復(fù)雜環(huán)境下大直徑圓環(huán)內(nèi)支撐深基坑支護(hù)應(yīng)用研究

中鐵四局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230000

1 工程概況

淮安東站交通樞紐工程地下空間項(xiàng)目的地下一層為換乘大廳，兩層通高，地下二、三層為社會(huì)停車場(chǎng)。基坑?xùn)|側(cè)為在建的淮安高鐵東站站房，距離基坑邊約14.9m；南側(cè)為規(guī)劃中的順達(dá)路，距用地紅線距離小于31.5m；西側(cè)距用地紅線和規(guī)劃中的高鐵路約16.4m；北側(cè)距同期建設(shè)的預(yù)留軌道交通1號(hào)線淮安東站約8.1m，和規(guī)劃中的枚皋路相連?；娱_挖深度為15.8～17.5m，基坑開挖面積約為58936m2，基坑周長(zhǎng)約為1005m，該基坑側(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí)，基坑現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。該處地貌屬于徐淮黃泛平原區(qū)，地貌單元屬于沖積扇三角洲，各土層分布及特征如表1所示。

表1 土層分布及特性

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體圖

該地區(qū)對(duì)工程有影響的地下水為潛水和承壓水。潛水主要位于②1層砂質(zhì)粉土中，受大氣降水控制，水位變化幅度為3.5m左右；雨季期間水位會(huì)增高。承壓水主要埋藏于③1層砂質(zhì)粉土和③4層粉砂中（③1和③4層具聯(lián)通性），水量較豐富，接受側(cè)向徑流補(bǔ)給，徑流以側(cè)向?yàn)橹鳎判狗绞揭詮搅鳛橹?。第Ⅱ?qū)映袎核饕癫赜冖?a層中砂和③7層粉砂中，接受側(cè)向徑流補(bǔ)給，徑流以側(cè)向?yàn)橹?，排泄方式以徑流為主，局部為人工開采。

2 基坑工程重難點(diǎn)及方案設(shè)計(jì)

2.1 基坑工程重難點(diǎn)

該基坑開挖面積約為58936m2，基坑周長(zhǎng)約為1005m，開挖深度為15.8～17.5m，屬于深基坑工程。項(xiàng)目地下水豐富，有兩層高水頭承壓水，地層以粉土粉砂為主，滲透系數(shù)大，而且物理性質(zhì)指標(biāo)差，基坑等級(jí)為一級(jí)。地層局部有淤泥質(zhì)土，如果沒有可靠的支護(hù)措施，基坑開挖時(shí)的坍塌和漏水風(fēng)險(xiǎn)極大。基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，應(yīng)嚴(yán)格控制地層沉降，東側(cè)緊鄰已建高鐵軌道和在建站房；北側(cè)距在建地鐵站僅為5m，且地鐵區(qū)間盾構(gòu)很快會(huì)通過(guò)該區(qū)域。高鐵軌道和地鐵建筑變形控制要求極高，如不進(jìn)行控制極易造成地層變形過(guò)大，從而影響安全?；幽蟼?cè)和西側(cè)開挖深度內(nèi)存有較厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，需要采用較大剛度的支護(hù)結(jié)構(gòu)確保基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生較小的影響。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，采用多家單位同時(shí)作業(yè)。另外，根據(jù)國(guó)家高鐵線網(wǎng)規(guī)劃，連鎮(zhèn)高鐵于2019年12月通車運(yùn)行，淮安東站屆時(shí)將同步投入使用，建設(shè)工期要求十分緊迫。而且復(fù)雜的工程地質(zhì)、水文條件是該基坑工程設(shè)計(jì)與施工中必須重點(diǎn)考慮并妥善處理的問(wèn)題之一。

2.2 基坑總體方案設(shè)計(jì)

該工程周邊環(huán)境較為復(fù)雜，整個(gè)場(chǎng)地下設(shè)3層地下室，基坑面積約為58936m2，預(yù)估基坑開挖深度最大為17.5m左右，屬于超大面積一級(jí)深基坑，具有基坑面積大、開挖深度大、周圍環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多次方案比選，確定該基坑?xùn)|側(cè)和南側(cè)采用圍護(hù)樁+TRD止水帷幕結(jié)合內(nèi)支撐支護(hù)，北側(cè)和東側(cè)采用地下連續(xù)墻結(jié)合內(nèi)支撐支護(hù)。支護(hù)剖面如圖2所示。

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖（標(biāo)高單位：m；長(zhǎng)度單位：mm）

2.3 圓環(huán)支撐設(shè)計(jì)

基坑?xùn)|西長(zhǎng)約為256m，南北寬約為225m，基坑平面形狀接近矩形，較為規(guī)則，基坑采用具有拱形效應(yīng)的環(huán)形支撐，通過(guò)拱形效應(yīng)將內(nèi)力大部分轉(zhuǎn)化為軸力的形式，以充分發(fā)揮混凝土材料的抗壓特性?；又行牟贾?道完整的同心圓環(huán)支撐，直徑分別為187.3m、203.3m、223.3m；基坑四周采用角撐和連系梁將圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平力傳至環(huán)形支撐，支撐桿件均指向圓環(huán)中心，圓心角為4°～6°；靠近基坑角部及局部區(qū)域，利用傳統(tǒng)角撐+對(duì)撐的布置形式。

2.4 圓環(huán)支撐內(nèi)力及變形特征

此次計(jì)算采用理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件V7.5進(jìn)行內(nèi)支撐桿件受力及變形計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。采用空間整體協(xié)同有限元計(jì)算方法，考慮了支護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)以及土空間整體協(xié)同作用的線彈性有限元計(jì)算方法。計(jì)算表明，基坑主要為水平向坑內(nèi)變形為主，最大位移為38.63mm。

圖3 理正三維整體協(xié)同計(jì)算位移云圖（單位：mm）

當(dāng)基坑開挖至坑底時(shí)，由于環(huán)梁特殊的受力特性，基坑側(cè)壁水土壓力大部分經(jīng)過(guò)支撐結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為環(huán)梁軸力，軸力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。第一層支撐最大軸力為8592.7kN，最大彎矩為3669kN·m；第二層支撐最大軸力為31328.4kN，最大彎矩為7703kN·m。從圖4中可以看出三道環(huán)撐受力狀態(tài)均以軸力為主，因此環(huán)形內(nèi)支撐可以充分發(fā)揮混凝土材料截面抗壓優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于壓力最大值，內(nèi)側(cè)兩道環(huán)梁軸力分布沒有較大的差異，最外側(cè)一道環(huán)形內(nèi)支撐軸力較大值出現(xiàn)在鉆孔灌注樁支護(hù)的一側(cè)，說(shuō)明地下連續(xù)墻剛度要優(yōu)于鉆孔灌注樁，可以承受更大一部分的土壓力。

圖4 軸力計(jì)算結(jié)果云圖（單位：kN）

環(huán)形內(nèi)支撐受力以軸力為主，環(huán)撐結(jié)構(gòu)同時(shí)也存在部分彎矩和剪力，因此理論中的完全受壓狀態(tài)在實(shí)際應(yīng)用中是不存在的。剪力計(jì)算結(jié)果要小于軸力，最大值一般位于結(jié)構(gòu)的交點(diǎn)。除此之外，計(jì)算結(jié)果顯示彎矩也是普遍存在于支撐結(jié)構(gòu)中的，其中環(huán)撐彎矩的正負(fù)最值都集中出現(xiàn)在基坑邊中部位置處，彎矩最大值達(dá)到7703kN·m。另外，冠梁、環(huán)撐、支撐聯(lián)系梁之間節(jié)點(diǎn)處彎矩也偏大，對(duì)于節(jié)點(diǎn)這種彎剪軸復(fù)合受力狀態(tài)，在設(shè)計(jì)截面尺寸和配筋時(shí)，必須預(yù)留足夠的強(qiáng)度安全儲(chǔ)備。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

該基坑工程監(jiān)測(cè)主要是對(duì)深層水平位移、內(nèi)支撐軸力、立柱沉降和地表及鄰近建筑物位移等內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中設(shè)置22個(gè)深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)每層共布設(shè)36個(gè)內(nèi)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，立柱共布設(shè)60個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，基坑周邊地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)共布設(shè)38個(gè)。

根據(jù)監(jiān)測(cè)資料可知，從基坑開挖至地下結(jié)構(gòu)澆筑完成，基坑圍護(hù)墻頂最大累計(jì)水平位移為57.6mm；支撐最大軸力為32381.9kN；立柱最大沉降為9.3mm，隆起最大為10.8mm；周邊地表最大沉降為9.7mm。整個(gè)施工過(guò)程中各項(xiàng)指標(biāo)均在控制范圍內(nèi)，工程達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)淮安東站交通樞紐工程地下空間項(xiàng)目站前廣場(chǎng)深基坑工程周邊環(huán)境和地質(zhì)水文條件的分析，確定了以3道同心圓環(huán)內(nèi)支撐結(jié)合地下連續(xù)墻和鉆孔灌注樁的支護(hù)方式，工程使用效果表明圓環(huán)支撐提供了較大的基坑平面自由空間，為施工提供了極大的便利。

（2）由內(nèi)力分析結(jié)果可知，圓環(huán)支撐受力以軸力為主，充分發(fā)揮了混凝土的抗壓性能，但圓形支撐并不是理想中的完全受壓狀態(tài)，同時(shí)也存在部分剪力與彎矩，支撐節(jié)點(diǎn)處于復(fù)合受力狀態(tài)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮足夠的安全儲(chǔ)備。

（3）基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，基坑在使用過(guò)程中，其各項(xiàng)指標(biāo)均在可控范圍內(nèi)，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、周邊地表沉降等與理論計(jì)算值較為接近，局部水平位移實(shí)際值大于計(jì)算值，但均未超過(guò)限值，整體較為合理。