基坑環形內支撐體系的優化設計研究

吳小龍

(福建省泉州工程勘察院 福建泉州 362000)

0 引言

在基坑周邊環境條件復雜、變形控制要求高的軟土地區，圍護墻結合內支撐系統，是常用、成熟的支護形式[1]。對于環形內支撐結構，通常采用平面有限元法假設進行支撐布置和分析計算。依照其計算假設的要求，環形梁之間應布置盡可能多的桁架桿件,其體系具有“桁架桿件數量多、環梁軸向壓力大、需確保其均勻受力”的特點。因此，對造價和工期影響較大，且對土方開挖技術和施工管理要求較高。本文以馬尾區某一深基坑工程為例，分析探討據大構件分區設計理念對有限元法環形內支撐布置體系的優化設計與應用，供同行借鑒。

1 工程與地質概況

某工程位于福州市馬尾區，場地周邊建筑物和道路情況如圖1所示。

擬建物為1幢24層商業大樓，占地面積約7066 m2，框-剪結構，設3層地下室，基坑周長約350 m，挖深15.90 m～16.40 m，采用沖孔灌注樁作為建筑物基礎，工程樁已先行施工。場地屬閩江下游洪淤積階地地貌單元，基坑開挖深度范圍內的土層及主要物理力學性能指標如表1所示。

地下水主要為③中砂層中的承壓水，承壓水頭高，經計算，基坑開挖過程存在發生坑底突涌的可能性，必須采取降水或截水措施。此外，場地分布有厚層淤泥，其力學性能差，壓縮性高，且主體樁基施工已對淺部軟土造成了一定的擾動，給基坑支護造成不利影響。場地東北和西北側為城市主干道，對變形控制有一定要求，加上場地空間小，支護選型受限。因此，如何選擇合理的支護形式，確保基坑安全經濟是設計的重點。特別是確定支護形式后，合理的布置支護結構，是設計者的主要工作。

表1 場地土層主要物理力學指標

2 原設計方案

由于周邊環境對變形的控制要求較高，原基坑支護設計方案采用大直徑沖孔灌注樁作為基坑的圍護樁，配以兩道環形內支撐體系，并進行坑內被動區水泥攪拌樁加固。考慮存在較豐富的地下水，其基坑四周設置三軸水泥攪拌樁作為截水帷幕。

2.1 基坑圍護樁

排樁選擇直徑1000 mm的沖孔灌注樁，樁距1.2 m。在地層條件較好的區段，樁間距改為1.5 m，圍護樁平均樁長約32 m。支護平面布置如圖2所示，典型斷面圖如圖3所示。

圖2 基坑支護平面布置圖

圖3 基坑典型斷面圖

2.2 內支撐的布置

內支撐采用鋼筋砼環撐，配以指向圓心輻射撐桿和四角弧形支撐，為增加環撐間的剛度，在兩環撐間設置了短斜撐以形成圓形桁架。累計支撐構件120根，環形混凝土構件的總長度為655.0 m，內圓直徑約67.0 m。

2.3 支撐立柱

為保證支撐體系的整體穩定性，在坑中設置72根鋼格構立柱，其下支承樁采用沖孔灌注樁，樁長6.5 m～17.5 m。

2.4 坑內被動軟土加固

為了減少基坑開挖后圍護樁的變形，設計方案對被動區軟土采用雙向水泥土攪拌樁進行加固處理，攪拌樁采用φ550@450格柵狀布置，處理深度28.4 m，加固厚度為12.0 m。

3 優化設計

原設計方案經專家論證和審查后，已正式出具施工圖，但總承包商經各分項造價預算后，認為支護造價偏高，同時存在坑內軟土加固施工難度大，對工程樁施工后的深層軟土進行攪拌樁施工，無法保證其質量。其次，將近16 m的開挖深度采用兩道支撐，一旦坑內被動區加固質量不能控制，則支護體系存在風險，其變形恐難以控制。故委托第三家進行優化，重新設計。

3.1 原支護結構存在的問題

3.1.1 圍護樁布置不合理

基坑東側排樁沿地下室外墻布置，雖然減少了基坑開挖的土方量，但由于地下室東側墻體內凹形成陽角，陽角處的內力比較復雜，是應力集中的部分[1]，對支護構件受力不利，也增加了構件長度和圍護樁的數量，與所節省的挖方量相比，并無經濟優勢。

供給情況：上周國內尿素復產企業增多，開工率持續上漲，目前國內尿素整體開工率在60%左右，其中煤頭企業開工率在59%左右，氣頭企業開工率在63%左右。原料方面，主流礦區煤炭庫存偏低，價格堅挺，華北地區地方煤炭價格略有下調；天然氣價格略有下跌。液氨方面，供給整體偏緊，價格有所上漲。

3.1.2 內支撐布置不合理

內撐的平面布置過于追求理想化的桿系結構，以滿足有限元桿系結構計算假設的要求，即盡量避免短粗桿件和構件相切，因而桿件數量增多，環形梁也多了一道。為保證環形梁盡可能只承受軸向壓力，圍繞兩道環形梁必須設置盡可能多的以環梁圓心為中心、向外均勻輻射的支撐桿件。因構件斷面尺寸小，為了確保支撐結構的平面外剛度，需要設置較多的支撐立柱，加之平面輻射桿件較多，使基坑區塊分割過多，影響機械化作業，增加施工工期。此外，要求所有水平支撐輻射桿件的受力方向指向環撐中心，對放樣精度和施工質量要求較高。一旦某些部位存在質量問題，可能發生多米諾效應。

3.1.3 被動區加固不合理

采用水泥土攪拌樁確實可有效提高軟土的工程性能，但對加固后土體抗剪強度的取值依據尚少，計算理論不夠完善。且需處理的淤泥深達28.4 m，超出了以往工程經驗，加上工程樁業已施工，攪拌樁施工質量難以控制。此外，攪拌樁在基坑深度內會形成空孔段，造成不必要的浪費。

3.2 優化的思路

該基坑支護的重點部位在于：①坑底分布著深厚淤泥層，圍護樁的被動區抗力小；②對于平面環形支撐體系，基坑4個角部受力復雜，是整體穩定的關鍵部位；③各側基坑中部區域內腰梁與環形梁連接弱，對圍護樁的約束作用小。

綜上，結合原支護體系存在的問題，針對性調整支護方案：

(2)增加大斷面角撐與基坑角部，構成局部三角形支撐，增強支撐平面穩定性；基坑各側中部區域內的腰梁與環形支撐，通過加勁肋板連接，同時加密該區域圍護樁間距。由此將環形支撐的數量減小為一道，并取消原兩道環形支撐間的眾多桁架支撐梁。

4 優化方案實施

根據以上思路及《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120-2012)[2]，仍采用排樁+環撐+截水帷幕的綜合支護方案。但設計上根據地質情況和基坑具體受力部位的重要性，按分塊的概念來設計。其主要的原則是在確保基坑四角足夠穩定的前提下，增加四邊跨中的抗彎剛度，以減少環撐的受力。把環撐作為最后的一道防線，是各區塊強度和穩定保證堅強后盾，從而大大提高支護體系的冗余安全度。據此思路，優化后排樁根據區塊情況，分別選擇直徑1000 mm、1200 mm的沖孔灌注樁，樁間距1.6 m、1.7 m，在基坑各側中部加密至1.4 m。在內支撐平面布置上，以固角強中為理念，取消一道環撐，加大環撐的直徑和截面尺寸，并結合傳力肋板，確保環撐受力均勻合理和具備足夠平面整體剛度。垂直方向增設一道內支撐，取消坑內被動區加固，以減少因開挖過深所引起的圍護樁水平位移。優化后的平面布置如圖4所示，斷面圖如圖5所示。

5 優化結果

5.1 社會經濟效益

首先，加密基坑各邊中部的支護樁，增強了整體剛度，使變形協調；調整東側圍護樁為單直線布置，消除基坑陽角，使受力合理。其次，采用第三道支撐替代坑底被動區軟土加固，避免了因攪拌樁加固存在質量問題而帶來的不可預見性安全隱患。

圖4 設計優化-支護平面布置圖

將環撐調整為一道大斷面環撐，取消共196根輻射支撐桿件，既減少了支撐和立柱數量，又使得基坑中部增加了近1950 m2的施工空間，改善了施工條件，提高了施工速度，大大縮短了施工周期，具有明顯的經濟與社會效益。設計優化前后主要支護構件的工程量如表2所示。

表2 設計優化前后主要支護構件的工程量表

由表2可知，除灌注樁用量基本持平、支撐梁用量增加36.2%外，其余支護工程量得到大幅度的優化，尤其是立柱、立樁樁數量(-43.05%)和被動區攪拌樁(-100%)部分。經工程結算，基坑支護實際節省造價近710萬元，占原支護方案造價的22.6%。

5.2 監測成果

圖6為實測圍護樁沿深度的水平位移(測斜)，圖7為坑底工況下圍護樁單元計算變形圖，表3為周邊環境在工程施工期間的最大變形量表。

通過施工過程中的監測成果圖表及現場巡視結果，基坑工程的各項應力和變形基本上都控制在允許范圍內，優化后的基坑支護設計實施效果較好，滿足使用要求。

表3 周邊環境最大變形量

圖6 支護樁深層水平位移曲線

圖7 坑底工況下支護樁計算變形圖

6 結論

通過本工程基坑支護方案的優化設計，經施工實踐和受力與變形監測，結果證明完全達到預期目標，并得出以下結論和建議：

(1)對于開挖較深的基坑，當存在較深厚淤泥層時，采用被動區加固而取代一道支撐是不合理的，存在一定風險。

(2)沿基坑四周的圍護樁，盡可能直線布置，盡量避免出現陽角，以確保支護體系受力合理。

(3)大跨度方形基坑采用環形內支撐時，可不必拘泥于理想的桿系結構體系來布置結構構件。對于基坑工程應結合環形支撐梁分區塊設計，在確保各區塊受力可靠的前提下，使各區塊傳至環形梁內力盡可能均勻，盡可能小，以提高結構體系的冗余安全度。

(4)支撐體系應盡可能用大剛度的桿件。有些區域可以用混凝土板作為傳力構件，一方面可增加其剛度，另一方面使其傳力更均勻。

(5)大構件區塊設計理念可大大增加環形支撐梁的斷面，并大幅度減少支撐構件的數量，達到改善施工條件、縮短工期的目的。

(6)通過基坑工程的開挖，證明環形內撐采用大構件分區域設計理念，可以有效控制基坑側壁變形，符合“安全、合理、經濟、適用”的支護設計原則。