復雜異形深基坑雙環形內支撐體系設計及受力變形特性

劉 騰，李兆平，王佳豪，王全賢，崔向陽

（1.北京市政建設集團有限責任公司，北京 100089；2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044）

基坑采用鋼筋混凝土環形支撐體系能充分發揮混凝土材料性能，具有土方開挖方便、主體結構施工空間寬敞、支撐拆除量少、施工周期短等特點。文獻[1-3]討論了單環形混凝土支撐的設計及受力特性，但是對于幾何形狀比較復雜的深基坑，采用單環形支撐的適用性相對較差，龔昕等[4]提出了直徑相等的雙圓環形混凝土支撐體系，并分析了雙圓環形支撐受力合理性及工程適用性。

本文以北京地鐵R4 線北京朝陽站的地下3 層和地下4 層基坑支護結構體系設計為背景。該基坑具有平面形狀不規則、基坑內部存在坑中坑、開挖深度不同、周邊附加荷載不對稱等特點。為確保本工程基坑安全，根據基坑幾何形狀特點及周邊荷載條件，提出采用直徑不相等的雙環形鋼筋混凝土內支撐體系并成功實施。本文詳細討論了其布置和施工步序，建立三維數值分析模型，并結合監測結果分析了基坑開挖階段雙環形內支撐體系的受力和變形規律。

1 工程概況

北京地鐵R4 線北京朝陽站(原名：星火站)是高鐵北京朝陽站交通樞紐的組成部分，整個樞紐的地下1 層為一體化交通集散廳(換乘大廳)，地下2 層為地鐵R4 線和M3 線北京朝陽站的站廳層，地下3 層為地鐵R4 線北京朝陽站的設備層、風道附屬結構以及地鐵M3 線北京朝陽站的站臺層，地下4 層為地鐵R4 線北京朝陽站的站臺層，另外，樞紐北側的地下1 層和地下2 層設置了地下停車場。樞紐基坑平面布置及功能分區如圖1、圖2 所示。

圖2 高鐵北京朝陽站交通樞紐1-1 剖面Figure 2 Section 1-1 of the traffic hub of Beijing Chaoyang Railway Station

地鐵R4 線北京朝陽站地下1 層和地下2 層基坑深度為18.25 m，并與整個樞紐基坑共坑開挖，采用地下連續墻+錨索支護體系，地下3 層基坑深度為30.27 m，地下4 層基坑深度為40.45 m。

基坑位置地層自上而下依次為雜填土、黏土、粉質黏土、細中砂、圓礫和卵石、黏土、粉細砂。場區內地下水類型分別為上層滯水、潛水、層間水以及承壓水，其中上層滯水主要賦存于雜填土層中，潛水及層間水主要賦存于粉質黏土與粉細砂土層中，承壓水主要賦存于卵石層和細中砂層。

2 鋼筋混凝土雙環形內支撐體系設計

2.1 基坑特點分析

1) 地下3 層為整個樞紐基坑的坑中坑，平面形狀不規則，存在多處陽角和陰角。地下4 層為地下3 層的坑中坑。

2) 坑邊附加荷載不對稱：基坑東側緊鄰已經建成的高鐵北京朝陽站，西側、北側和南側為高鐵北京朝陽站樞紐基坑的地下1 層和地下2 層。

相關文獻的研究表明，對于平面幾何形狀非對稱基坑以及基坑周邊存在偏壓所帶來的荷載非對稱基坑，其支護結構的受力及變形表現出明顯的非對稱特性[5-7]。對于本工程這種幾何形狀極為復雜且周邊荷載不對稱的基坑，常規的支護體系難以確保基坑安全。

2.2 雙環形內支撐體系的布置

考慮到基坑的非對稱性，本工程地下3 層基坑的內支撐采用“雙環形鋼筋混凝土支撐+雙拼鋼管對撐”組合型式，其中地下3 層基坑采用雙環形現澆鋼筋混凝土支撐；西側標準段的地下3 層基坑采用混凝土支撐；地下4 層的站臺層基坑為規則的長條形，采用雙拼鋼管對撐型式。雙環形鋼筋混凝土支撐體系設置如下：

1) 雙環形內支撐體系由大環梁、小環梁、鋼筋混凝土腰梁、鋼筋混凝土支撐和鋼筋混凝土支梁組成。環梁下方設置格構柱，并與環梁連接，格構柱的樁基礎兼作抗拔樁；鋼筋混凝土腰梁與地下連續墻密貼布置，其作用是將受到的荷載均勻傳遞給圍護墻；鋼筋混凝土支撐的兩端與鋼筋混凝土腰梁連接；鋼筋混凝土支梁呈放射狀布置，其一端與環梁連接，另一端與鋼筋混凝土腰梁連接。大環梁、小環梁、鋼筋混凝土腰梁、鋼筋混凝土支撐和鋼筋混凝土支梁組成平面網架結構，作為一個整體共同承受不同方向的荷載。

2) 基坑北側區域設置一個直徑為29 m 的單圓環形支撐，南側區域設置一個直徑為65 m 的單圓環形支撐，其中大環撐為A、B 兩個基坑所共用，兩圓環相交區域設置支撐連系桿件，確保環梁內力的分解和傳遞。

地下3層基坑的雙環形支護體系布置如圖3所示，地下4 層基坑的鋼支撐對撐體系布置如圖4 所示。

圖3 地下3 層基坑的雙環形內支撐平面布置Figure 3 Layout of the double-ring inner bracing system of the third layer of the foundation pit

圖4 地下4 層基坑(北京朝陽站站臺層)內支撐平面布置Figure 4 Layout of the bracing system of the fourth layer of foundation pit (platform floor of Xinghuo Station)

雙環形內支撐結構參數如表1 所示。

表1 雙環形支撐體系的結構參數Table 1 Parameters of double ring support system structure

地下3 層和地下4 層基坑支護結構剖面如圖5 所示，其中地下4 層基坑為地鐵R4 線北京朝陽站的站臺層基坑，形狀為規則的長條形，采用?800，壁厚t=20 mm 的雙拼鋼支撐作為對撐。

圖5 地下3 層和地下4 層基坑支護結構剖面Figure 5 Profile of the support structure for the third and fourth floors of the foundation pit

3 雙環形內支撐支護體系施工步序

施工步序見圖6。

圖6 基坑雙環形支撐體系施工步序Figure 6 Construction steps of double ring support system of foundation pit

步序1：施工地下3 層和地下4 層基坑地下連續墻及導墻，達到設計強度后，施工墻頂冠梁。

步序2：開挖地下3 層基坑至鋼筋混凝土腰梁位置，施工立柱樁(兼抗拔樁)。

步序3：立柱樁達到設計強度后，進行鋼筋混凝土腰梁及大、小雙環撐結構(鋼筋混凝土支撐、鋼筋混凝土支梁及鋼筋混凝土環梁)的施作。

步序4：待雙環撐支撐結構達到設計強度后，分區、分層開挖至地下3 層基坑底，并對地下3 層和地下4 層基坑連接部位進行高壓旋噴加固。

步序5：繼續開挖地下4 層基坑至鋼腰梁設計標高后，施作地下4 層基坑地連墻墻頂冠梁，并架設地下4 層基坑的鋼腰梁、雙拼鋼支撐。

步序6：分層開挖地下4 層基坑(站臺層基坑)土方至坑底。

4 雙環形內支撐受力及變形特性模擬分析

4.1 計算模型

模型尺寸為330 m×345 m×120 m，模型底部設置為固定約束，四周為水平單向約束，基坑東側鄰近高鐵北京朝陽站為地上3 層結構，根據《建筑結構荷載規范》[8]關于建筑物荷載取值方法，將高鐵北京朝陽站等效為60 kPa 的附加荷載，計算模型如圖7～8 所示。X方向、Y方向、Z方向分別代表基坑寬度、長度和深度方向(X表示東西方向，Y表示南北方向)。土體本構模型采用Plastic-Hardening 塑形硬化本構模型，高壓旋噴樁加固地層的效果通過采用提高土體物理力學參數的方式進行模擬[9]。

圖8 基坑支護體系有限元模型Figure 8 Finite element model of support system of foundation pit

地層及結構物理力學參數如表2～3 所示。

表2 地層物理力學參數Table 2 Physical-mechanical parameters of soils

表3 結構物理力學參數Table 3 Physical-mechanical parameters of structures

4.2 計算結果及分析

4.2.1 圍護結構水平位移

圖9 為基坑圍護結構水平變形計算取值點的布置(含環梁和鋼筋混凝土支撐軸力測點)，圖10 為基坑不同位置圍護結構水平位移變化曲線。

圖10 基坑不同位置圍護結構水平位移曲線Figure 10 Horizontal displacement curves for retaining structure at different positions of foundation pit

計算結果表明：

1) 西側的CX1 測點和東側的CX2 測點所處位置的基坑深度相同，西側的CX5～CX10 測點和東側的CX11～CX16 測點所處位置的基坑深度相同，但是圍護結構水平位移存在明顯的西側小、東側大的特點，主要原因在于東側的圍護結構鄰近高鐵北京朝陽站，基坑承受了高鐵站房結構的附加荷載。

2) 南側的CX3 測點所處位置的基坑開挖深度比北側的CX4 測點大，所以基坑圍護結構變形呈現明顯的北側小、南側大的特點。

3) 上述所有取值點的基坑圍護結構水平變形均小于20 mm 的允許變形值，表明基坑圍護結構具有足夠的抗彎剛度。

在荷載非對稱、基坑開挖深度非對稱的影響下，圍護墻的水平變形呈現明顯的非對稱，勢必影響環形內支撐的受力狀態，因此有必要對環撐的內力進行計算分析。

4.2.2 環梁軸力

基坑開挖過程中，大、小環撐的環梁典型測點的軸力變化曲線如圖11 所示。

圖11 環梁軸力變化曲線Figure 11 Axial force variation curve of ring beam during foundation pit excavation

計算結果表明：

1) 隨著基坑的開挖，環形支撐的環梁軸力逐漸增大，其中，大環撐的環梁軸力約為小環撐的兩倍，Z7測點處環梁軸力最大，為6 608.8 kN，但仍小于控制值14 169.5 kN。

2) 基坑開挖至A 區坑底時，大環撐和小環撐的環梁各點軸力均有較為明顯的差異，總體來看，南側和東側的環梁軸力較大。主要原因是受基坑開挖深度不同及基坑東側建筑荷載的影響，南側及東側的土壓力較大，經地連墻、圍檁、輻射狀支撐傳遞后，導致環梁受力不均勻。

4.2.3 鋼筋混凝土支撐和鋼筋混凝土支梁軸力

軸力云圖如圖12 所示，計算結果表明：

圖12 鋼筋混凝土支撐和鋼筋混凝土支梁軸力云圖Figure 12 Cloud diagram of axial force of concrete brace and concrete bracing beam

1) 幾乎所有鋼筋混凝土支撐的所受軸力均為壓力，且大環撐的鋼筋混凝土支撐軸力大于小環撐。

2) 部分輻射狀的鋼筋混凝土支梁出現拉應力，但數值并不大。

4.2.4 雙環形支撐彎矩分布

圖13 為雙環形支撐彎矩分布云圖，環梁承受的最大彎矩為1 863.3 kN·m，彎矩較大值主要集中在鋼筋混凝土支撐和環梁的連接處，表明連接部位存在應力集中現象。

圖13 雙環形支撐彎矩云圖Figure 13 Cloud diagram of bending moment of double-ring support system

4.2.5 雙環形內支撐的變形特點

基坑開挖至坑底后的雙環形內支撐位移云圖如圖14 所示。

圖14 雙環形支撐位移云圖Figure 14 Cloud diagram of displacement of double ring support system

計算結果表明：由于基坑周邊附加荷載及基坑開挖深度不同，環梁向坑內收斂值各不相同，其中南側和東側收斂值相對較大，但最大收斂值為11.9 mm，小于收斂控制值20 mm，表明雙環形內支撐整體剛度較大，能有效約束環梁的變形。

5 雙環形內支撐受力及變形監測結果分析

5.1 雙環形內支撐軸力監測值

圖15為部分鋼筋混凝土環梁測點的支撐軸力監測值變化曲線，表4 為軸力的模擬值、監測值及控制值對比。

表4 各監測點軸力模擬值、監測值及控制值對比Table 4 Comparison of axial force simulation values, monitoring values, and control values for each monitoring points

圖15 鋼筋混凝土環梁軸力監測值變化曲線Figure 15 Curve showing changes in monitoring value of axial force in the ring double-ring support system

各個測點的軸力模擬值和實測值比較接近，并且各個測點的軸力監測值均小于最大軸力控制值，表明雙環形支撐結構體系安全可靠。

5.2 圍護結構位移監測值

圖16 為CX1、CX2、CX3、CX4 測點的圍護結構水平位移曲線，與圖10 的計算結果對比，二者的位移分布和位移最大值均比較吻合，且實測的圍護結構各點水平位移最大值均小于控制值(20 mm)。

圖16 圍護結構水平位移實測變化曲線Figure 16 Measured curve of horizontal displacement of the retaining wall of the foundation pit

6 結論

為解決北京地鐵R4 線北京朝陽站地下3 層和地下4 層深基坑由于平面形狀不規則、坑中有坑以及基坑周邊附加荷載不對稱所帶來的支護體系設計問題，研發了鋼筋混凝土雙環形內支撐體系，并成功應用于本工程的基坑支護。

1) 雙環形內支撐體系由大環梁、小環梁、鋼筋混凝土腰梁、鋼筋混凝土支撐和鋼筋混凝土支梁組成，環梁下方設置格構柱，并與環梁連接，格構柱的樁基礎兼作基坑抗拔樁；鋼筋混凝土腰梁與地下連續墻密貼布置；鋼筋混凝土支撐的兩端與鋼筋混凝土腰梁連接；鋼筋混凝土支梁呈放射狀布置，其一端與環梁連接，另一端與鋼筋混凝土腰梁連接。大環梁、小環梁、鋼筋混凝土腰梁、鋼筋混凝土支撐和鋼筋混凝土支梁組成平面網架結構，作為一個整體共同承受不同方向的荷載。

2) 數值模擬和現場實測結果表明：采用雙環形內支撐的基坑圍護結構變形、鋼筋混凝土支撐和環梁軸力、環梁收斂等指標均滿足控制值要求，表明雙環形內支撐體系結構剛度大，可以較好地控制基坑圍護結構變形。

3) 本工程的基坑開挖與結構施工實踐表明，雙環形支撐體系的環梁內部為無支撐開敞區，有利于基坑土方開挖和主體結構施工。