考慮空間效應的基坑支護優化設計與施工

宋倩云， 徐國興， 王翠英

(1 湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068； 2 湖北楚程巖土工程有限公司， 湖北 武漢 430300)

上海大部分深基坑工程均處于地下30 m以內的流塑及軟塑黏土層中。由于軟黏性土具有較大的流變性，則基坑工程中的支護結構和周圍地層的變形在很大程度上取決于施工工序和施工參數。因此，在基坑設計施工過程中，必須考慮時空效應所帶來的影響并制定相應的解決措施。已有許多學者在基坑的空間尺寸對基坑支護結構、周圍地層的位移及基坑穩定性的影響做了較深入的研究。如方銀鋼[1]在時空效應的影響下采用鋼支撐軸力伺服系統、設置隔離樁等措施對土體分層分塊卸荷，以此控制基坑變形；賈堅[2]利用時空效應法開挖技術，解決復雜地區基坑變形控制問題；高文華等[3]運用三維有限元分析模型對支護結構內力和變形時空效應的影響規律進行探索；史子庸[4]對深基坑內支撐支護結構變形規律與優化設計進行了研究；李成巍等[5]介紹了緊鄰地鐵隧道的復雜環境條件下，兩側超大深基坑同步開挖的總體設計思路，以及針對變形控制目標采取的技術措施；包宸豪[6]基于數值模擬和層次分析法對雙側基坑最優開挖方案進行研究。

目前工程界在軟土地區深基坑工程中，為控制地層位移保護基坑周圍環境，在基坑開挖前用高壓旋噴注漿法，沿坑底2～4.5 m厚的土體，滿膛加固，有的在開挖過程中施加密集的大規模型鋼支撐等處理方法。如照此做法，在上海地區基坑施工時，需加固大量土體，不僅花費高額加固費用，而且還將延長施工周期。筆者以上海某深基坑工程為背景，探究考慮空間效應的優化設計及“盆式挖土與限時對撐”的施工技術，有效地控制基坑變形，降低造價，為類似基坑設計與施工提供參考。

1 基坑開挖的空間尺寸與抗隆起安全系數的關系

深基坑開挖的空間效應是指土體及支護結構的應力場與位移場不但與最終狀態有關，而且與達到最終狀態的路徑、結構尺度等有關，即所謂空間效應。基坑中軟黏土開挖順序、分塊尺寸與基坑的穩定性和墻后地面沉降都有一定的關系。

Eide等曾對長條形、方形和長寬比為2的矩形基坑的抗隆起進行研究，提出了抗隆起安全系數Fs計算公式[7]為：

(1)

式中：Cu為不排水抗剪強度,kPa；γ為土體重度,kN/m3；H、B、L為基坑開挖深度、寬度、長度,m；q為地面超載,kPa；Nc為與尺寸相關的待定參數。

圖1為基坑尺寸長、寬、深與Nc關系曲線。對于H/B=1及B/L→0的條形基坑，圖1中查出Nc=6.4，Fs0=Cu·6.4/γH；對于H/B=1及B/L=1為方形基坑，圖1中查出Nc=7.7，Fs1=Cu·7.7/γH；Fs0、Fs1分別為條形、方形基坑抗隆起安全系數。

由式(1)可知：Fs0/Fs1= 7.7/6.4=1.21，H/B=1的方形基坑(B/L=1)的抗隆起安全系數比H/B=1的條形基坑(B/L→0)大21%。

2 考慮空間效應的基坑設計與施工

根據基坑開挖深度、面積大小和周邊環境條件等因素優化基坑支護結構型式，考慮空間效應，采用盆式開挖，分層分段，留土護壁，限時對撐的基坑挖土方案，從而達到控制基坑變形的目的。

2.1 考慮空間效應的深基坑支護設計

2.1.1 方案設計采用內支撐“對撐+邊桁架+局部角撐”支護形式。

設計考慮的內容如下：

1)根據設計要求，對設計提出的總的變形控制量進行分解，根據施工流程和工況提出分階段的定量控制指標，用以指導分階段的施工作業；

2)信息化施工的具體安排。首先進行基坑系統的分析和先期預控設計，然后施工過程中實施動態監測和過程控制。

2.1.2 支撐軸力的計算采用等值梁法計算支撐軸力。首先計算出各土層的主動土壓力和被動土壓力，然后求出土壓力零點O位置。圖2為等值梁法計算簡圖。

等值梁AO，根據平衡方程計算支撐軸力

(2)

式中：Ea為庫倫主動土壓力,kN/m；h為基坑深度,m；u為坑底至壓力零點的距離,m；a為主動土壓力合力作用點至樁頂的距離,m；h0為支撐點距樁頂的距離,m。

2.1.3 橫撐水平距離的確定設橫撐水平間距為d，根據支護結構平衡條件，則

即

(3)

式中：∑Ea為支護樁墻一側的主動土壓力合力標準值,kN/m；∑Ep為支護樁墻另一側被動土壓力合力標準值,kN/m。

2.1.4 支護結構的穩定性驗算穩定安全系數

(4)

式中：Ni為第i個支撐對支護樁墻的水平作用力,kN/m。

2.2 考慮空間效應的深基坑施工

1)盆式開挖 先開挖基坑中間部分的土，基坑周圍內側留土坡，土坡最后挖出，稱盆式開挖。本基坑基坑開挖面積大、無法放坡；結合基坑的實際分布情況，在考慮周邊環境與實際施工條件之后，首先將基坑分為若干個區域，一一進行數字編號，并嚴格按照分區編號大小順序從小到大依次施工，編號數字相同區域需要同時施工，圖3為盆式開挖施工圖。

圖 3 盆式開挖施工圖

2)分層開挖 本基坑土質較軟弱、開挖深度較大，并且施工條件不適合分塊分段施工混凝土墊層。分層開挖是整體澆灌混凝土墊層的基礎，分層的厚度必須嚴格根據地下土質情況進行穩定性計算之后確定。軟土地基的分層厚度一般控制在2 m以內，而硬質土可以控制在5 m以內。

3)土方開挖與支護的配合 開挖進程和支護結構施工協調，可以形成循環作業，節省工期。所有支護樁、立柱樁、水泥土攪拌樁、降水井必須在基坑開挖前完成。

2.3 環境保護的信息化施工與監測

圖4為基坑信息化施工流程圖。

圖 4 基坑信息化施工流程圖

3 工程實例

3.1 工程概況

上海某工程占地面積21 562 m2，總建筑面積87 650 m2。工程北毗臨宋氏住宅保護建筑，東側緊鄰M15規劃地鐵線，南為主干道，西靠申康賓館保護建筑，同時與擬建12號線對接。

該基坑工程近似于長方形，南北長約120～190 m，東西寬約110 m。地下部分開挖深度23 m，基坑開挖面積約16 572 m2，周邊延長米約600 m，地層情況詳見表1。

表1 地層計算參數

3.2 考慮空間效應的深基坑設計與施工

3.2.1 深基坑支護結構設計方案綜合考慮本次基坑工程情況、周邊環境條件及基坑開挖施工順序，圍護設計采用地下連續墻(兩墻合一)+四道鋼筋砼水平內支撐的圍護形式；內支撐布置采用“對撐+邊桁架+局部角撐”，連續墻邊緣采用圍檁的形式進行加固，支撐平面布置及施工分區圖見圖5。

圖 5 支撐平面布置及施工分區圖

3.2.2 支撐體系該工程地下四層，開挖深度23 m，圍護設計設置四道鋼筋砼支撐，支撐和圍檁參數詳見表2。

表2 內支撐和圍檁參數

此外還有棧橋、支撐立柱、換撐、支撐拆撐(篇幅所限略)。

3.2.3 支撐力計算

1)計算工況 挖土標準工況與地下室施工順序：開挖至-1.55 m時，開槽施工第一道支撐、圍護樁壓頂梁；分層分塊開挖至-6.85 m時，開槽施工第二道圍檁及支撐；待強度達到后，分層分塊開挖至-11.85 m時，開槽施工第三道圍檁及支撐；待達到強度后，分層分塊開挖至-16.05 m時，開槽施工第四道圍檁及支撐；達到強度后，分層開挖至坑底處，并立即澆注墊層、施工底板及換撐帶等。

2)1-1剖面支撐力 本算例選取1-1剖面，采用等值梁法計算支撐軸力。基坑周邊地面荷載取20 kPa，連續墻深度41.8 m。

第一道支撐力N1計算。開挖至-6.85 m，第二道支撐還未施工、強度未達到期間，第一道支撐處于最不利狀態。采用朗肯土壓力理論、水土合算計算土壓力，計算得各土層主動、被動土壓力強度見圖6，等值梁法計算簡圖見圖7。

土壓力零點位置

圖 6 主、被動土壓力分布情況

圖 7 1-1剖面等值梁法計算簡圖

采用逐層開挖支撐力不變法Ea1=70.52 kN/m，b1=4.55 m，Ea2=206.90 kN/m，b2=1.52 m，Ea3=309.63 kN/m，b3=1.02 m。對等值梁AO的O點取矩，由(2)式得

243.2 kN/m

b1、b2、b3分別為土壓力Ea1、Ea2、Ea3合力作用點距開挖面的距離；同理求得：N2=856.3 kN/m，N3=1125.7 kN/m，N4=1160.5 kN/m

橫撐水平距離的確定。

由式(3)得，

穩定性驗算由式(4)得

內支撐結構滿足穩定性要求。

3.3 考慮空間效應的深基坑施工

3.3.1 平面分區本基坑長約120～190 m，寬約110 m，根據基坑施工要求，土方開挖與支撐施工過程中擬將該基坑場地由北至南劃分為A、B、C、D四個施工區(圖5)。N軸線以北為A區，N～J軸線范圍為B區，J～E軸線范圍為C區，E軸線以南為D區。為了提高施工進度，每個施工區域又以5號軸為界劃分為東、西兩個平行施工段Ⅰ、Ⅱ，平面分區具體劃分示意圖見圖4。

3.3.2 豎向分層估算主體基坑最長120 m，寬約110 m，B/L=0.92，H/B=0.21，插入法查圖1得Nc=6.2，最大分塊長、寬分別為55 m、30 m，取Fs為1.2，開挖深度范圍內土層黏聚力Cu厚度加權平均值為18.0 kPa，根據式(1)，分塊每層開挖深度H=4.89 m。

基坑土體開挖共分為五層，每層開挖深度4.6 m(4.6 m<4.89 m)，第一層與第五層開挖一次到底；第二層～第四層，每層再分二小層分層開挖。

3.3.3 留土護壁，盆式開挖盆式開挖中間土體并施工對應的支撐，四周留5 m寬左右的土堤，并且沿開挖面放1:1.5的坡，以減少基坑圍護結構的變形；基坑嚴禁超挖，最后150 mm厚土層采用人工清挖，以控制標高。由于上海地區黏性土的流變性，應用時空效應，隨挖隨撐，盆邊支撐48 h內形成，限時支撐。

3.4 監測結果

設計提出的總的變形控制量，分解至施工流程和各工況分階段的定量控制指標中；圖4基坑場地劃分的A、B、C、D四個施工區分成階段1、階段2、階段3、階段4進行監測，第5 d、第10 d、第15 d和第20 d天圍護結構的監測結果分別見圖8、圖9、圖10和圖11；監測結果表明，圍護結構變形監測值與設計預測值相吻合，均在規范允許范圍。

工程實施情況和監測結果表明，考慮了空間效應內支撐布置形式以及施工方法，可減小、控制深基坑變形，合理地解決了土方開挖及施工過程對周圍建筑物和交通所造成的影響，降低了造價。

圖 8 第5 d基坑圍護結構變形監測值與預測值對比

圖 9 第10 d基坑圍護結構變形監測值與預測值對比

圖10 第15 d基坑圍護結構變形監測值與預測值對比

圖11 第20 d基坑圍護結構變形監測值與預測值對比

4 結論

1)闡述基坑開挖的空間尺寸與抗隆起安全系數的關系，分析得出方形基坑的抗隆起安全系數比條形基坑大21%；用該方法估算了開挖平面分區尺寸；

2)深基坑方案設計中考慮空間效應，采用內支撐“對撐+邊桁架+局部角撐”的支護形式；并對支撐軸力、橫撐水平距離及支護結構的穩定性進行了驗算；

3)考慮空間效應采用“盆式開挖”的施工原則，做到“平面分區，豎向分層，留土護臂，限時對撐”，控制圍護結構變形及周圍地表沉降；

4)設計提出的總變形控制量，分解至施工流程和各工況分階段的定量控制指標中。第5 d、第10 d、第15 d和第20 d圍護結構的變形實測值結果表明，與設計預測值相吻合，并在規范允許范圍。