肖芳

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

為確保地下空間結(jié)構(gòu)施工及基坑周邊環(huán)境的安全，避免基坑及其支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的變形，甚至導(dǎo)致不可控的工程事故，必須對(duì)深基坑側(cè)壁及周邊環(huán)境采取一定的支護(hù)措施[1]。目前基坑支護(hù)有多種形式，排樁加內(nèi)支撐是目前應(yīng)用較多的一種支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)支撐系統(tǒng)由于具有無須占用基坑外側(cè)地下空間資源、可提高整個(gè)圍護(hù)體系的整體強(qiáng)度和剛度，以及可有效控制基坑變形和保護(hù)周邊環(huán)境能力強(qiáng)的特點(diǎn)，而得到了大量的應(yīng)用。

本文依托石灣文化廣場(chǎng)工程，結(jié)合工程現(xiàn)狀、場(chǎng)地環(huán)境條件，對(duì)排樁加內(nèi)支撐體系進(jìn)行計(jì)算分析，提供一個(gè)深基坑工程的設(shè)計(jì)實(shí)例。

1 工程概況

該工程位于佛山市禪城區(qū)石灣街道石灣文化公園內(nèi)?；匚鱾?cè)為鎮(zhèn)中路，且西側(cè)佛山地鐵2號(hào)線正在建設(shè)，北側(cè)為三友南路，東側(cè)為茂祥路。該地塊總用地面積27 153.91 m2。根據(jù)對(duì)該地塊開發(fā)計(jì)劃，地下擬建為公交樞紐站、機(jī)動(dòng)車地下停車庫(kù)、地下商業(yè)、地下通道及配套用房等綜合性的交通樞紐一體化工程項(xiàng)目。項(xiàng)目總建筑面積約為28 225.99 m2，地下兩層，地上一層。該工程建筑形狀大致成三角形。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)相關(guān)工程巖土工程勘察報(bào)告，地表地形有一定起伏，呈東西向分布。地面標(biāo)高在8.0～11.2 m。其中，西北角地勢(shì)最低，地面標(biāo)高為8.0 m，東北角地面標(biāo)高為10.0 m，東南角地面標(biāo)高為11.2 m。在原始地貌上屬第三系殘丘及山前沖積平原，后經(jīng)人工填土整平，建成公園。在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造范圍上，基巖中未見斷裂構(gòu)造形跡，巖石總體穩(wěn)定性較好，僅局部風(fēng)化基巖節(jié)理面見滑動(dòng)擦痕。場(chǎng)地基底巖石為古近系寶月組（E2by）風(fēng)化基巖，不是灰?guī)r地區(qū)，不存在土洞、溶洞等巖溶現(xiàn)象，不存在采空區(qū)。場(chǎng)地地形開闊平坦，不存在滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。在鉆探過程中未發(fā)現(xiàn)全新活動(dòng)斷裂等不良地質(zhì)作用。佛山市禪城區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度。穩(wěn)定水位埋深在1.50～2.80 m。廣場(chǎng)區(qū)域內(nèi)主要分布有六種地層（見表1）。

表1 設(shè)計(jì)區(qū)域主要地層物理力學(xué)參數(shù)

殘積中砂夾層主要為含水層，僅東側(cè)局部分布。其他土層與風(fēng)化巖層含水貧乏，透水性差。淤泥質(zhì)土層也僅在東側(cè)局部分布。

3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基坑工程為二層地下室基坑，局部為一層地下室基坑，基坑邊長(zhǎng)約為660 m，基坑占地面積約為19 670 m2。該項(xiàng)目現(xiàn)狀場(chǎng)地絕對(duì)標(biāo)高約8.650 m，基坑整平至絕對(duì)標(biāo)高8.000 m。基礎(chǔ)底板厚800 mm，基底設(shè)置100 mm厚的墊層。該項(xiàng)目地下室底板東側(cè)淺、西側(cè)深，東側(cè)開挖深度為9.85 m，西側(cè)開挖深度為10.25 m，東北側(cè)開挖深度為5.95 m。其中分布有雜填土、粉質(zhì)黏土、殘積粉質(zhì)黏土。

該地塊的地下結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且成不規(guī)則形狀。該工程基坑的二層結(jié)構(gòu)段基坑深約10 m，一層結(jié)構(gòu)段基坑深約6 m。考慮到該基坑周邊環(huán)境條件極為復(fù)雜，周邊25 m范圍內(nèi)有地鐵、商場(chǎng)、居民樓、市政管線和道路等多項(xiàng)重要建筑與設(shè)施，對(duì)基坑沉降和水平位移均極為敏感。按照全國(guó)及廣東省建筑基坑支護(hù)的有關(guān)規(guī)范和規(guī)定[2-3]，以及該地下室西側(cè)緊貼既有地鐵車站和地鐵隧道結(jié)構(gòu)，北側(cè)靠近禪城區(qū)中心醫(yī)院，東側(cè)為茂祥路，且其下尚未發(fā)現(xiàn)埋設(shè)市政管線，故該基坑支護(hù)工程安全等級(jí)西側(cè)、北側(cè)為一級(jí)，東側(cè)為二級(jí)。

該工程選用鉆孔灌注樁為擋土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)由兩道臨時(shí)混凝土支撐和216根型鋼格構(gòu)柱構(gòu)成，第一、第二道之間的支撐豎向間距為5.5 m。底板、中板和頂板頂標(biāo)高分別為-1.350 m、2.950 m、7.050 m（8.050 m）?？觾?nèi)降水至最終開挖面下0.5 m,坑外防水主要采用三軸水泥攪拌樁[4],計(jì)算時(shí)選取地面下0.5 m作為坑外側(cè)水位深度。

圍護(hù)樁嵌固深度參照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）要求，采用圓弧滑動(dòng)簡(jiǎn)單條分法并結(jié)合當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選取5.750 m為最終嵌固深度。相應(yīng)的樁布置方式確定西側(cè)、北側(cè)為直徑1.0 m的圓形鉆孔灌注樁，樁間距1.20 m，東側(cè)為直徑0.8 m的圓形鉆孔灌注樁,樁間距1.10 m[2，5-6]?；又ёo(hù)平面布置如圖1所示，典型支護(hù)剖面如圖2所示。

圖1 基坑支護(hù)平面布置圖

圖2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)典型斷面圖（單位：mm）

4 基坑體系剖面計(jì)算

剖面計(jì)算考慮分步開挖、逐道支撐等動(dòng)態(tài)施工因素的影響。豎向開挖過程的圍護(hù)樁按支承在彈性地基上的梁系結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力和變形分析，模擬實(shí)際的施工工序，對(duì)不同的工況計(jì)算內(nèi)力和變形后進(jìn)行綜合包絡(luò)。結(jié)構(gòu)計(jì)算根據(jù)施工過程進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定、強(qiáng)度、變形驗(yàn)算。圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算主要成果見表2。

根據(jù)不同的地質(zhì)鉆孔得到的計(jì)算結(jié)果表明，圍護(hù)墻西側(cè)、北側(cè)最大變形控制在30 mm，東側(cè)最大變形控制在42 mm，均在合理的控制范圍之內(nèi)。灌注樁的最大彎矩約為-1 800 kN·m，最大剪力約為800 kN，灌注樁樁內(nèi)力在合理范圍內(nèi)。計(jì)算得到的整體穩(wěn)定安全系數(shù)約為2，抗傾覆安全系數(shù)大于2，坑底抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)大于3.5，均滿足規(guī)范規(guī)定的要求。上述變形與內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)前選擇的灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以滿足要求。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力匯總表

5 基坑內(nèi)支撐平面計(jì)算

將支撐結(jié)構(gòu)從整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中截離出來，此時(shí)內(nèi)支撐（包括圍檁）形成自身平衡的封閉體系，在周邊的圍檁、內(nèi)支撐上添加適當(dāng)?shù)募s束，進(jìn)行在土壓力作用下的桿系有限元計(jì)算分析。

初始圍壓荷載根據(jù)彈性地基梁法計(jì)算得到的內(nèi)支撐反力進(jìn)行取值。因基坑外的土層情況不同，東側(cè)有殘積中砂夾層與淤泥質(zhì)土層，西側(cè)土質(zhì)情況較好，因此通過剖面計(jì)算得來的東側(cè)支撐的土壓力作用遠(yuǎn)大于西側(cè)的土壓力作用，從而使內(nèi)支撐體系在上述不平衡荷載作用下，向荷載小的西側(cè)整體“漂移”。而支撐體系在產(chǎn)生剛體位移的同時(shí)，必然要受到豎向圍護(hù)墻及其外圍土體的約束作用，并進(jìn)一步引起墻后土壓力的重新分布，直至達(dá)到新平衡。由于土壓力的重分布,使作用在支撐上的水平荷載也得到重新調(diào)整。為使計(jì)算結(jié)果趨于合理，在平面計(jì)算時(shí)采用在內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的西側(cè)施加虛擬的法向均布彈簧的辦法，來模擬周邊圍護(hù)墻及外圍土體對(duì)內(nèi)支撐的約束作用，圍護(hù)墻和土體對(duì)內(nèi)支撐的約束作用一般不考慮受拉，所以加設(shè)的應(yīng)是單向彈簧?；拥谝坏浪街巫冃吻昂笏轿灰迫鐖D3所示。內(nèi)支撐平面計(jì)算指標(biāo)見表3。

圖3 基坑第一道水平支撐計(jì)算變形圖

表3 支撐系統(tǒng)信息表

通過平面計(jì)算結(jié)果可以得出，支撐體系整體上可以滿足水平受力的要求，內(nèi)支撐整體位移趨勢(shì)合理，能夠滿足相應(yīng)的規(guī)范要求。

6 結(jié)語(yǔ)

基坑采用雙軸攪拌樁止水帷幕+鉆孔灌注樁+兩道內(nèi)支撐進(jìn)行支護(hù)，支撐在布置上避開了軸線位置，不影響結(jié)構(gòu)柱的施工。支撐至坑底的凈距為3 m以上，滿足小挖機(jī)的施工操作凈空要求。計(jì)算結(jié)果表明：支護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移發(fā)生在拆除第二道支撐后，西側(cè)（鄰近地鐵側(cè)）為26.3 mm，北側(cè)為29.4 mm，均小于一級(jí)基坑支護(hù)工程水平位移控制值（30 mm）；東側(cè)為41.9 mm，小于二級(jí)基坑支護(hù)工程水平位移控制值（50 mm）；該工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案是合理的，滿足規(guī)范要求。支撐采用對(duì)撐和角撐的支撐形式，有效減小了圍檁的變形和內(nèi)力，該圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力從總體上講皆在合理與可控范圍內(nèi)，可滿足基坑自身穩(wěn)定性和對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求。