章萬勝

(中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司,天津 300074)

0 引 言

為適應(yīng)城市地下空間利用水平的不斷提升，控制周邊環(huán)境受到的基坑開挖影響，排樁加鋼筋混凝土內(nèi)支撐方式的應(yīng)用日漸廣泛，圓環(huán)支撐體系則屬于該方式的典型應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)基坑變形的有效控制、支撐體系安全性的更好保障。為更好開展軟土地區(qū)深基坑支護，正是本文圍繞多圓環(huán)支撐結(jié)構(gòu)開展具體研究的原因所在。

1 工程概況

以某建筑工程作為研究對象，工程設(shè)有3層地下室，基坑周長、基坑面積分別為820 m、38 500 m2，基坑平面呈不規(guī)則狀，存在15.4～16.7 m的開挖深度?；又苓叚h(huán)境復(fù)雜，環(huán)境保護要求較高，市政管線和建筑物密布，周邊存在包括磚混結(jié)構(gòu)建筑、框架結(jié)構(gòu)建筑、機動車道、市政管線、地鐵站。圍繞工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件進行分析可以發(fā)現(xiàn)，較厚填土層普遍分布于場地內(nèi)，主要存在第四系沖洪積相和湖沼相沉積地層，以粉土、黏性土、泥炭質(zhì)土層為主，地下水屬于承壓水和孔隙型潛水，場地承壓水、潛水穩(wěn)定水位埋深分別為6.5～7.0 m、0.5～2.0 m，工程場地屬于典型的軟土地區(qū)[1]。

2 基于多圓環(huán)支撐結(jié)構(gòu)的深基坑設(shè)計

2.1 基坑特點分析

結(jié)合工程實際分析基坑特點可以發(fā)現(xiàn)，基坑主要三方面特點。第一，基坑形狀不規(guī)則、開挖深度和面積較大，且存在顯著的基坑空間效應(yīng)；第二，軟弱土層會受到基坑開挖直接影響，靈敏度較高的軟弱土層受擾動后會出現(xiàn)明顯下降的物理力學(xué)性質(zhì)，同時存在顯著的基坑時間效應(yīng)；第三，多層厚層狀粉土分布于基坑開挖深度范圍內(nèi)，存在具有承壓性的粉土層內(nèi)賦存地下水，如地下水控制措施無法發(fā)揮預(yù)期效用，流土和管涌情況將出現(xiàn)，周邊環(huán)境也會受到負面影響。

2.2 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

為應(yīng)對形狀不規(guī)則的基坑，角撐+對撐結(jié)合邊桁架的傳統(tǒng)基坑支護布置方案需要使用大量桿件，這類桿件需要穿越基坑內(nèi)部，土方開挖、地下室結(jié)構(gòu)施工的順利開展會受到嚴重負面影響?；诨悠矫嫘螤詈凸こ虒嶋H，工程采用了多圓環(huán)支撐結(jié)構(gòu)(三圓環(huán))，無支撐覆蓋區(qū)域因此得以最大限度形成，土方開挖和主體施工由此獲得了有力支持，圖1為多圓環(huán)支撐結(jié)構(gòu)和監(jiān)測點平面布置示意圖，圖2為基坑典型剖面圖[2]。

圖1 多圓環(huán)支撐結(jié)構(gòu)和監(jiān)測點平面布置示意圖

圖2 基坑典型剖面圖

基于圖1桿系布置及檢測點進行分析可以發(fā)現(xiàn)，工程設(shè)置對撐桁架于基坑中部陽角部位，基坑由此被劃分為東西兩個區(qū)域。西區(qū)、東區(qū)分別布置144.14 m、102.83 m直徑的圓環(huán)，環(huán)梁軸力轉(zhuǎn)換桿件設(shè)置于兩圓環(huán)相交區(qū)域，以此分解和傳遞環(huán)梁推力。設(shè)置50.0 m直徑的獨立圓環(huán)于基坑南側(cè)角部，采用對撐桁架連接大圓環(huán)，應(yīng)力集中可由此減少。設(shè)置角撐于基坑角部，結(jié)合圓環(huán)徑向桿件設(shè)置角撐和對撐的連桿，以此保證局部區(qū)域受力平衡實現(xiàn)，同時水平力的傳遞和圓環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定可獲得途徑支持。增設(shè)鋼筋混凝土板(厚200 mm)于東西兩環(huán)梁相交區(qū)域和存在較小環(huán)形支撐體系結(jié)構(gòu)剛度的區(qū)域，多圓環(huán)支撐結(jié)構(gòu)的支撐可靠性和安全性因此進一步提升。工程完全避開建筑的豎向構(gòu)件進行支撐體系的平面布置，建筑向上施工主體結(jié)構(gòu)可在不拆撐的情況下持續(xù)開展，工程工期因此縮短，具體采用C35等級的混凝土桿件。此外，為基于截水帷幕隔斷坑外與坑內(nèi)地下水的水力聯(lián)系，工程針對性設(shè)置了 650@400單軸水泥土攪拌樁2排[3]。

3 基坑監(jiān)測結(jié)果及施工問題處理

3.1 基坑監(jiān)測結(jié)果

基于圖1所示的監(jiān)測點布置(監(jiān)測點布置圖)，工程針對性開展了基坑的環(huán)梁軸力監(jiān)測、土體深層水平位移監(jiān)測、周邊建筑物沉降監(jiān)測?；诃h(huán)梁軸力監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)，在澆筑完成第1道支撐梁分區(qū)后，土方開挖基于島式開挖法進行，此時需保證澆筑強度達到設(shè)計要求。南側(cè)小圓環(huán)投影范圍內(nèi)的出土需在開挖過程中得到保障，并采用東南角和西北角、東北角和西南角對稱開挖的方案，最后開挖南北向?qū)畏秶鷥?nèi)土方，基于土方開挖順序控制支撐梁施工順序。工程共開展25d土方開挖(支撐工作面范圍內(nèi))，監(jiān)測點YL1-1～YL1-5存在持續(xù)增加的支撐軸力。在開挖第2道支撐梁下方土體后，監(jiān)測點YL2-1～YL2-5存在持續(xù)增加的支撐軸力，YL2-3、YL2-4、YL2-2分別檢測到20 500 kN、15 000 kN、14 000 kN的軸力，對應(yīng)的設(shè)計值分別為23 371 kN、17 475 kN、22 535 kN，可見實測結(jié)果均處于設(shè)計值范圍內(nèi)。開展針對性分析可以確定，存在實測值與計算值相差較大的第1道環(huán)梁最大軸力，相較于計算值，監(jiān)測點YL1-3～YL1-5存在偏大的實測值，第2道圓環(huán)支撐軸力的計算值與實測值基本吻合。之所以出現(xiàn)偏差，主要原因是由于盲目趕工，工程未能嚴格遵循分層、分段、對稱的土方開挖原則，不平衡的首道支撐快速加載引發(fā)了很多問題。第2道支撐下土方開挖對施工流程進行了針對性優(yōu)化控制，因此得到在可控范圍內(nèi)增長的支撐內(nèi)力，基坑工程的安全使用得到了保障。

基于土體深層水平位移監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)，支撐體系剛度較小的基坑?xùn)|側(cè)和西側(cè)中段屬于基坑抗水平變形薄弱區(qū)域，坑底附近存在最大土體深層水平位移，這種位移與軟弱土層的分布深度關(guān)聯(lián)較為密切，圖3為深層土體水平位移示意圖?；趫D片進行分析可以確定，存在78.5 mm的最大深層土體水平位移值，且位移發(fā)展在分區(qū)內(nèi)底板澆筑完成后仍然存在，變形停止出現(xiàn)于完全封閉地下室底板后，封閉分區(qū)底板至完全封閉地下室墊層期間存在18.5%的最大土體水平位移增量，基坑的時空效應(yīng)因擾動高靈敏度軟土帶來的強度降低而強化；基于周邊建筑物沉降監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)，周邊建筑存在較大的整體沉降量，但具體值處于20.0 mm的控制值內(nèi)，分析數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)建筑距離基坑邊的距離與其豎向位移聯(lián)系緊密。

圖3 深層土體水平位移示意圖

3.2 施工問題處理

在軟土地區(qū)深基坑多圓環(huán)支撐結(jié)構(gòu)施工中，工程針對性處理一系列施工問題，主要包括基坑側(cè)壁漏水、土方無序開挖，問題的出現(xiàn)源于追求施工進度和開挖不當及開挖速率過快等，地層本身因素與施工問題的出現(xiàn)也存在密切關(guān)聯(lián)。在工程的基坑開挖過程中，兩處涌水量較大的漏水點出現(xiàn)于基坑?xùn)|南側(cè)和南側(cè)的粉土層中，為針對性處理基坑側(cè)壁漏水問題，施工單位立即停止了漏水點處土方開挖，為規(guī)避漏水擴大，針對性開展了沙袋圍堰反壓控制，并采用雙液灌漿處理漏水點樁后側(cè)，漏水點的有效封堵得以實現(xiàn)，快速及時的漏水點處理使得周邊環(huán)境及建筑物未受到不良影響；在基坑第一道支撐下方土體的開挖過程中，施工單位過于追求施工進度，具體的土方開挖未能嚴格遵循“對稱、分段、分層”原則開展，因此先開挖區(qū)域出現(xiàn)了急劇變化的地面豎向位移和深層水平位移，以及遠超過設(shè)計值的支撐體系內(nèi)力監(jiān)測值?；谏鲜鰡栴}，施工單位開展了多次書面交涉，最終工程施工單位對現(xiàn)場土方開挖與支護結(jié)構(gòu)施工進行了統(tǒng)一協(xié)調(diào)，“對稱、分段、分層”原則在后續(xù)施工中得以嚴格落實，同時施工嚴格遵循了“先換撐后拆撐、限時封閉、先撐后挖”原則，周邊環(huán)境變形發(fā)展及支撐內(nèi)力控制得以較好實現(xiàn)，施工安全和質(zhì)量也得到了較好保障，深基坑多圓環(huán)支撐結(jié)構(gòu)施工最終得以高質(zhì)量順利完成。

4 結(jié)束語

綜上所述，多圓環(huán)支撐結(jié)構(gòu)可較好用于軟土地區(qū)深基坑工程中。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計、基坑監(jiān)測結(jié)果、施工問題處理等內(nèi)容，則結(jié)合實例提供了可行性較高的多圓環(huán)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用路徑。為更好應(yīng)對軟土地區(qū)深基坑，多圓環(huán)支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)用還需要關(guān)注局部應(yīng)力集中問題的規(guī)避、土方開挖速率和順序的控制，以此應(yīng)對軟土地區(qū)深基坑工程，但由于多圓環(huán)支撐結(jié)構(gòu)的成本相對較高，地質(zhì)條件較好的一般工程不宜采用這類結(jié)構(gòu)。