深基坑組合支撐系統換撐技術研究

申笑寒， 張順偉， 孟 江， 朱利明,3， 王海彥,3

(1.中鐵十五局集團城市建設工程有限公司，河南 洛陽 471000；2.南京工大橋隧與軌道交通研究院有限公司，江蘇 南京 210032；3.南京工業大學交通運輸工程學院，江蘇 南京 210009)

在大量的城市基礎設施的建設中，涌現了很多環境復雜的基坑工程項目。東南沿海地區，特別是沿長江河漫灘地區地層土體具有軟土蠕變特性，基坑開挖會導致地表土的非均勻沉降、圍護結構變形較大，嚴重時會引起工程事故等。

Terzaghi和Peck等學者[1]于1948年根據工程經驗總結出挖方數量預估方法，并輔以支撐荷載計算方法為基坑工程提供跨越性的科學理論支持。徐洪鐘等[2]統計分析了南京長江河漫灘地區48個地鐵深基坑案例，得出地鐵車站深基坑圍護結構變形最大值和周邊地表沉降最大值。Kung[3]通過33個基坑工程總結出中等硬化黏土場地下圍護墻位移變形量和周邊地表沉降曲線的半經驗模型預估方法，并提出地表沉降最大值應與圍護墻最大變形量近似相等。

對于換撐理論的研究，主要是通過簡化模型進行理論公式的推導。劉燕等[4]研究了基坑變形與樁長、基坑深度、支護樁間距的關系，從支護體系協同變形角度出發，推導了排樁變形的表達式。沈興東等[5-7]結合具體的工程實際，具體闡述了基坑換撐技術和施工步驟。房浩等[8]結合軟土地區的實際工程案例，通過有限元模型，對車站變形及內力進行了計算，增加換撐基坑變形量減小了48%。

有限單元法作為一種成熟的數值計算方法，可以用于大體量基坑開挖分析。本文以南京某地鐵基坑工程為依托，開展深基坑組合換撐系統換撐技術研究。

1 工程概況

1.1 基坑支護設計方案

南京某地鐵基坑工程，基坑長約186.5 m、寬約20.3 m、開挖深度24.35 m，采用明挖法施工。基坑采用?1.2 m@1.5 m的H型樁，樁長34.9 m，樁間以?0.6 m單重管旋噴樁止水，基坑共分6次開挖，開挖深度分別為3.65 m、3.5 m、4.7 m、4.9 m、4.0 m、3.6 m，最后一次開挖至坑底后澆筑底板。支護結構材料及尺寸見表1，基坑支護結構見圖1。

表1 支護結構類型及尺寸

1.2 工程地質條件

擬建車站場地處于階地～坳溝地貌單元，場區土層分布主要為素填土、粉質粘土、強風化巖、中風化巖。土層物理性質詳細描述見表2，車站底板坐落于中等風化泥巖，場區穩定水位埋深1.10～2.80 m。

2 拆撐換撐方案確定

在底板混凝土澆筑施工完成后，由于底板和最后一道支撐的凈間距只有1.9 m，影響機械作業空間，此外第5道支撐距離車站結構中板只有0.55 m無法完成支模，需要拆除最后2道鋼支撐，現準備采用以下兩種換撐方案。

圖1 基坑支護結構

表2 土層物理性質描述

(1)以撐換撐：以底板換第6道支撐，以臨時支撐替換第5道鋼支撐。具體施工方案：底板澆筑完成并達到強度后，拆除第6道鋼支撐；澆筑兩側邊墻混凝土，待邊墻混凝土達到設計強度后，在深度18.75 m位置增加一道?609 mm臨時撐，拆除第5道鋼支撐；澆筑中板混凝土并達到強度后拆除臨時支撐。

(2)以索換撐：以底板換第6道支撐，以錨索替換第5道支撐。具體施工方案：底板澆筑完成并達到強度后，在第5道支撐和第6道支撐位置處，向地層內部打設預應力錨索，拆除第6道鋼支撐；澆筑兩側邊墻混凝土，待邊墻混凝土達到設計強度后，再拆除第5道鋼支撐。錨索直徑為4束?15.2 mm，長度為15 m，與水平方向夾角為15°，注漿加固段長5 m，見圖2所示。

3 計算模型

本文借助Midas GTS軟件分析基坑換撐過程中圍護結構受力變化，以尋求合適的處理方案，為同類工程建設提供理論指導和經驗總結。

圖2 以索換撐圖示

3.1 模型建立

針對該工程換撐設計，建立三維實體計算模型，長度為330 m，寬度165 m，土層厚度取為70 m，基坑采用圍護樁+內支撐支護體系，土體采用四節點/八節點實體混合單元網格，圍護樁采用板單元模擬，內支撐采用梁單元，模型底面設置豎向約束，側面設置水平約束，三維有限元模型見圖3。

圖3 計算模型

3.2 參數選取

根據地勘報告相關資料，采用修正摩爾-庫侖模型，該模型考慮了土體的雙硬化準則，對于大體量的基坑開挖較為適用。

由于基坑頂部荷載較小，基坑頂部按無超載考慮。坑外穩定水位按2.5 m深考慮，對節點施加水頭荷載。每工況開挖之前，先進行坑內水位降深，采用井點降水方式將地下水降至開挖面以下1 m。

支護結構采用的是圍護樁+內支撐體系，圍護樁嵌固深度為10.55 m，采用板單元模擬，按彈性材料考慮，水平內支撐采用梁單元模擬，尺寸依據實際取值，具體的支護結構參數見表4。

表3 土體計算參數

表4 支護結構計算參數

4 計算結果與分析

本次模擬結合實際施工工序研究在不同換撐方案下圍護結構的變形和受力特征。

4.1 拆撐前后樁體變形

為避免應力集中，盡量采用對稱、分區換撐，不同換撐方案下的樁體變形曲線如圖4所示。由圖4計算結果可知：

圖4 不同換撐方案樁體變形

(1)圍護結構腹部側向變形整體呈現“拋物線”型變化特征，圍護結構最大側向位移位置約為0.85H(H為基坑開挖深度)，接近坑底附近。以撐換撐圍護結構變形實測值與計算結果較為接近，驗證了模型的正確性，表明以撐換撐施工較為合理。

(2)隨著施工工況的進行，兩種換撐方案圍護結構水平位移均呈增大趨勢，但以索換撐方案效果較差，變形增大約66%。其變形機理解釋如下：由以索換撐方案土體變形云圖如圖5可知，基坑開挖導致基坑側向土體塑性變形區增大，而第5、6道錨索位于塑性區范圍內，其作用效果甚微。由于第5、6道錨索位于粉質粘土層和強風化泥巖，其工程性質較巖石差，且地下水的存在降低了錨索與土層的端部錨固力和摩擦阻力，錨索所能提供的拉力有限。

圖5 以索換撐方案土體變形云圖

對于此種換撐方案要想獲得比較理想的效果，需要加長錨索以穿越塑性區(見圖6)，勢必增加工程造價與成本。

圖6 以索換撐方案作用機理圖示

4.2 拆撐前后樁體內力

換撐施工過程中，土體是一個被卸載的過程，為尋求新的平衡狀態，樁體的變形和受力狀態會發生變化。兩種換撐方案拆撐前后樁體彎矩和剪力的變形曲線如圖7和圖8所示。由圖7和圖8計算結果可知：

(1)采用以撐換撐方案，樁體彎矩和剪力會相應增大，但變形曲線較為平順并未出現突變。

圖7 不同換撐方案樁體彎矩

圖8 不同換撐方案樁體剪力

(2)采用以索換撐方案，支撐節點處內力狀態發生轉變，彎矩和剪力出現突變現象。

究其原因為：由于第5、6道錨索并未穿越塑性區，無法約束側向土壓力，側向荷載作用轉移至第4道支撐，因此，在第4道支撐位置處出現彎矩、剪力突增。

4.3 拆撐前后支撐內力

圖9給出了以撐換撐和以索換撐兩種處理方案不同位置的支撐軸力。

由圖9可知，第4道支撐軸力較大，換撐處理前支撐軸力為1 510 kN，采用以撐換撐處理方案，第4道支撐軸力為2 098 kN，支撐軸力增加約38.9%；采用以索換撐處理方案，第4道支撐軸力為3 524 kN，支撐軸力急劇增大，結構受力體系發生轉變。

4.4 換撐后穩定性驗算

圖9 不同換撐方案支撐軸力

基坑支護結構以控制變形為主，其強度基本滿足要求，換撐后需要對基坑進行整體穩定性和抗傾覆穩定性驗算。

對以撐換撐施工方案進行驗算，整體穩定性可采用圓弧滑動條分法分析，整體穩定性應符合下列要求：

(1)

式中：Ks為圓弧滑動穩定安全系數，對于一級基坑，Ks不應小于1.35；cj、φj分別為第j土條滑弧面處土的粘聚力和內摩擦角；Gj、lj分別為第j土條的自重和滑弧長度；θj為圓弧面法線與垂直面的夾角；uj為第j土條滑弧面上的土壓力。

取土條寬度為0.4 m，采用理正深基坑軟件進行驗算，整體穩定性系數Ks=5.23>1.35，整體穩定性滿足要求。

對支護結構底部和最后一道支撐點取矩，分別進行抗傾覆穩定性驗算，抗傾覆穩定性驗算可按下式進行：

(2)

式中：Kov為抗傾覆穩定系數，對于一級基坑，Kov不應小于1.25；∑Mp為被動區抗傾覆作用力矩總和；∑Ma為主動區傾覆作用力矩總和。

考慮不利工況，對支護樁底取矩，抗傾覆穩定性系數Kov=3.8>1.25；對最后一道支撐點取矩，Kov=6.0>1.25，抗傾覆穩定性滿足要求。

5 結論

(1)圍護結構腹部側向變形呈現“拋物線”型，最大側向位移位置約為0.85H，通過模型計算和現場實測數據的對比分析，以撐換撐變形較小。

(2)由于基坑開挖導致土體塑性區擴大，且地層富含地下水，要想獲得理想的變形控制效果，以索換撐方案勢必會增加成本。采用以索換撐施工方案，支撐節點處內力狀態發生轉變，導致第4道支撐處出現彎矩和剪力突增現象，第4道支撐軸力急劇增大。

(3)從安全性和經濟性考慮，采用以撐換撐方案更為合理，采用此種施工方案，基坑強度、整體穩定性、抗傾覆穩定性可滿足要求。