趙 摯 南

(天津市勘察院， 天津 300191)

某基坑工程支護設(shè)計與變形分析

趙 摯 南

(天津市勘察院， 天津 300191)

通過對工程項目概況的了解，結(jié)合工程的地質(zhì)狀況，在分析了開挖對周圍小區(qū)和地鐵干線影響的狀況下，對平?jīng)鼋值?2街坊商辦地塊項目進行基坑開挖和支護進行了設(shè)計。鑒于基坑工程深度大，周圍環(huán)境復(fù)雜，并且緊鄰地鐵隧道，為了減少開挖對周圍環(huán)境的影響，合理的進行施工。根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)狀況及基坑的特點，采用明挖順做法進行施工，圍護體采用地下連續(xù)墻、灌注樁結(jié)合止水帷幕兩種形式。對在深基坑施工過程中的支護結(jié)構(gòu)及周圍的環(huán)境變形進行監(jiān)測方案的設(shè)計，并就施工對周圍環(huán)境的影響進行分析。結(jié)果表明可滿足該工程的穩(wěn)定性要求和對周圍環(huán)境的影響，為進一步研究其他基坑和類似工程提供借鑒。

基坑支護設(shè)計；監(jiān)測；環(huán)境影響分析；數(shù)值模擬

土木工程具有地質(zhì)條件的不確知性、土性參數(shù)的不確定性以及荷載條件的多樣性等特點[1-3]，因此，監(jiān)測工作顯得十分必要[4-7]。以前的學(xué)者多對建筑基坑及地鐵深基坑施工監(jiān)測進行了較為廣泛的研究，左殿軍等[8]通過ABAQUS研究了深基坑開挖對周圍環(huán)境的影響，得出地表沉降和襯砌位移隨著開挖深度的增加而增加；張陳蓉等[9]基于位移控制理論，對板式支護體系由于基坑開挖而導(dǎo)致周圍土體位移場變化規(guī)律進行了探討，為研究周圍土體的變形提供了一定的借鑒；木林隆等[10]通過基于小應(yīng)變的基坑開挖計算理論公式以及與有限元的對比，得出開挖深度越小對樁基的影響越?。欢陙磲槍o鄰地鐵的基坑分析研究也在進行著，王樹和等[11]通過建立三維非線性模型，分析了不同管線與基坑距離、管線埋深、土釘長度、土釘間距等因素作用下，地下管線位移分布和變化規(guī)律；蔡武林[12]通過運用數(shù)值模擬軟件，研究了深基坑對鄰近地鐵隧道的影響，與現(xiàn)場監(jiān)測對比發(fā)現(xiàn)效果良好；黃兆緯等[13]分析了地鐵上蓋基坑開挖對地鐵隧道變形的影響，并采用了土體加固和分級開挖對地鐵隧道的變形進行分析研究，結(jié)果表明效果良好；郭典塔等[14]通過研究基坑對隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響，提出優(yōu)化結(jié)構(gòu)剛度、施工工藝和加強監(jiān)測來控制基坑開挖的影響；張世民等[15]在杭州市蕭山區(qū)彩虹大道某深基坑開挖過程中，對基坑下穿地鐵隧道位移和收斂進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)該地鐵隧道以豎向變形為主，開挖期間需嚴格控制；本項目的基坑工程開挖面積較大，周圍環(huán)境復(fù)雜，緊鄰地鐵，以此基坑工程為研究對象，對基坑開挖過程中基坑的支護結(jié)構(gòu)以及周圍環(huán)境進行監(jiān)測，對類似工程具有一定的工程實踐意義[16-19]。

1 研究內(nèi)容

對平?jīng)鼋值?2街坊商辦地塊項目進行基坑圍護設(shè)計及基坑開挖對周邊環(huán)境的影響進行分析評估。具體內(nèi)容如下：

(1) 基坑圍護的設(shè)計及施工安全性評估；

(2) 基坑開挖對周邊環(huán)境的影響分析；

(3) 減小基坑開挖對周邊環(huán)境影響的保護措施。

2 工程概況及周圍環(huán)境

擬建建筑物地上主要有2幢23層辦公樓、1幢16層辦公樓、1幢10層辦公樓及5幢2～3層商業(yè)，擬建場地整體下設(shè)三層局部二層地下車庫，樁筏基礎(chǔ)。本工程地下設(shè)置三層地下室(北側(cè)局部設(shè)置二層地下室)。地下二層基坑挖深11.80 m，地下三層基坑挖深16.10 m(主樓挖深16.9 m)?；涌偯娣e約26 779 m2，外圍周長約811 m；地下二層基坑面積約3 531 m2，周長約444 m；地下三層基坑面積約23 248 m2，周長約774 m。本工程基坑安全等級為一級?；又苓叚h(huán)境總體情況如圖1所示。

基坑北側(cè)：為長陽路，下為已建地鐵十二號線，道路下分布有污水管、雨水管、配水管、供電線和信息管線。長陽路以北沿街為10幢磚混房屋(商鋪)。

基坑?xùn)|側(cè)北段：鄰近遼陽路道路下分布有雨水管、供水管和燃氣管。

基坑?xùn)|側(cè)南段：靠近遼海小區(qū)

基坑南側(cè)：鄰近霍山路，道路下分布有雨水管、配水管、燃氣管、供電線和信息管線?；羯铰芬阅蠟楦臄U建上海市市東中學(xué)。

圖1 擬建場地環(huán)境示意圖

基坑西側(cè)：鄰近荊州路，道路下分布有燃氣管、雨水管、配水管和信息線。荊州路以西為中國現(xiàn)代國之寶藝術(shù)館。

本工程周邊地下室外墻與紅線退界約為5.1 m～11.9 m，地下室外墻與周邊道路下管線最近距離約為7.4 m。

3 支護方案選型分析

3.1 支護總體設(shè)計

靠近地鐵側(cè)采用小坑分區(qū)(見圖2)，南北向?qū)挾瓤刂圃?7 m，東西寬度為60 m左右，最大程度減少對地鐵的影響；基坑其余部分采用大坑分區(qū)(A區(qū)、B區(qū)、C區(qū))，基坑面積控制在1萬m2以內(nèi)，減少基坑開挖對周邊環(huán)境特別是遼海小區(qū)的影響。

本工程分區(qū)后，各分區(qū)面積適中，支撐長度對傳力的不利影響降低，故建議采用明挖順作法。

圖2 本工程分區(qū)平面布置方案

3.2 支護體設(shè)計

本工程開挖深度約16.1 m(主樓16.9 m)/11.8 m，周邊環(huán)境條件復(fù)雜。根據(jù)上海地區(qū)已實施的大量基坑工程的成功實踐經(jīng)驗，類似基坑工程的圍護體一般采用地下連續(xù)墻、灌注樁結(jié)合止水帷幕兩種形式。

結(jié)合本工程主體結(jié)構(gòu)特點、基坑的開挖深度、面積及周圍環(huán)境因素，本工程基坑外圍及小坑分隔墻建議采用地下連續(xù)墻的圍護形式，大坑分隔墻可采用灌注樁結(jié)合止水帷幕或地下連續(xù)墻的圍護形式。圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)表

3.3 支撐設(shè)計

對于順作施工方案，基坑應(yīng)設(shè)置臨時水平支撐。對靠近地鐵的小坑分區(qū)，第一道為鋼筋混凝土對撐，第二、三道支撐采用鋼支撐軸力自動伺服系統(tǒng)，既可以加快施工速度，又可以有效施加預(yù)應(yīng)力，有效控制變形。

3.3.1 水平支撐系統(tǒng)設(shè)計

本基坑第一道支撐分布范圍布置施工棧橋。本支撐平面布置見圖3、圖4(圖中陰影區(qū)域為棧橋范圍)。

圖3 第一道支撐平面布置示意圖

圖4 第二、三道支撐平面布置示意圖

支撐混凝土強度等級為C35。支撐中心標(biāo)高、桿件截面尺寸等詳見表2、表3。

表2 A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)支撐截面參數(shù)表

表3 DEF區(qū)支撐截面參數(shù)表

3.3.2 豎向支撐系統(tǒng)設(shè)計

本工程中采用臨時鋼立柱及柱下鉆孔灌注樁作為水平支撐系統(tǒng)的豎向支承構(gòu)件。

地下二層臨時鋼立柱采用由等邊角鋼4L140×14綴板焊接而成的型鋼格構(gòu)柱，地下三層臨時鋼立柱采用由等邊角鋼4L160×16綴板焊接而成的型鋼格構(gòu)柱，截面為480 mm×480 mm，型鋼型號為Q235B，鋼立柱插入立柱樁(鉆孔灌注樁)中不少于3 m，鋼立柱在穿越底板的范圍內(nèi)需設(shè)置止水片。立柱樁采用?800灌注樁，立柱樁應(yīng)充分利用工程樁。

3.4 基坑降排水

本工程建議采用真空深井對地下三層基坑進行疏干降水，基坑開挖前即要進行基坑降水，超前降水時間控制在20 d以上，降水深度應(yīng)達到開挖面以下1.0 m。地下二層基坑已采用攪拌樁封底，無需設(shè)置降水井。

井管采用?273 mm鋼管，壁厚不小于4 mm，成孔直徑不小于?700 mm，疏干井井深23 m，布置在地下三層區(qū)域內(nèi)。

4 設(shè)計計算

4.1 計算原則和假定

(1) 豎向開挖過程的基坑圍護按支承在彈性地基上的梁系結(jié)構(gòu)進行內(nèi)力和變形分析，模擬實際的施工工序，對不同工況計算內(nèi)力和變形。

(2) 確定圍護結(jié)構(gòu)的入土深度時，根據(jù)坑底土層的工程力學(xué)指標(biāo)進行墻體的抗傾覆和整體穩(wěn)定性以及墻前基底土體的抗隆起和抗管涌穩(wěn)定性驗算。

(3) 坑外土體土壓力按朗肯土壓力模式計算，水土分算，C、φ值取固結(jié)快剪峰值指標(biāo)。

(4) 地面附加荷載普遍取20 kPa；遼海小區(qū)住宅按每層15 kPa計。

(5) 地下水位：地下水位按地表下0.5 m計。

4.2 圍護體剖面計算結(jié)果

本工程采用同濟啟明星基坑分析軟件(Frws7.2版本)計算，計算工況模擬施工流程，具體見附錄。主要計算結(jié)果見表4、表5。

表4 基坑內(nèi)力及變形計算結(jié)果匯總

表5 基坑穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果匯總

注：KL為基坑底部土體的抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)(一級基坑不小于2.2)；Kq為墻底部土體的抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)(一級基坑不小于2.5)；Kc為圍護墻結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)(一級基坑不小于1.2)；Ko為圍護墻結(jié)構(gòu)的圓弧整體穩(wěn)定性安全系數(shù)(不小于1.25)。

從計算結(jié)果可知，計算各項指標(biāo)均能滿足一級基坑的設(shè)計要求。

5 基坑開挖對周邊環(huán)境影響分析

根據(jù)本項目的周邊環(huán)境，本工程基坑開挖的主要保護對象為地鐵、道路和道路下埋管線。因圍護形式及保護對象的不同，根據(jù)分析需要，選取3個斷面(挖深11.8 m、16.1 m、16.9 m)進行計算分析：計算斷面1分析對象為普遍區(qū)域，保護對象為道路及管線；計算斷面2分析對象為北側(cè)區(qū)域，保護對象為地鐵；計算斷面3分析對象為南側(cè)區(qū)域，保護對象為遼海小區(qū)天然地基住宅。計算結(jié)果見圖5、圖6。

有限元計算所得圍護結(jié)構(gòu)變形及鄰近管線位移結(jié)果見表6～表9。

表6 基坑?xùn)|側(cè)計算結(jié)果

圖5 水平位移云圖

根據(jù)上述計算，可以看出對應(yīng)于基坑周邊管線、地鐵與本工程的距離，因基坑開挖施工造成的基坑周邊管線、地鐵及在建住宅沉降量均滿足保護要求。

圖6 垂直位移云圖

表9 基坑南側(cè)(斷面三)計算結(jié)果

綜合上述并結(jié)合類似工程經(jīng)驗，本工程基坑施工對周邊環(huán)境的影響均在規(guī)范控制標(biāo)準內(nèi)[20-21]，滿足對周邊環(huán)境的保護要求。

6 結(jié) 論

(1) 根據(jù)對基坑穩(wěn)定性、圍護墻體位移及基坑開挖對周邊環(huán)境的影響分析表明：靠近地鐵側(cè)采用地下連續(xù)墻+一道鋼筋混凝土支撐和二道鋼支撐軸力自動伺服系統(tǒng)的圍護方案，其它側(cè)采用地下連續(xù)墻(內(nèi)部分隔墻采用灌注樁結(jié)合止水帷幕)+三道鋼筋混凝土水平支撐的圍護方案，靠近遼海小區(qū)天然地基住宅側(cè)坑邊12 m范圍內(nèi)墊層加厚至200 mm，可滿足基坑自身的穩(wěn)定性及對周邊環(huán)境的保護要求。

(2) 由于基坑開挖深度深，在土方開挖和支撐過程中嚴格遵循時空效應(yīng)理論，采用分層分塊開挖的方法，限時完成支撐施工；基坑開挖至坑底設(shè)計標(biāo)高后，及時(8 h內(nèi))澆筑墊層，以控制基坑變形、保護環(huán)境安全。

(3) 在基坑內(nèi)均勻布置深井井點進行施工超前降水，疏干加固土體，以提高土體抗剪強度，改善施工條件。降水標(biāo)高應(yīng)達到最終坑底開挖面以下0.5 m～1.0 m。

(4) 建議施工過程中應(yīng)對圍護結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境進行全程施工監(jiān)控，并采取必要的工程措施和管理手段，使基坑施工過程中對環(huán)境影響降至最低程度[22-23]。

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Support Design and Deformation Analysis of Foundation Pit Engineering

ZHAO Zhinan

(TianjinInstituteofGeotechnicalInvestigationandSurveying,Tianjin300191,China)

Based on the project profile and its geological conditions, after analyzing the influence of the excavation in the surrounding area and the main subway line, this paper designed the pit excavation and support about 22 square building of the Pingliang street. Because of the great depth of foundation pit engineering, the complex surrounding environment, and engineering close to the subway tunnel, it need to be constructed carefully. According to the local geological conditions and the characteristics of the foundation pit, we adapt Open Cut Methods Construction Technology, and fender construction were raised by using Underground Diaphragm Wall and Bored Pile combined with Water Proof Curtain. The design of the monitoring scheme for the deformation of supporting structure and surrounding environment during the progress of constructing the deep pit is carried out. At the same time, the effect of construction on the neighboring environment is analyzed. The results show that the scheme can meet the stability requirements and the influence to the surrounding environment is acceptable, and provide reference for further study of other foundation pit engineering and similar projects.

supporting design of foundation pit; monitoring; environmental impact analysis; simulation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.029

2017-02-01

2017-03-02

趙摯南(1988—)，男，天津人，助理工程師，主要從事管線測量方面的工作。 E-mail：362615644@qq.com

TU433

A

1672—1144(2017)03—0142—06