鋼筋混凝土圓環內支撐在軟土深基坑支護工程中的設計探討

劉家國

（深圳地質建設工程公司，廣東 深圳 518023）

1 引言

基坑支護中的預應力錨索結構由于周邊環境、工程地質等條件限制，其使用逐漸減少甚至不被允許，而內支撐體系大量被采用。內支撐平面布置可采用角撐、對撐、圓環撐等形式，或根據需要對其進行多種平面組合，而圓環支撐有其獨特的優勢，得到較為廣泛的應用；內支撐主要采用鋼筋支撐體系和鋼支撐體系[1],而前者更為普遍。

內支撐系統設計計算包括水、土壓力作用下的平面內計算和豎向力作用下的平面外計算；也可將圍護體、支撐以及立柱作為一個整體進行空間模型分析，因其計算復雜，應用上存在不足，大部分仍采用相對簡便的平面計算模型進行分析。

支撐平面內的內力和變形計算是將圍檁和支撐桿件從支護體系中脫離出來，形成一個平衡體系，在周邊的圍檁上添加適當的約束進行求解；對于長度較長的支撐，宜適當考慮溫度變化對支撐內力的影響。

支撐體系自重和支撐梁頂面或施工堆載平臺的施工活荷載等豎向力作用下，支撐的內力和變形可近似按多跨連續梁進行分析；基坑開挖施工過程中，相鄰立柱隆起或沉降有差異時，支撐會產生次應力，應予以考慮并適當加強。

鋼筋圓環內支撐的圍檁、冠梁與支撐構件等采用整體澆筑，以確保其支撐剛度和可靠性，使連接節點為剛接，支座彎矩可適當折減，跨中彎矩宜相應增加。

土壓力計算是一個涉及很多因素的復雜問題，內支撐體系與支護樁、土體共同作用，加之受溫度、地下水、施工荷載、差異沉降等因素的影響，內支撐設計計算較為復雜，本文在簡化計算的基礎上，通過對平面內的分析計算進行設計，平面外的計算進行校核。

2 鋼筋圓環內支撐的特點

2.1 圓環結構受力合理

圓環內支撐結構中，水、土壓力通過基坑支護結構傳遞給腰梁與邊桁架腹桿、輻射撐等，再集中傳至圓環，充分利用材料的受壓性能改善對撐、角撐等支護結構中桿件復雜的受力狀態；圓環支撐剛度大、穩定性好、變形小，確保基坑及周邊建（構）筑物、環境安全的效果好，適用于超大面積以及多種平面形式的基坑[2],特別適用于方形、多邊形基坑支護[3，4]。

2.2 便于土方挖運及地下結構施工

圓環支撐結構可在基坑平面上形成較大面積的無支撐區域，尤其當塔樓處于圓環內、在圓環區域布置出土坡道或棧橋后，樁基礎和地下室施工十分方便，可以盆式開挖基坑，相較于對撐、角撐支撐梁下出土，形成開闊的工作面，大幅度提高了土方開挖速度。

2.3 經濟效益明顯

因圓環支撐方便土方和地下結構施工，工效大大提高，尤其在面積較大的基坑支護中，通常具有普通內支撐無法比擬的經濟優勢，可節約投資、加快總體施工進度，經濟效益明顯。

2.4 合理安排地下結構施工節奏，可順利地進行拆換撐

圓環支撐因其依靠圓環結構受力，要求拆換撐時，應確保肥槽的回填對稱、均衡，在地下結構施工時，需合理安排施工工序，確保拆換撐的順利實施。

3 圓環內支撐的平面布置形式

基坑平面近似方形或多邊形時，可采用一個圓環支撐；窄長形基坑，可采用兩個或多個圓環或與其他支撐進行組合。

4 工程實例

4.1 工程概況

項目位于寶安大道東側、大洋路與橋和路交會處西北角，場地為濱海潮間帶地貌，后經填土后整平。設3 層地下室，基坑北側東段有1 棟6 層建筑，周邊地下管線密布；基坑面積約14 520 m2，深15.15 m，支護安全等級為一級。

4.2 工程地質概況

（1）素填土：松散，稍濕；主要以黏性土混砂堆填，含有少量建筑垃圾及生活垃圾，層厚1.8～5.10 m，平均3.35 m。

（2-1）淤泥質粉質黏土：流塑～軟塑狀，飽和，含少量有機質和砂粒，層厚0.8～4.5 m，平均2.17 m。

（2-2）粉質黏土：可塑，不均勻，含石英質砂粒，含量約為10%～30%。層厚0.9～10.1 m，平均4.77 m。

（2-3）中砂：飽和，松散～稍密，砂為石英質，含黏性土約25%，層厚0.8～9.4 m，平均5.26 m。

（3）粉質黏土：可塑～硬塑，系混合巖風化殘積而成，含少量石英質砂粒，層厚0.5～6.1 m，平均3.57 m。

（4）早震旦系大紺山組混合巖，灰色、灰黑色，變余結構，片麻狀構造，巖芯表面可見白色條帶，主要成分為黑云母，石英，長石，風化程度不等。

4.3 水文地質條件

場內地下水有上部第四系松散地層孔隙潛水和下部基巖裂隙水，強～中風化混合巖裂隙發育，其富水性及透水性較強，是地下水賦存和運移的較好空間。勘察期間測得混合穩定水位埋深為0.8～1.9 m，地下水位受季節及降雨影響，其變化幅度為1.0～2.0 m。

4.4 基坑支護方案

經多方案比選，基坑西北角和東南角采用咬合樁、其余部位采用旋挖灌注樁+兩層鋼筋圓環內支撐支護，圓環直徑111.2 m。支護咬合樁葷樁和素樁樁徑1.2 m，樁間距2.0 m，咬合0.2 m，嵌固深度8.0m，支護平面如圖1 所示。鋼筋圓環支撐梁強度等級為C30，冠梁1.0 m×1.2 m，腰梁1.0 m×1.0 m，第一層和第二層徑向支撐梁、角撐梁及聯系梁分別為0.8 m×1.0 m、1.0m×1.0 m，第一層（標高-1.50 m）和第二層圓環撐梁（標高-6.50 m）分別為1.0 m×1.6 m、1.0 m×1.8 m。支護樁為樁徑1.2 m，樁間距1.8 m，樁間設置兩根雙管高壓旋噴樁與支護樁共同形成截水帷幕，旋噴樁與支護樁同長，如圖1、圖2 所示。

圖1 基坑支護平面圖

圖2 基坑支護平面圖

場內地下孔隙水主要賦存于第四系地層中，屬潛水，受大氣降水及地表水補給，水位變化因季節而異，基坑采用咬合樁、支護樁加樁間高壓旋噴樁截水；基坑頂和坑底設排水明溝，坑底設集水井，排入相鄰市政管網。從經濟、土方開挖的便利性考慮，在坑內設超前集水坑，排除坑內土體中的地下水。

4.5 基坑設計計算

內支撐計算基于線彈性體平面桿系有限單元法。獨立進行水平面受荷變形分析和豎直面內受荷變形分析，計算中不考慮計算結果的相互影響[5，6]。豎直平面內分析中除特殊截面構件，均自動計算構件的自重荷載。

基坑頂的超載、圍護結構外側水、土壓力等通過支護樁傳遞給內支撐體系來平衡，支護體起到擋土、截水的作用，并將水平力通過豎向抗彎的方式全部傳遞給內支撐。將第一層、第二層支撐水平荷載（分別為367 kN/m、539 kN/m）施加在冠梁和腰梁上，求得支撐系統的變形和內力。

計算得到支護樁的最大計算彎矩為845.5 kN·m，樁的最大位移發生在支護樁頂以下約5.5 m，為6.7 mm。圓環支撐梁最大變形為7.8 mm，冠梁最大變形發生于基坑北側中部，為9.3 mm，圓環形梁和支撐均呈壓應力狀態，滿足設計要求。

立柱樁按所承受的最大豎向力進行計算，相關參數為：支撐梁重度25 kN/m3；鋼立柱質量為331 kg/m，長度按14.75 m計算。

立柱抗壓承載力標準值為：

立柱樁抗壓標準值：

立柱樁長12 m，樁徑1.2 m，樁側土體為粉質黏土厚3.7 m、全風化巖厚4.2 m、強風化巖厚4.1 m，側摩阻力特征值分別為35 kPa、70 kPa、100 kPa，樁的極限端阻力特征值取1 500 kPa。立柱樁承載力特征值為：

抗壓滿足要求。

4.6 咬合樁施工

咬合樁采用搓管鉆機分兩序施工，一序樁（素樁）采用超緩凝，緩凝時間控制在初凝60 h，終凝時間70 h，強度等級為C15；二序樁（葷樁）為鋼筋樁，在相鄰的一序樁終凝之前進行施工，強度等級為C30。

4.7 土方開挖施工

充分利用大直徑圓環支撐形式，為快速開挖出土創造有利條件，在圓環支撐內設置縱坡坡率為1∶6、橫坡坡率為1∶1.25、寬8 m 的出土坡道，土方車輛直接進出基坑。坑內土方分3 層開挖：第一層土方挖至第一道支撐梁底，第二層土方挖至第二道支撐梁底，第三層土方挖至基坑底，土方開挖前對坑內地下水分層進行降水后，其開挖作業面能夠滿足挖機挖土及泥頭車裝運土方，可減少土方在坑內二次倒運，大幅度提高土方挖運施工效率。

4.8 基坑監測

對基坑支護結構、周邊建（構）筑物、周邊道路及地下管線的沉降位移等進行監測。基坑開挖前，測初始值不少于兩次；基坑開挖過程中，每2 d 觀測一次，基坑開挖結束至地下室底板澆筑完成后每5 d 觀測一次，以后每7 d 觀測一次，直至±0.00 為止；雨天加密監測。除支撐軸力和樁身內力的預警值為允許值的65%外，其他各項指標的預警值為允許值的80%。

構件承載能力設計值分別為第一道支撐梁9 000 kN，環撐梁18 000 kN；第二道支撐梁12 000 kN，環撐梁26 000 kN。監測最大支撐軸力第一道支撐梁7 214 kN，環撐梁12 389 kN；第二道支撐梁9 461 kN，環撐梁18 607 kN。

監測表明，因設計計算及現場測試方法、測試元器件等綜合影響，實測值與計算值有一定差異；各支撐軸力實測值均在設計預警值以內，圓環內支撐受力狀態、規律基本與計算結果相近，

4.9 換撐及拆撐施工

地下室采用單邊支模工藝，換撐采用地下室結構梁板方式。支撐梁分區對稱采用繩鋸切割拆除。

5 結語

軟土地層基坑，若周邊環境復雜，對變形和沉降較為敏感，控制基坑的整體剛度和變形尤為重要；土方開挖和塔樓工期緊的項目，采用鋼筋圓環內支撐，受力合理，整體剛度大，支護結構變形小，保護周邊環境效果好；基坑圓環中部可提供大面積的無撐區域，通常可避讓塔樓部位，土方挖運十分便捷，可加快主體結構施工進程；結合單邊支模工藝，確保了拆換撐工序的有效實施；在軟土基坑中的成功實施，說明大直徑鋼筋圓環內支撐結構是一種安全且較為經濟的支護方案。