王自勵 吳慧 李娜 張文學(xué)

0 引言

根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，截至2021 年5 月全國城鎮(zhèn)化率為63.89%，9 億人口生活在城市，十年間我國增長了14.21%。依據(jù)發(fā)達(dá)國家的先例，發(fā)達(dá)國家的城市化率大約在80～85%之間。在今后的十年中，我國基本完成城市化的進(jìn)程。隨著城市化進(jìn)程的進(jìn)一步發(fā)展，城市的地上空間和日益增加的人口之間是必須亟待解決的問題。城市空間的拓展不斷的壓縮耕地空間。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，2019 年全國城區(qū)面積200 569.51km，2011 年城區(qū)面積183 618.02km，8 年時(shí)間城區(qū)面積增加了16 951.49km。十屆全國人大五次會議提出“一定要守住全國耕地18 億畝這條紅線，堅(jiān)決實(shí)行最嚴(yán)格的土地管理制度”，人口聚集地亦是適合種植的耕地區(qū)域，大面積無人區(qū)不適合耕種的窘境。城市建設(shè)用地的矛盾隨著城市化進(jìn)程的不斷深化越來越尖銳，城市沿著地表的拓展空間已經(jīng)達(dá)到極限。為了守住耕地面積，必須從橫向控制城市的發(fā)展。

城市地下空間的開發(fā)是緩解城市土地資源匱乏、增加城市綠化率、改善城市人居環(huán)境、提高居民生活品質(zhì)、解決城市人口快速增長的唯一出路。地下結(jié)構(gòu)具有好的抗震性能、季節(jié)變化對溫度的影響不敏感、可以作為人防工程、空間的開發(fā)利用靈活性大、通道設(shè)置靈活且隱蔽性好等特點(diǎn)，有利于推動城市的經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展。如日本、英國、法國等國家和城市在發(fā)展中也大量地對地下空間進(jìn)行了開發(fā)，建成大量的地下商業(yè)街、地下發(fā)變電站、地下交通通道及樞紐。與此相比，我國各大城市的地下空間開發(fā)利用處于初期階段，除了一線城市的新建城區(qū)對淺層和部分中層地下空間進(jìn)行了開發(fā)利用以外、其他城市對地下空間的利用基本維持在轄地下車庫和城市步行街地下商場中，大部分不超過15m。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)全國87 座城市大約有110 多個(gè)地下商業(yè)街在運(yùn)營。

城市地下空間的開發(fā)在今后必將是一個(gè)新的熱點(diǎn)。所有地下空間的開發(fā)都避不開一個(gè)話題，基坑施工的安全問題，基坑施工的安全問題大部分都是支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全問題?；又ёo(hù)的安全問題大部分都是由于內(nèi)支撐的失效導(dǎo)致的，內(nèi)支撐體系在支護(hù)結(jié)構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用。

根據(jù)某城市軌道交通建設(shè)單位2006 年～2008 年施工事故事件資料統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，此時(shí)間段共發(fā)生施工事故129 起，其中由于基坑坍塌事件27 起、透水涌水9 起、地面沉陷9 起、冒頂1 起，共46 起事件，占總事故的35.6%?；犹?、地面沉陷、透水涌水、冒頂?shù)仁录蚨嗷蛏倥c基坑的穩(wěn)定性、基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)有關(guān)系。

1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形機(jī)理

深基坑在開挖前，豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)均已施工結(jié)束。常見的豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)有：排樁支護(hù)、鋼樁支護(hù)、地下連續(xù)墻、沉井等形式。豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向支承是隨著施工挖掘深度的增加根據(jù)設(shè)計(jì)而逐步施做完成的。隨著基坑施工深度的增加，豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)卸載而導(dǎo)致作用在豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)的外力變化，即對支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向土壓力，豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)在內(nèi)支撐和土壓力的共同作用下出現(xiàn)變形。隨著施工深度的增加，橫向支撐體系中的內(nèi)力也隨之發(fā)生變化。橫向支撐體系的內(nèi)力變化對于基坑開挖的安全起著至關(guān)重要的作用，軸力過小會因?yàn)闄M向支撐體系和豎向基坑坑壁的圍護(hù)結(jié)構(gòu)間的作用弱而發(fā)生橫向支承體系滑落，最終導(dǎo)致基坑坑壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)不足以抵抗土壓力而導(dǎo)致的安全事故發(fā)生；軸力過大的情況下有可能會發(fā)生多種安全隱患。如圖1所示為支護(hù)結(jié)構(gòu)變形過程。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形過程示意圖

深基坑存在與基坑平面幾何形狀、地質(zhì)條件以及支護(hù)形式相關(guān)的坑角效應(yīng)，即在基坑的坑角部位存在硬化現(xiàn)象，坑角部位的位移明顯小于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)邊中部的位移水平；并且此現(xiàn)象隨著基坑深度的增加而變的顯著。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算方法

目前在深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算中，沒有一種較為完善理想的方法對于多支撐結(jié)構(gòu)的地下支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移進(jìn)行有效計(jì)算的方法。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)算中，傳統(tǒng)的使用方法有增量法和有限元法。

增量法考慮了基坑開挖過程中內(nèi)部土體按照施工順序分階段被挖除后架設(shè)內(nèi)支撐后基坑垂直維護(hù)結(jié)構(gòu)和橫向支撐體系的內(nèi)力變化情況。隨著施工階段的變化，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力增加且會發(fā)生重分布的現(xiàn)象。增量法能夠較為真實(shí)地反映施工過程對于支承結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。

另一種常用的方法為有限元法，通過將土體和支承結(jié)構(gòu)以合適的形狀離散通過節(jié)點(diǎn)聯(lián)系單元體，根據(jù)計(jì)算分析的目的選取合適邊界條件，建立剛度矩陣、組集總剛矩陣、求解節(jié)點(diǎn)位移來解決工程問題。

3 工程地質(zhì)條件及支護(hù)結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)某站前下沉式廣場加地下商業(yè)體深基坑地質(zhì)勘察揭示的資料，各層分別為雜填土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土和碎石粉質(zhì)黏土。具體地基土物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 場地各層地基土物理參數(shù)

基坑深度15.6m，采用明挖施工法，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用雙排樁支護(hù)加鋼內(nèi)支撐體系，支護(hù)樁直徑1m，支護(hù)深度與嵌固端深度共30m，設(shè)連梁、腰梁高度1m。

4 監(jiān)測原則及數(shù)據(jù)

在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)檢測方案中，充分考慮不影響施工的前提下，檢測點(diǎn)能反映基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中所有鋼內(nèi)撐的軸力變化、并能充分反應(yīng)雙排樁支護(hù)，支護(hù)樁體中角樁和部分邊樁的內(nèi)力隨基坑開挖和鋼撐內(nèi)力變化時(shí)的響應(yīng)。

在整個(gè)基坑施工過程中，監(jiān)測記錄了雙排樁支護(hù)中樁身和內(nèi)力以及位移變化的過程，對于諸多監(jiān)測數(shù)據(jù)，依據(jù)減少其他因素對于數(shù)據(jù)的干擾，選取基坑支護(hù)邊部中間位置的檢測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，作為反應(yīng)雙排樁在施工中各階段樁身的內(nèi)力和樁頂位移隨著施工的變化數(shù)據(jù)?；觾?nèi)力檢測頻率如圖2 所示。

表2 基坑內(nèi)力檢測頻率

樁頂?shù)臋z測數(shù)據(jù)（如圖2 所示）顯示，隨著檢測時(shí)間的推移樁頂位移逐漸發(fā)展，在發(fā)展到某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，樁頂位移曲線趨于平緩，說明此時(shí)樁頂位移不再隨著時(shí)間的變化趨于穩(wěn)定，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示這個(gè)時(shí)間點(diǎn)會大概在三個(gè)月左右出現(xiàn)。

圖2 樁頂水平位移檢測數(shù)據(jù)

通過數(shù)值模擬和檢測結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，樁頂水平位移的計(jì)算值和實(shí)測值誤差中位數(shù)在2mm 左右，說明數(shù)值模型、邊界條件、加荷方式基本能夠正確的反映實(shí)際基坑支護(hù)內(nèi)力、位移的變化情況。

5 鋼管支撐對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

前后排樁樁身水平位移均沿著深度方向水平位移逐漸減小，而且前后排樁的位移基本一致，說明在承受坑壁土壓力時(shí)雙排樁基可以有效地共同協(xié)調(diào)工作，前后排樁在施工過程中由于是有梁體聯(lián)系，使之形成剛架效應(yīng)，使得在變形過程中兩樁體相互協(xié)調(diào)變形、傳遞支護(hù)結(jié)構(gòu)后側(cè)土壓力和基坑內(nèi)部鋼管支撐和坑底開挖而發(fā)生的卸荷效應(yīng)。

根據(jù)分析數(shù)據(jù)，鋼支撐的道數(shù)對于深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性起著重要的作用，隨著鋼管支撐數(shù)量的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)沿著基坑深度方向的變形會得到有效抑制。隨著鋼支撐數(shù)量的增加，鋼管支撐對于支護(hù)結(jié)構(gòu)位移控制逐漸減弱。所以根據(jù)基坑的開挖深度設(shè)置合適的道數(shù)的橫向支撐體系顯得尤為重要。隨著鋼管支撐數(shù)量的增加工程費(fèi)用的支出數(shù)量也隨之增加，同時(shí)出現(xiàn)的問題還有施工空間不斷被壓縮和分割，使得在施工過程中，機(jī)械操作觸碰到橫向鋼管支撐結(jié)構(gòu)的概率增加，無形中又增加了導(dǎo)致基坑鋼管支撐破壞的其他風(fēng)險(xiǎn)。解決好這一對矛盾才能使得施工中安全和造價(jià)達(dá)到最優(yōu)。從深度的樁頂水平位移的變化情況可以看出設(shè)置三道或者四道橫向鋼管支撐，既可以將基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向位移（如圖3 所示）控制在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。不同鋼管支撐情況下支護(hù)樁樁頂水平位移如圖4 所示。

圖3 樁身水平位移

圖4 不同鋼管支撐情況下支護(hù)樁樁頂水平位移

根據(jù)分析和監(jiān)測數(shù)據(jù)，在基坑施工過程中設(shè)置不同層數(shù)的鋼支撐，對地表沉降的控制能力和影響效果亦不同。首先隨著地表監(jiān)測點(diǎn)距離基坑的距離不斷增加，地表沉降逐漸增加在距離基坑約4.2m 的位置達(dá)到最大值，其后隨著距離基坑邊緣的距離不斷增加沉降逐漸減小，最后趨于收斂穩(wěn)定。其次隨著橫向支護(hù)結(jié)構(gòu)道數(shù)的增加對于地表沉降的控制越明顯，一道、兩道、兩道橫向支撐時(shí)，地表沉降的最大值分別為22.35mm、17.43mm 和9.87mm。由圖5 可以看出三道或者四道支撐結(jié)構(gòu)對于地面沉降的控制明顯優(yōu)于一道支撐。但是過多道數(shù)的橫向支撐結(jié)構(gòu)對于地面沉降控制有限，不能通過過多的增加支撐結(jié)構(gòu)的道數(shù)來控制地面沉降。

圖5 不同道數(shù)橫向支撐下基坑地表沉降

鋼支撐的軸力是影響基坑支護(hù)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，一般通過預(yù)應(yīng)力的形式施加，在基坑開挖過程中，橫向鋼支撐的內(nèi)力是隨著基坑開挖深度的變化而變化的。

一般來說支撐結(jié)構(gòu)的預(yù)加軸力在設(shè)計(jì)軸力的50%到80%之間，過小作用有限，軸力夠高使得后側(cè)土體受到主動土壓力作用，向外發(fā)生傾覆或者局部發(fā)生土體剪切破壞。

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力在設(shè)計(jì)軸力的0%到50%之間時(shí)，樁體的正彎矩最大值減少了不到5%，負(fù)彎矩最大值減小15%左右，樁頂水平位移減少約15%；預(yù)應(yīng)力在設(shè)計(jì)軸力的50%到90%之間時(shí)，最大正彎矩增加了1%左右，最大負(fù)彎矩減小了30%左右，預(yù)應(yīng)力在此區(qū)間，對正彎矩幾乎沒有影響，對于負(fù)彎矩的減小作用非常明顯；樁頂水平位移基本減小為零，甚至出現(xiàn)較小的負(fù)位移，即支護(hù)結(jié)構(gòu)后側(cè)受主動土壓力，在多道支撐體系中適當(dāng)減小首道支撐的預(yù)加軸力，增加其他的各道橫向支撐體系的軸力效果比平均增加效果明顯；最優(yōu)的效果是沿著基坑深度的方向，將設(shè)計(jì)深度一半深度處的支撐結(jié)構(gòu)預(yù)加軸力適當(dāng)加大而降低兩側(cè)橫向支撐體系軸力，對基坑變形及安全的控制更有利，缺點(diǎn)在于對施工的控制的要求高，而且隨著基坑開挖深度的增加要實(shí)時(shí)調(diào)整橫向支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力，并且前期的計(jì)算工作相對較復(fù)雜，對控制軸力的計(jì)算需要不斷的在施工做反饋修正。橫向支撐結(jié)構(gòu)不同預(yù)加力下支護(hù)樁位移對比如圖6 所示。

圖6 橫向支撐結(jié)構(gòu)不同預(yù)加力下支護(hù)樁位移對比

6 結(jié)語

本文從深基坑施工中控制安全的最主要因素之一——橫向支撐層數(shù)和軸力為出發(fā)點(diǎn)通過監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析計(jì)算，得出在雙排樁深基坑支護(hù)中，橫向支撐體系對基坑安全施工的影響。

隨著鋼管支撐數(shù)量的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)沿著基坑深度方向的變形會得到有效抑制，結(jié)論顯示并非越多越好，設(shè)置三道或者四道橫向鋼管支撐，既可以將基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向位移控制在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。

鋼支撐軸向預(yù)加力在設(shè)計(jì)支撐力的50～90%之間時(shí)，對于支護(hù)樁的正彎矩的影響不大，但是對于負(fù)彎矩的減小非?？捎^，支護(hù)樁頂不出現(xiàn)水平位移，甚至為負(fù)位移。通過設(shè)置三道或者四道橫向支撐結(jié)構(gòu)、調(diào)整支撐結(jié)構(gòu)預(yù)加力到設(shè)計(jì)支撐力的50～90%之間時(shí)能有效地控制基坑施工的安全水平。

由于篇幅關(guān)系，本文只選擇橫向支撐中的兩個(gè)因素進(jìn)行了分析計(jì)算。對于深基坑工程具有一定的參考意義。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對于具體問題還需要進(jìn)一步分析，因地制宜，不斷總結(jié)規(guī)律并將相關(guān)規(guī)律經(jīng)過理論分析計(jì)算的驗(yàn)證，形成切實(shí)可靠既有理論支持又有實(shí)踐驗(yàn)證的施工控制方法，將深基坑安全的可靠度進(jìn)一步提高。