不規(guī)則形狀小型深基坑環(huán)框梁支護應(yīng)用

鄔君宇，林祖鍇，羅永健

(廣州市設(shè)計院集團有限公司，廣州 510620)

1 概述

基坑工程的設(shè)計選型通常受地塊周邊環(huán)境的影響很大，若地塊用地緊張，周邊現(xiàn)有建筑較多，基坑距離建構(gòu)筑物較近時，基坑水平體系多數(shù)采用支撐以滿足設(shè)計條件并減少對周邊的擾動，但基坑面積較小時過多內(nèi)支撐會帶來一系列對工程不利情況。

環(huán)框梁支護形式因減少了通常支撐支護體系中的內(nèi)支撐及臨時格構(gòu)柱的布置，從而得以解決了因開挖空間狹小而帶來的施工困難，并有效減少了內(nèi)支撐支護的造價，故多應(yīng)用于規(guī)則形狀(正方形、圓形等)的小型深基坑及盾構(gòu)井[1-11]。在各城市老城區(qū)日益用地緊張的今天，不規(guī)則形狀小型深基坑工程越來越多，本文以廣州地區(qū)一個上述典型基坑為例，詳細介紹環(huán)框梁在不規(guī)則形狀小型深基坑的應(yīng)用，直觀的展現(xiàn)出其支護優(yōu)勢，并結(jié)合基坑開挖后得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，證明了該設(shè)計方案的合理性，從而為越來越多的類似基坑工程提供參考。

2 項目概況

2.1 周邊環(huán)境

項目為廣州市越秀區(qū)某改擴建工程，地塊位于居民區(qū)。北側(cè)與西側(cè)均緊靠市政道路(道路寬6～8 m)，距離擬建地下室邊線僅1～3 m，路對面即為現(xiàn)有建筑；南側(cè)緊鄰現(xiàn)有建筑，距離約為4 m；東側(cè)緊鄰該項目原有且保留建筑(筏板基礎(chǔ)，一層地下室，埋深約為5 m)；四周管線分布密集，存在較多給水管、燃氣管等市政壓力管線。按照擴建建筑設(shè)計圖紙，擬建建筑采用筏板基礎(chǔ)，其地下室邊線距離東側(cè)保留建筑僅3 m距離。該項目場地地形平坦，實測鉆孔高程標(biāo)高約為6.97～8.04 m，與周邊標(biāo)高基本一致(本工程采用廣州高程系統(tǒng)，下同)，周邊環(huán)境如圖1所示。

2.2 基坑概況

擬建工程為2層地上展館，設(shè)置2層地下室?；用娣e約為407 m2，周長約為84 m，形狀不規(guī)則，近似為17 m×24 m的長方形，東南角局部內(nèi)凹。本工程±0.00標(biāo)高相當(dāng)于8.10 m，結(jié)合場地現(xiàn)狀及周邊道路標(biāo)高，施工前對場地適當(dāng)平整硬化至標(biāo)高為8.10 m，考慮墊層及底板厚度0.7 m，地下室底板面標(biāo)高為-2.00 m，故基坑開挖深度為10.8 m。

3 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

項目場地地層分布從上至下依次為：1雜填土、2-1淤泥質(zhì)土、2-2粉細砂、3-1粉質(zhì)粘土、4-1全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、4-2強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、4-3中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、4-4微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。根據(jù)勘察報告及鉆孔情況淤泥質(zhì)土及粉細砂僅存在地塊的西南角，其余區(qū)域土層均為雜填土及粉質(zhì)粘土。場地地下水埋深為4.75～6.52 m，類型主要為潛水和基巖裂隙水，潛水主要賦存于填土層和沖積層，基巖裂隙水主要存于泥質(zhì)粉砂巖中，總體上地下富水性一般。基坑支護計算采用巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)見表1所示。

表1 地層物理力學(xué)指標(biāo)

4 基坑支護設(shè)計及分析

4.1 支護等級及豎向支護方式確定

本項目基坑開挖深度較深，存在淤泥質(zhì)土與砂層軟弱土層，周邊環(huán)境復(fù)雜，因而根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定基坑支護安全等級為一級，基坑支護結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1[12]，基坑環(huán)境等級為一級。由于擬建地下室邊線距離保留淺基礎(chǔ)建筑只有3 m，且緊鄰市政路，周邊管線復(fù)雜，施工用地緊張，綜合上述實際條件，本基坑支護豎向采用直徑1 m的咬合樁并兼做止水，樁間距0.8 m(本文主要闡述分析該項目水平支護方式，垂直支護方式對比選型在此不詳細展開)。

4.2 水平結(jié)構(gòu)比選及計算

根據(jù)周邊環(huán)境，水平支護結(jié)構(gòu)初定為按常規(guī)布置的鋼筋混凝土內(nèi)支撐：基坑四角布置角撐，東南角設(shè)置角撐板，長邊設(shè)置一道對撐[13](如圖2所示)。此方案提出后施工現(xiàn)場反饋，基坑內(nèi)部布置過多內(nèi)支撐后施工難度很大，后續(xù)設(shè)備進出基坑及施工材料調(diào)入調(diào)出極為不便；其次，由于施工場地有限，施工單位提出需增設(shè)板撐以供現(xiàn)場臨時堆載及轉(zhuǎn)運。根據(jù)地塊情況并結(jié)合施工需求，最終確定西南角不規(guī)則處設(shè)置對撐支護，將基坑分為長方形及近似正方形兩個規(guī)則形狀區(qū)域，后利用空間效應(yīng)采取環(huán)框梁進行支護，西南角長方形區(qū)域設(shè)置支撐板(如圖3所示)。此方案中水平體系既大量節(jié)省內(nèi)支撐，方便施工設(shè)備及材料的進出，又提供臨時堆載空間，而若直接全部采用純環(huán)框梁設(shè)計(如圖4所示)，則不能滿足施工的全部需求，且經(jīng)試算不滿足基坑變形要求(后文詳細計算對比)。

本項目基坑支護設(shè)計計算采用北京理正深基坑支護結(jié)構(gòu)軟件進行計算，包含分區(qū)單元計算及整體計算[14]。

如圖5、圖6所示，為內(nèi)支撐+環(huán)框梁水平布置體系時(見圖3)兩個典型剖面圖及其相應(yīng)單元計算位移結(jié)果。圖5剖面進行單元計算時將環(huán)框梁的抗彎剛度轉(zhuǎn)化為等效的冠梁剛度，其根據(jù)如下公式：

K=3L×EI/a2(L-a)2

(1)

式中：

K——冠梁剛度估算值，MN/m；

a——樁、墻位置，m；

L——冠梁長度，m；

EI——冠梁截面剛度，MN·m2，

I——截面對X軸的慣性矩。

根據(jù)單元計算結(jié)果可以看出，環(huán)框梁區(qū)域向坑內(nèi)變形最大為27.76 mm，對撐區(qū)域向坑內(nèi)變形最大為14.54，對撐限制基坑變形效果優(yōu)于環(huán)框梁，但兩種水平布置最大變形均控制在30 mm以內(nèi)，滿足一級基坑變形要求；在單元計算滿足基坑相關(guān)規(guī)范條件的基礎(chǔ)上，進一步計算內(nèi)支撐+環(huán)框梁布置的整體變形情況，并且同時計算本文3.2中圖4純環(huán)框梁的整體變形情況進行，即對加對撐分為兩個近似規(guī)則形狀后采用環(huán)框梁與整體直接采用環(huán)框梁支護進行對比，可以得出圖7、圖8所示的結(jié)果。

圖7 內(nèi)支撐+環(huán)框梁整體計算示意

圖8 純環(huán)框梁整體計算示意

從計算結(jié)果可以看出，內(nèi)支撐+環(huán)框梁的整體變形與單元計算結(jié)果基本保持一致，深層水平位移最大控制在30 mm以內(nèi)，而純環(huán)框梁水平支護形式位移偏大超過45 mm，不滿足規(guī)范中對一級基坑變形要求，故無法直接采用純環(huán)框梁的水平支護方式。

4.3 結(jié)果對比分析

從上面對比可以看出：基坑采用純環(huán)框梁時，由于形狀不規(guī)則，空間效應(yīng)無法有效利用，基坑長邊會有較大變形；而把基坑分為兩個近似規(guī)則形狀后，對撐在局部不規(guī)則形狀位置處限制了變形，從而使整體的環(huán)框梁變形更小，兩部分環(huán)框梁的三維空間效應(yīng)更顯著，在設(shè)計層面證明了上述做法的可行性；本項目根據(jù)深化試算結(jié)果，環(huán)框梁大小取為1.5 m×1.0 m(肥槽為1.0 m)，支護梁不會侵入地下室施工范圍，便減少了換撐工況，進而減少可能帶來的基坑過大變形及支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力突變，從而提高了安全性；從施工角度來看，環(huán)框梁的應(yīng)用增大了基坑內(nèi)部的施工空間，大量減少了內(nèi)支撐的施工與拆除，并且完全避開了主體結(jié)構(gòu)，為出土、物料轉(zhuǎn)運、施工提供了更多有利條件。

5 實際效果

本項目基坑自開始施工支護樁至回填歷時4個月，施工過程中經(jīng)歷了雨季的考驗，目前整個項目已竣工驗收并投入使用。基坑使用期間分別對冠梁頂(環(huán)框梁)水平垂直位移、支護樁深層水平位移按照規(guī)范要求頻率進行了監(jiān)測記錄。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋，基坑內(nèi)部無滲漏，變形位移、環(huán)框梁及支撐受力均較小，始終處于安全狀態(tài)。基坑環(huán)框梁水平位移最大變形量為14.57 mm，與圖5單元計算基本一致；深層水平位移最大變形量為26.76 mm，與圖7整體計算結(jié)果基本一致；實際監(jiān)測中環(huán)框梁及深層水平位移出現(xiàn)最大值位置與圖7整體計算出現(xiàn)最大變形位移位置一致，均位于基坑長邊東側(cè)中部。上述現(xiàn)象主要由于基坑?xùn)|側(cè)較大跨度且只采用環(huán)框梁水平支護，并緊靠淺基礎(chǔ)保留建筑，附加荷載最大，導(dǎo)致開挖后此位置變形位移最大，這也證明了設(shè)置一條對撐后采用環(huán)框梁支護的必要性。結(jié)合對保留建筑及周邊管線的沉降與位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，均小于規(guī)范要求變形，說明基坑開挖并未影響到附近建構(gòu)筑物的使用。從實際應(yīng)用層面證明了內(nèi)支撐+環(huán)框梁的可行性與安全性?；娱_挖到底后現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 基坑現(xiàn)場示意

6 結(jié)語

1) 不規(guī)則形狀小型深基坑不宜直接采用純環(huán)框梁支護，但可根據(jù)實際形狀對基坑進行分塊處理，采用內(nèi)支撐等形式近似分割成規(guī)則形狀后采用環(huán)框梁進行支護。

2) 通過設(shè)計計算與實際工程應(yīng)用表明上述基坑支護形式安全可靠，根據(jù)實際項目情況類似基坑工程可采用內(nèi)支撐+環(huán)框梁支護形式。

3) 環(huán)框梁水平支護體系是三維空間效應(yīng)在基坑工程中的一個應(yīng)用，其受力模式相對復(fù)雜且不明確，故在實際應(yīng)用時需考慮如跨度，基坑形狀，環(huán)框梁大小等多種因素以保證基坑安全。

4) 上述支護形式減少了多數(shù)內(nèi)支撐布置，一方面節(jié)約工程造價，并縮短了工期；另一方面，為大型機械提供了較大施工空間，對主體結(jié)構(gòu)影響減到最小，有明顯的社會與經(jīng)濟效益。