曹笑顰

(深圳市市政設(shè)計研究院有限公司， 廣東 深圳 518029)

隨著城市地下空間的不斷開發(fā)利用，越來越多的基坑工程靠近既有地下室，傳統(tǒng)的樁+錨索工藝在施工空間上受到限制，而斜拋撐結(jié)構(gòu)布置靈活，可局部應(yīng)用于基坑支護(hù)體系，相對于整體內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，方便土方開挖，可以縮短工期、減少造價，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

本文以深圳崗廈舊城改造項目1#地塊基坑支護(hù)為工程背景，介紹了斜拋撐的設(shè)計及施工過程和施工期間的監(jiān)測結(jié)果。

有限元方法為基坑工程分析的重要手段，Clough、Simpson、Ou[1～3]等采用有限元方法對基坑開挖進(jìn)行了模擬。本文采用Midas/GTS對施工工況進(jìn)行三維有限元模擬，分析了基坑開挖過程中的坑頂變形、圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移和支撐軸力的變化情況。通過分析比較計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)，筆者提出了一些類似工程的設(shè)計建議和有效加固措施，以期給類似基坑工程提供一定的參考。

1 工程概況

崗廈舊城改造項目1#地塊位于深圳市福田區(qū)，北臨深南大道，西臨金田路，東側(cè)為空地，南側(cè)為福崗園高層住宅，建筑用地面積約2.5萬m2，總建筑面積約24.5萬m2， 3層地下室，基坑周長約688 m，基坑深度13.3～16.3m。目前該基坑開挖完成，地下室底板已澆筑完畢，基坑變形穩(wěn)定。福崗園高層住宅有一層地下室，采用人工挖孔樁基礎(chǔ)，其北側(cè)為本項目待挖基坑，西側(cè)為中洲地產(chǎn)在建基坑，兩地塊基坑挖通，在福崗園西北側(cè)形成一個陽角，中洲項目基坑采用排樁+兩道對撐支護(hù)結(jié)構(gòu)，平面布置圖如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)平面布置圖

地層巖性從上到下依次為雜填土、有機(jī)質(zhì)細(xì)砂、粉質(zhì)粘土、中砂、全風(fēng)化～微風(fēng)化花崗巖。場地內(nèi)地下水有填土層中上層滯水、砂層中孔隙潛水及下伏基巖強(qiáng)～中風(fēng)化層中裂隙承壓水。含水層富水性較好，透水性較強(qiáng)，接受大氣降水和側(cè)向逕流補給。地下水水位埋深在2.20～4.20 m，平均3.02 m。

2 基坑支護(hù)設(shè)計

2.1 方案比選

方案一：樁+整體內(nèi)支撐方案

整體內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)剛度大，控制變形能力強(qiáng)，可適用于本項目，然而基坑占地面積大，內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，土方開挖施工空間小，施工時間長，再加上后期地下室施工拆撐工序，總工期長且造價高，故不采用此支護(hù)方案。

方案二：整體樁+錨索方案，靠近福崗園側(cè)采用大直徑樁+斜拋撐或者雙排樁支護(hù)

采用樁錨支護(hù)體系，能為基坑開挖提供較大工作面，且錨索工藝廣泛應(yīng)用于深圳深基坑支護(hù)，施工工藝成熟、速度快，且造價低。本項目北側(cè)、西側(cè)和東側(cè)均采用樁錨方案施工。

對于南側(cè)靠近福崗園段坑壁距離挖孔樁基礎(chǔ)僅7.7 m，錨索施工無法避開福崗園樁基礎(chǔ)。若采用雙排樁方案施工，需侵占本項目外地塊，而最多利用空間也僅有5 m，雙排樁支護(hù)施工操作面狹窄，且前后排樁間距小，不利于控制基坑變形。

結(jié)合基坑周邊環(huán)境、工程工期，通過方案比選，基坑南側(cè)采用大直徑樁+斜拋撐支護(hù)結(jié)構(gòu)，攪拌樁止水[4,5]。

2.2 樁+斜拋撐設(shè)計和施工

設(shè)計采用大直徑圍護(hù)樁+攪拌樁止水+斜拋撐+臨時鋼管撐的支護(hù)形式。圍護(hù)樁樁徑1.4 m，間距1.6 m，采用旋挖樁機(jī)跳鉆施工，樁頂設(shè)置一道1.4 m×0.8 m鋼筋混凝土冠梁，為減小陽角點變形，陽角位置設(shè)置背拉梁；樁后采用攪拌樁止水，攪拌樁直徑0.55 m，間距0.4 m，采用四攪四噴工藝，每米水泥用量不少于55 kg/m，攪拌樁止水帷幕需穿透砂層，進(jìn)入殘積土或全風(fēng)化不少于1.5 m控制。鋼筋混凝土斜拋撐截面尺寸0.8 m×0.8 m，間距6.4 m，其支撐在坑底承臺上，承臺下設(shè)置兩根直徑0.8 m抗滑墩。

施工順序為先施工攪拌樁和旋挖樁，土方開挖至臨時鋼管撐標(biāo)高處時，坑內(nèi)預(yù)留平均寬度約15 m的土條，臨時鋼管支撐在土條上，鋼管施工完畢后再進(jìn)行土方開挖，施工腰梁、承臺、抗滑墩和斜撐，達(dá)到強(qiáng)度后拆除臨時鋼管支撐系統(tǒng)，再挖除反壓土方，開挖至基坑底。

在基坑開挖完成后，坑頂水平位移變形速率增加較快，設(shè)計采用鋼管支撐進(jìn)行加固，在已施工抗滑墩承臺上植筋，施工混凝土牛腿，鋼管的一端頂在牛腿上，另一端頂在已施工腰梁上，節(jié)點處采用鋼板及螺栓連接。斜拋撐布置剖面如圖2所示，現(xiàn)場施工照片如圖3所示。

3 監(jiān)測結(jié)果

施工過程中通過對基坑坡頂水平位移、深層水平位移(測斜)及支撐軸力監(jiān)測，密切關(guān)注基坑變形，對變形趨勢作出評價，必要時需采取加固措施處理。

圖2 斜拋撐布置剖面圖/mm

圖3 現(xiàn)場施工照片

斜拋撐段于2011年5月開始施工，2011年8月底鋼筋混凝土斜拋撐施工完畢并拆除臨時鋼管支撐，坑頂變形約17 mm；在斜撐以下反壓土挖除以后坑頂水平位移約27 mm，在隨后的一段時間，坑頂變形增加速率較快，在2011年12月達(dá)到約42 mm，為控制變形進(jìn)一步發(fā)展，采用鋼管支撐進(jìn)行加固。鋼管撐施工完畢后，坑頂變形穩(wěn)定在55 mm左右?？拥兹斯ね诳讟妒┕み^程中，坑頂水平位移繼續(xù)增大至68 mm，陽角點變形最大值達(dá)72 mm。挖孔樁施工完成后，坑頂變形穩(wěn)定。水平位移監(jiān)測隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4 水平位移監(jiān)測隨時間變化曲線

測斜監(jiān)測值由上向下逐漸變小，頂部位移值最大，約70 mm，與水平位移監(jiān)測結(jié)果基本一致。

現(xiàn)場采用鋼筋應(yīng)力計對支撐軸力進(jìn)行監(jiān)測，支撐軸力計算公式為：

(1)

式中，P為支撐軸力；Ec為混凝土的彈性模量,C30混凝土彈性模量為30 kN/mm2；Es為鋼筋的彈性模量,HRB335鋼筋彈性模量為200 kN/mm2；σt為鋼筋應(yīng)力，現(xiàn)場監(jiān)測最大值為60 MPa；A為混凝土截面積，為6.4×105mm2。

根據(jù)式(1)計算得支撐軸力最大值5760 kN，則斜拋撐最大壓應(yīng)力為9 MPa，小于C30混凝土強(qiáng)度設(shè)計值14.3 MPa。

從現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果來看，鋼管加固以后，斜拋撐軸力最大值由之前的5760 kN減小為5200 kN，減小幅度約10%。

4 三維數(shù)值分析

4.1 計算模型

用Midas/GTS有限元計算軟件建立三維模型進(jìn)行分析，福崗園地下室結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，福崗園人工挖孔樁、抗滑墩、斜拋撐、鋼管撐和腰梁采用梁單元模擬，圍護(hù)樁等效為地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，采用板單元模擬，巖土體、承臺和牛腿采用五面體實體單元模擬，水泥攪拌樁考慮為加固后的土體，巖土體本構(gòu)模型采用Mohr～Coulomb彈塑性本構(gòu)模型[6,7]。劃分網(wǎng)格完成后模型一共含單元約5萬個，網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 三維有限元模型

圍護(hù)樁樁徑1.4 m，間距1.6 m，根據(jù)等效連續(xù)墻計算公式計算得等效連續(xù)墻厚度h為1.12 m。

等效連續(xù)墻厚度計算公式：

(2)

式中，d為排樁的單樁直徑，取值1.4 m；bk為排樁的相鄰樁中心間距，取值1.6 m。

計算假定：(1) 不考慮基坑開挖和降水對土體性質(zhì)的影響，基坑開挖期間土體按不排水條件考慮，不考慮滲流和固結(jié)的影響；(2) 迭代計算方法采用Newton-Raphson法[8,9]；(3) 收斂標(biāo)準(zhǔn)采用位移收斂標(biāo)準(zhǔn)；(4) 彈塑性材料流動法則為相關(guān)聯(lián)流動法則；(5) 施工期間作用在基坑周邊的荷載按照20 kPa考慮；(6) 由于福崗園工程樁為挖孔樁，且挖孔樁進(jìn)入中風(fēng)化土層，其上部結(jié)構(gòu)荷載由挖孔樁承擔(dān)，模型未模擬上部結(jié)構(gòu)；(7) 實際施工中第一步鋼管支撐為考慮斜拋撐施工和養(yǎng)護(hù)而設(shè)置，其支撐在預(yù)留土條上，斜拋撐施工完成后拆除，其為臨時支撐，本模型未模擬。計算所采用的參數(shù)見表1所示。

表1 各個地層巖土工程參數(shù)

4.2 施工步驟

數(shù)值分析按如下施工步進(jìn)行模擬：

(1) 初始荷載步：激活所有土體單元，施加自重荷載，位移歸零，計算初始應(yīng)力場；

(2) 施工步一：基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，激活圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元；

(3) 施工步二(第一步開挖)：開挖第一部分土體(挖至第一道斜拋撐位置)，鈍化基坑范圍內(nèi)第一部分的土體單元。

(4) 施工步三(斜拋撐施工)：激活腰梁、斜拋撐、承臺和抗滑墩單元；

(5) 施工步四(第二步開挖)：開挖至基坑底，鈍化斜拋撐以下土體單元；

(6) 施工步五(鋼管加固)：激活牛腿和鋼管撐單元。

4.3 計算結(jié)果分析

(1) 基坑頂水平位移

通過計算可以看出，開挖至斜拋撐位置時，基坑頂水平位移約30 mm，隨著基坑的開挖，坑頂水平位移逐漸變大，在基坑開挖到坑底時，支護(hù)水平位移最大48 mm，鋼管施工后，坑頂水平位移穩(wěn)定在48 mm，較監(jiān)測結(jié)果值55 mm略小。基坑開挖至坑底后水平位移云圖如圖6所示。

圖6 基坑開挖至坑底水平位移變形云圖

基坑開挖至坑底后采用鋼管支撐加固，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移隨深度變化情況計算結(jié)果及監(jiān)測情況如圖7所示。圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線呈撓曲線的形式，變形頂部大，下部小，最大位移發(fā)生在坑頂。

圖7 基坑開挖至坑底時圍護(hù)樁側(cè)移計算值與實測值

(2) 斜拋撐支撐軸力

斜拋撐采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其截面尺寸為0.8 m×0.8 m，根據(jù)三維計算結(jié)果，隨著基坑開挖，斜拋撐軸力逐漸變大，開挖到坑底后，其最大軸力約4950 kN，鋼管支撐施工后斜拋撐軸力未發(fā)生變化。

5 監(jiān)測與計算結(jié)果比較分析

實際監(jiān)測結(jié)果較三維有限元計算結(jié)果大，筆者分析有以下原因：

(1) 福崗園三面均為在挖基坑，福崗園與本項目基坑間為寬度5～8 m的狹長土條，根據(jù)庫倫土壓力靜力平衡理論[10]，假定福崗園工程樁不發(fā)生位移，滑動楔形體由三角形變?yōu)樘菪?，計算中，主動土壓力折減。而實際施工過程中排水管破裂，福崗園另外三側(cè)均施工了止水?dāng)嚢铇叮鬯写送翖l區(qū)域排泄不暢通，一來降低土層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，引起主動土壓力增大，二來此地段含有4～5 m厚的砂層，水壓力直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，引起支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生向坑內(nèi)的變形。

(2) 福崗園西側(cè)為中洲項目基坑，兩地塊基坑挖通，在福崗園西北角形成一個陽角，中洲基坑采用排樁+兩道對撐支護(hù)結(jié)構(gòu)，陽角點位置受空間效應(yīng)的影響為一個薄弱點，受兩側(cè)土體擠壓，其變形較大[10]。

(3) 人工挖孔樁靠近坑壁開挖，密集且為大直徑樁，坑底土方開挖引起基坑被動土壓力減小，也會引起坑頂位移增大，挖孔樁澆筑完成后變形穩(wěn)定，整個人工挖孔樁期間基坑坡頂位移累計增加約13 mm。

6 結(jié)論與建議

(1) 對于大面積基坑工程，在鄰近既有地下室地段，錨索施工空間受到限制，斜拋撐結(jié)構(gòu)布置靈活，可局部應(yīng)用于基坑支護(hù)體系。相對于整體內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)而言，此支撐體系簡單、土方開挖方便、工期縮短，造價降低，具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

(2) 從監(jiān)測結(jié)果可以看出，2011年9月斜撐以下反壓土挖除，其坑頂水平位移約27 mm，在隨后的一段時間，坑頂變形增加速率較快，在2011年12月達(dá)到42 mm，土體變形的發(fā)生有一個時間段，因此建議此段先留土反壓，斜撐以下土體可待挖孔樁施工前再挖除，開挖完成后需及時施工地下室底板，盡量減少基坑暴露時間。

(3) 建議此類項目施工過程中需重視土條處地下水疏排，盡量減小地下水對基坑的影響。

(4) 在基坑開挖期間，坑頂位移達(dá)到報警值后采用了鋼管支撐進(jìn)行加固，鋼管直接頂在陽角點坑頂冠梁處，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，鋼管支撐及時有效的控制了坑頂位移，且其施工方便，可回收利用，此種形式可作為一種加固措施應(yīng)用于類似工程中。

(5) 當(dāng)工程樁采用人工挖孔樁時，基坑支護(hù)設(shè)計需充分考慮人工挖孔樁施工對基坑變形的不利影響，并在實際施工時采取分批跳挖、增加臨時支撐等措施，確?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。本工程挖孔樁施工期間，基坑坡頂水平位移累計增加約13 mm。

(6) 拋撐結(jié)構(gòu)對后期地下室施工影響較大。地下室底板需留洞，二次澆注，拋撐施工還涉及底板分塊防水處理、拆撐換撐等問題，且鋼筋混凝土拋撐、抗滑墩和承臺等施工均需一定齡期養(yǎng)護(hù)，建議此類支護(hù)形式中選擇大直徑支護(hù)樁，加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，減少拋撐工程量，從而減小拋撐結(jié)構(gòu)施工對工期和變形控制的不利影響。

[1] Clough G W, Weber P R, Lamont J. Design and Observation of a Tied-back Wall [C]// Proceeding ASCE Specific Conference on Performance of Earth and Earth-Supported Structure. New York: Purdue University, 1972: 1367-1390.

[2] Simpson B.Thirty-second rankine lecture retaining structures displacement and design[J]. Geotechnique, 1992, 42(4): 541-767.

[3] Ou C Y, Lai C H. Finite element analysis of deep excavation in layered sandy and clayey soil deposits[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1994, 31(2): 204-214.

[4] 劉國彬, 王衛(wèi)東. 基坑工程手冊(第二版)[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2009.

[5] JGJ 120-99, 建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[6] 王浩然, 王衛(wèi)東, 徐中華. 基坑開挖對臨近建筑物影響的三維有限元分析[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2009, 5(s2): 1512-1517.

[7] 薛 蓮, 傅 晏, 劉新榮. 深基坑開挖對臨近建筑物的影響研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2008, 4(5): 847-851.

[8] 李 萍, 鄧小鵬, 相建華, 等. 基坑開挖與支護(hù)模擬的位移迭代法[J]. 巖土力學(xué), 2005, 26(11): 1815-1818.

[9] 武亞軍, 欒茂田, 任漢鋒. 深基坑支護(hù)設(shè)計增量法的理論分析及其應(yīng)用[J]. 工業(yè)建筑, 2004, 34(9): 1-4.

[10] 張克恭, 劉松玉. 土力學(xué)[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2001.