可滿足規(guī)范要求的變形控制要求，最大位移點(diǎn)出現(xiàn)在開挖面附近。圍護(hù)樁彎矩最大彎矩853kN.m，最大剪力為260kN。具體計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 基坑開挖計(jì)算結(jié)果圖

3.2 支撐平面計(jì)算分析

對支撐體系采用專業(yè)有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，支撐平面計(jì)算結(jié)果表明，支撐最大變形約18mm，最大軸力為9164kN。基坑施工期間實(shí)測軸力表明，各桿件軸力均小于桿件的設(shè)計(jì)承載力。

圖5 支撐變形圖

圖6 支撐軸力計(jì)算圖

4 工程監(jiān)測結(jié)果

本工程面積大，開挖深度較深，屬于深大基坑，周邊環(huán)境保護(hù)要求較高，為充分了解基坑施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形情況以及對周邊環(huán)境的影響，根據(jù)規(guī)范[2]要求，在基坑施工過程中進(jìn)行了大量的信息化監(jiān)測，主要包括周邊駁岸變形觀測、地下市政管線變形監(jiān)測、坑內(nèi)外水位觀測、圍護(hù)體變形以及支撐軸力的監(jiān)測等內(nèi)容。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果：①周邊駁岸累計(jì)沉降較小，累計(jì)沉降最大量為13.5mm；②圍護(hù)結(jié)構(gòu)測斜點(diǎn)最大變形為31.34mm(CX5點(diǎn))；③立柱樁最大累計(jì)隆起量為9.4mm。監(jiān)測結(jié)果表明基坑施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身及周邊保護(hù)對象變形均控制在變形控制以內(nèi)。總的來看，實(shí)測值與計(jì)算結(jié)果基本一致，總的變形規(guī)律與計(jì)算結(jié)構(gòu)相同。

圖7 基坑施工實(shí)景照片

5 小結(jié)

本文以蘇州某工程為背景，介紹了該項(xiàng)目基坑設(shè)計(jì)及實(shí)施情況。結(jié)合場地地質(zhì)情況及項(xiàng)目具體情況，本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用了蘇州地區(qū)較少采用的圓環(huán)支撐形式。基坑工程成功實(shí)施，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為圓環(huán)支撐在蘇州地區(qū)應(yīng)用提供了一定的經(jīng)驗(yàn)。