圓環支撐在蘇州地區大面積基坑中的應用

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、圓環支撐或對撐、角撐結合邊桁架布置形式[1]，其中圓環支撐體系具有受力性能合理、土方開挖便捷、經濟效益顯著以及適用性較強等優點。蘇州地區深大基坑多采用角撐、對撐結合邊桁架形式，圓環支撐形式應用較少。本文以蘇州地區某實際工程為背景，介紹了該項目的基坑圍護設計及實施情況，特別是圓環支撐的應用情況。

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，圍護總長度約766m，一般區挖深9.25～9.55m，主樓區挖深10.15m。

1.1 周邊環境

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

圖1 總平面圖

1.2 地質概況

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粉質粘土層組成。基坑開挖范圍內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。場地內深厚的粉砂土層滲透性強，易出現滲漏及流砂現象，需重點考慮基坑止水設計。相關物料力學指標參數見表1。其中φ及c值為勘察報告提供的固結快剪峰值指標。

土層物理力學指標 表1

場地淺部土層分布有潛水，其補給來源為大氣降水及地表水入滲補給，以大氣蒸發為主要排泄方式，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，基坑圍護設計需重點考慮承壓水處理措施。

2 基坑設計

2.1 基坑圍護選型

本工程在圍護設計選型時有幾點需要考慮：①本工程處于市中心，周邊存在市政管線、河道駁岸等保護對象，變形控制要求高；②基坑規模大，施工周期較長；③基坑呈近似四邊形，號樓分布于基坑邊，根據建設單位建設時序，要求開挖至坑底后部分樓號可先行向上施工；④淺層地基土為軟弱土層且存在承壓水突涌危險。因此，如何在保證基坑安全的同時控制基坑變形，減小基坑施工對周邊環境的影響同時考慮號樓的施工。

通過比較分析，本工程圍護結構采用剛度相對較大的鉆孔灌注樁結構，止水帷幕采用止水效果良好的三軸水泥土攪拌樁，內設一道鋼筋混凝土支撐。

2.2 擋土結構及止水帷幕設計

本工程一般區挖深9.25～9.55m，擋土結構采用Φ850@1050鉆孔灌注樁，樁長18.65～19.45m，灌注樁混凝土強度等級為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，滲透系數約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，采取止水攪拌樁隔斷承壓含水層措施，止水攪拌樁樁長18.6～20.0m，攪拌樁進入⑤粉質粘土深度不小于1m。

圍護剖面如圖2所示。

圖2 普遍區支護剖面圖

2.3 支撐結構設計

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。蘇州地區類似工程多采用角撐、對撐結合邊桁架的布置形式，本工程如采用常規支撐體系，一方面支撐桿件較多，會增加工程造價，也不利于土方開挖與運輸；另一方面無法形成較大的無支撐空間區，無法滿足建設單位施工工期要求。經對比分析，本工程采用南、北雙圓環支撐體系，南側圓環半徑56.8m，北側圓環半徑45.5m，南北圓環之間設置一組對撐，增加圓環支撐的整體剛度同時可設置為施工棧橋。

綜合考慮圍護結構計算和周邊環境保護要求，本工程豎向設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體變形。

圖3 支撐平面布置圖

本工程設置的圓環支撐形成無支撐區域面積達到50%左右，為土方開挖提供了良好的條件。此外，兩個圓環支撐全完避讓了2#、5#及6#結構，基坑開挖至坑底后，3棟號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空效應，更好的控制基坑變形。

根據周邊交通情況，本工程出土方式采用東側京杭運河水運結合西側運河路陸運。兩個圓環中間的對撐作為施工棧橋，棧橋寬度約12.0m，貫穿基坑東西向連接連個出土口。挖土機械及土方車可直接利于施工棧橋進行土方開挖及運輸。此外，結合蘇州地區土方開挖經驗，中間棧橋區設置了部分下坑土坡道，施工機械下坑進行土方開挖、運輸，大大提高了土方開挖效率。本工程通過圓環支撐形成的大面積無支撐空間也為加速土方開挖創造了有利的條件。

考慮到圓環支撐受力特點，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行的關鍵。圓環支撐土方開挖要求島式對稱開挖方式，以保證這個支撐整體受力均勻。本工程采用南北兩個圓環支撐，土方開挖除考慮單個圓環的對稱開挖外還需同時考慮南北圓環的對稱問題。

3 設計計算分析

3.1 圍護樁計算分析

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

圖4 基坑開挖計算結果圖

3.2 支撐平面計算分析

對支撐體系采用專業有限元軟件進行計算，支撐平面計算結果表明，支撐最大變形約18mm，最大軸力為9164kN。基坑施工期間實測軸力表明，各桿件軸力均小于桿件的設計承載力。

圖5 支撐變形圖

圖6 支撐軸力計算圖

4 工程監測結果

本工程面積大，開挖深度較深，屬于深大基坑，周邊環境保護要求較高，為充分了解基坑施工過程中圍護結構受力和變形情況以及對周邊環境的影響，根據規范[2]要求，在基坑施工過程中進行了大量的信息化監測，主要包括周邊駁岸變形觀測、地下市政管線變形監測、坑內外水位觀測、圍護體變形以及支撐軸力的監測等內容。

根據監測結果：①周邊駁岸累計沉降較小，累計沉降最大量為13.5mm；②圍護結構測斜點最大變形為31.34mm(CX5點)；③立柱樁最大累計隆起量為9.4mm。監測結果表明基坑施工過程中圍護結構本身及周邊保護對象變形均控制在變形控制以內。總的來看，實測值與計算結果基本一致，總的變形規律與計算結構相同。

圖7 基坑施工實景照片

5 小結

本文以蘇州某工程為背景，介紹了該項目基坑設計及實施情況。結合場地地質情況及項目具體情況，本工程圍護結構采用了蘇州地區較少采用的圓環支撐形式。基坑工程成功實施，取得了良好的經濟效益和社會效益，為圓環支撐在蘇州地區應用提供了一定的經驗。