超大直徑三圓環支撐梁體系環梁軸力計算研究

雍金兵 馮 浩

1.南京南大巖土工程技術有限公司 江蘇南京 210000；2.江蘇中鎂工程規劃設計研究院有限公司 江蘇揚州 225800

1 工程概況

淮安市高鐵東站站前廣場是淮安東站重要組成部分，場地近似正方形。工程自2018 年10 月開工建設到2019 年12 月淮安高鐵東站及附屬設施全部投入運營，建設工期非常緊迫項目。項目用地面積約6 萬m2，地下室建筑面積約16 萬m2，結構為框架結構，下設三層滿堂地下室。基坑開挖深度為15.80～16.80m，局部坑中坑挖深20.0m。基坑開挖面積約55000m2，基坑周長約938m。基坑支護結構安全等級為一級，結構重要性系數ro=1.1。

2 水文、地質條件

場地地貌屬徐淮黃泛平原區，地貌單元屬沖積扇三角洲，各地基土層分布及特征分別描述如下：

①1 層—雜填土(Q4ml)：色雜，密實，局部松散，由砂質粉土、石灰、石子和建筑垃圾組成，局部為混凝土地坪，局部為素填土，土質不均勻，2016 年回填；場地均分布。

②1 層—砂質粉土(Q4al)：灰黃色、下部灰色，濕，稍密，局部中密，中壓縮性，土質較均勻，含云母碎片，夾粉質黏土，單層厚5～20cm，具水平層理；場地均分布。

②1a 層—粉質黏土(Q4al)：灰黃色，軟塑，局部可塑，夾砂質粉土，中偏低壓縮性，土質較均勻，局部黏土；呈透鏡體分布于②1 層中。

②2 層—黏土(Q4al)：灰黃色、頂部灰色，可塑，局部硬塑，中壓縮性，土質較均勻，含鐵錳質結核，有光澤，局部粉質黏土；場地均分布。

②3 層—淤泥質粉質黏土與砂質粉土互層(Q4al)：灰色，流塑，局部軟塑，高壓縮性，土質不均勻，局部含腐殖質，具水平層理，呈千層餅狀，單層厚0.5～3cm，少數5～20cm；主要分布于場地西南部。

②4 層—粉質黏土夾砂質粉土(Q4al)：灰黃色、局部灰色，可塑，局部硬塑，中壓縮性，土質不均勻，含鐵錳質結核，夾砂質粉土，單層厚5～40cm，具水平層理，局部為粉質黏土或砂質粉土；場地局部分布。

③1 層—砂質粉土(Q3al+l)：灰黃色，頂部灰色，濕，密實，頂部中密，土質較均勻，含云母碎片，局部為粉砂；場地局部分布。

③2 層—粉質黏土夾砂質粉土(Q3al+l)：灰黃色、局部灰色，可塑，中壓縮性，土質不均勻，夾砂質粉土，單層厚5～40cm，具水平層理，局部為粉質黏土或砂質粉土；場地局部分布。

③4 層—粉砂(Q3al+l)：灰黃色、局部灰色，飽和，密實，低壓縮性，土質較均勻，含云母碎片，礦物成分主要由石英、長石組成，顆粒級配較好，分選性較差，局部含砂礓，直徑0.5～2cm，個別5cm，局部為細砂、粉土；場地均分布。

③4a 層—粉質黏土(Q3al+l)：灰黃色、灰色，可塑，中壓縮性，土質較均勻，含鐵錳質結核，局部夾粉砂，單層厚5～20cm，具水平層理；呈透鏡體狀分布于③4 層中。

③5 層—粉質黏土(Q3al+l)：灰色，可塑，中壓縮性，土質較均勻，局部夾粉砂，單層厚10～40cm，具水平層理，局部黏土，底部局部為粉砂；場地局部分布。

③6 層—黏土(Q3al+l)：灰黃色，棕褐色雜灰白色，硬塑，局部堅硬，中壓縮性，土質較均勻，含鐵錳質結核，含鈣質結核，直徑0.5～3cm，個別7～10cm，局部為粉質黏土或黏土混砂；場地均分布。

③6a 層—中砂(Q3al+l)：灰黃色、局部灰白色，飽和，密實，低壓縮性，土質不均勻，含云母碎片，黏粒含量較高，半膠結，巖芯呈柱狀，礦物成分主要由石英、長石組成，顆粒級配一般，分選性一般，局部含砂礓，直徑2cm 左右，局部為粉砂或中砂混黏土；呈透鏡體狀分布于③6 層中。

③7 層—粉砂(Q3al+l)：褐黃色、灰白色，飽和，密實，土質較均勻，顆粒級配差，分選性好，礦物成分主要由石英、長石組成，含云母碎片，局部底部夾砂盤，長度10～60cm，局部為細砂；場地均分布。

對工程有影響的地下水按其埋藏條件可分為潛水和承壓水。潛水主要埋藏于②1 層砂質粉土中；穩定水位埋深1.90～3.40m（平均值2.23m），標高5.81～6.07m（平均值5.98m）。第Ⅰ層承壓水主要埋藏于③3 層砂質粉土、③1 和③4 層粉砂中，根據區域資料其埋深為地面下5.0m 左右，水位標高為3.0m 左右。見表1。

表1 基坑支護和降水設計參數

3 基坑周邊條件

基坑北側地下室外墻線距紅線最近約6.2m，距離在建地鐵一號線站臺最近處約23.4m，地鐵基坑挖深23m。地鐵與本基坑之間進行土體加固，要求與地鐵車站基坑同時開挖，同時支撐，基坑側壁回填采用素砼回填。基坑地下室外墻線距東側高鐵站房最近約16.2m，本基坑開挖前，高鐵站房灌注樁基礎完成施工，站房主體結構與基坑同步實施，支護施工與土方開挖期間需要對站房進行變形監測。基坑南側地下室外墻線距紅線最近約9.6m。基坑西側地下室外墻線距紅線最近約11.8m。

4 設計方案

基坑豎向支護結構采用了地下連續墻和灌注樁結合TRD+ 兩道內支撐的支護結構形式。水平支撐體系采用三圓環內支撐形式，圓環支撐直徑由內向外分別為187m、203m、223.8m，內圓環和中間圓環間設計成環形棧橋，同時南側和西側設置下坑內斜坡棧橋方便土方開挖及后期地下室施工期間混凝土澆筑。地下水處理北側和東側止水采用地下連續墻進入3- 6 黏土1.5m 擋土止水，南側和西側采用800 寬TRD 進入3- 6 黏土1.5m 形成全封閉止水帷幕。坑內設置136 口管井進行疏干降水。地鐵與本基坑之間土體采用φ850 三軸深攪樁格柵式加固，與地鐵車站基坑同時開挖，同時支撐，地鐵側基坑側壁回填采用素砼回填。支撐梁結構見圖1 和圖2。

圖1 支撐梁平面圖

圖2 支撐梁結構

5 圓環梁軸力取值

圓環支撐環梁軸力計算方法常見有規范公式（N=R×P）和有限元整體計算，其中規范公式法軸力標準值取值為N= R×P/ 3（R 為外環半徑，P 為單元力計算最大值），見表2。

表2 圓環支撐環梁軸力計算

兩者計算出的軸力相差并不大，考慮到環梁在圓環支撐體系中的重要性，軸力標準值取兩者較大值，進行包絡設計。本工程采用理正深基坑7.0PB5 軟件進行單元計算和整體計算，采用朗肯土壓力計算理論，計算時填土和黏性水土合算，粉土粉砂水土分算。

6 開挖情況與監測結果

項目監測設置水平位移監、深層位移監測、周邊道路沉降變形觀測、地下水位監測、支撐梁軸力監測和立柱樁沉降隆起監測。其中內支撐桿件共設置41 處軸力監測點，立柱共布置61 個沉/ 隆觀測點。監測結果樁頂水平位移最大為28.5mm，深層土體水平位移最大為48.4mm，周邊地面沉降最大位移為25.1mm，第一層環撐軸力最大20748.2kN（報警值23000kN），第二層環撐軸力最大為35063.5kN （報警值44100kN），立柱最大隆起值為14.7mm。所有監測項目均未超過報警值。

7 結論

首層圓環支撐梁軸力設計值取值N=1.1×1.25×1.2×12068=19912kN，計算中考慮了20%的溫度應力影響。軸力監測值最大為20748.2kN，與設計值差值絕對值為836kN，設計值與實際監測值比較接近。首層支撐梁使用時間較長，圓環支撐梁作為支撐體系中的重要構件應考慮20%的溫度應力。二層圓環支撐梁軸力設計值取值N=1.1×1.25×27718=38112kN，考慮10%溫度應力影響時軸力設計值取值為41923kN，考慮20%溫度應力影響時軸力設計值為45735kN。軸力監測值最大為35063.5kN。從計算結果和監測結果來看，不考慮溫度影響時軸力設計值與實際監測值比較接近，考慮溫度應力影響后軸力設計值偏保守。

綜上所述，二層圓環支撐體系因首層支撐梁暴露時間久，環梁設計值取值應考慮20%的溫度應力影響；二層環梁因暴露時間短，軸力設計值取值時考慮10%的溫度應力影響。