復(fù)雜異形深基坑雙環(huán)形內(nèi)支撐體系設(shè)計(jì)及受力變形特性

劉 騰，李兆平，王佳豪，王全賢，崔向陽(yáng)

（1.北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100089；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

基坑采用鋼筋混凝土環(huán)形支撐體系能充分發(fā)揮混凝土材料性能，具有土方開(kāi)挖方便、主體結(jié)構(gòu)施工空間寬敞、支撐拆除量少、施工周期短等特點(diǎn)。文獻(xiàn)[1-3]討論了單環(huán)形混凝土支撐的設(shè)計(jì)及受力特性，但是對(duì)于幾何形狀比較復(fù)雜的深基坑，采用單環(huán)形支撐的適用性相對(duì)較差，龔昕等[4]提出了直徑相等的雙圓環(huán)形混凝土支撐體系，并分析了雙圓環(huán)形支撐受力合理性及工程適用性。

本文以北京地鐵R4 線北京朝陽(yáng)站的地下3 層和地下4 層基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)為背景。該基坑具有平面形狀不規(guī)則、基坑內(nèi)部存在坑中坑、開(kāi)挖深度不同、周邊附加荷載不對(duì)稱等特點(diǎn)。為確保本工程基坑安全，根據(jù)基坑幾何形狀特點(diǎn)及周邊荷載條件，提出采用直徑不相等的雙環(huán)形鋼筋混凝土內(nèi)支撐體系并成功實(shí)施。本文詳細(xì)討論了其布置和施工步序，建立三維數(shù)值分析模型，并結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果分析了基坑開(kāi)挖階段雙環(huán)形內(nèi)支撐體系的受力和變形規(guī)律。

1 工程概況

北京地鐵R4 線北京朝陽(yáng)站(原名：星火站)是高鐵北京朝陽(yáng)站交通樞紐的組成部分，整個(gè)樞紐的地下1 層為一體化交通集散廳(換乘大廳)，地下2 層為地鐵R4 線和M3 線北京朝陽(yáng)站的站廳層，地下3 層為地鐵R4 線北京朝陽(yáng)站的設(shè)備層、風(fēng)道附屬結(jié)構(gòu)以及地鐵M3 線北京朝陽(yáng)站的站臺(tái)層，地下4 層為地鐵R4 線北京朝陽(yáng)站的站臺(tái)層，另外，樞紐北側(cè)的地下1 層和地下2 層設(shè)置了地下停車場(chǎng)。樞紐基坑平面布置及功能分區(qū)如圖1、圖2 所示。

圖2 高鐵北京朝陽(yáng)站交通樞紐1-1 剖面Figure 2 Section 1-1 of the traffic hub of Beijing Chaoyang Railway Station

地鐵R4 線北京朝陽(yáng)站地下1 層和地下2 層基坑深度為18.25 m，并與整個(gè)樞紐基坑共坑開(kāi)挖，采用地下連續(xù)墻+錨索支護(hù)體系，地下3 層基坑深度為30.27 m，地下4 層基坑深度為40.45 m。

基坑位置地層自上而下依次為雜填土、黏土、粉質(zhì)黏土、細(xì)中砂、圓礫和卵石、黏土、粉細(xì)砂。場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水類型分別為上層滯水、潛水、層間水以及承壓水，其中上層滯水主要賦存于雜填土層中，潛水及層間水主要賦存于粉質(zhì)黏土與粉細(xì)砂土層中，承壓水主要賦存于卵石層和細(xì)中砂層。

2 鋼筋混凝土雙環(huán)形內(nèi)支撐體系設(shè)計(jì)

2.1 基坑特點(diǎn)分析

1) 地下3 層為整個(gè)樞紐基坑的坑中坑，平面形狀不規(guī)則，存在多處陽(yáng)角和陰角。地下4 層為地下3 層的坑中坑。

2) 坑邊附加荷載不對(duì)稱：基坑?xùn)|側(cè)緊鄰已經(jīng)建成的高鐵北京朝陽(yáng)站，西側(cè)、北側(cè)和南側(cè)為高鐵北京朝陽(yáng)站樞紐基坑的地下1 層和地下2 層。

相關(guān)文獻(xiàn)的研究表明，對(duì)于平面幾何形狀非對(duì)稱基坑以及基坑周邊存在偏壓所帶來(lái)的荷載非對(duì)稱基坑，其支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形表現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱特性[5-7]。對(duì)于本工程這種幾何形狀極為復(fù)雜且周邊荷載不對(duì)稱的基坑，常規(guī)的支護(hù)體系難以確?；影踩?。

2.2 雙環(huán)形內(nèi)支撐體系的布置

考慮到基坑的非對(duì)稱性，本工程地下3 層基坑的內(nèi)支撐采用“雙環(huán)形鋼筋混凝土支撐+雙拼鋼管對(duì)撐”組合型式，其中地下3 層基坑采用雙環(huán)形現(xiàn)澆鋼筋混凝土支撐；西側(cè)標(biāo)準(zhǔn)段的地下3 層基坑采用混凝土支撐；地下4 層的站臺(tái)層基坑為規(guī)則的長(zhǎng)條形，采用雙拼鋼管對(duì)撐型式。雙環(huán)形鋼筋混凝土支撐體系設(shè)置如下：

1) 雙環(huán)形內(nèi)支撐體系由大環(huán)梁、小環(huán)梁、鋼筋混凝土腰梁、鋼筋混凝土支撐和鋼筋混凝土支梁組成。環(huán)梁下方設(shè)置格構(gòu)柱，并與環(huán)梁連接，格構(gòu)柱的樁基礎(chǔ)兼作抗拔樁；鋼筋混凝土腰梁與地下連續(xù)墻密貼布置，其作用是將受到的荷載均勻傳遞給圍護(hù)墻；鋼筋混凝土支撐的兩端與鋼筋混凝土腰梁連接；鋼筋混凝土支梁呈放射狀布置，其一端與環(huán)梁連接，另一端與鋼筋混凝土腰梁連接。大環(huán)梁、小環(huán)梁、鋼筋混凝土腰梁、鋼筋混凝土支撐和鋼筋混凝土支梁組成平面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，作為一個(gè)整體共同承受不同方向的荷載。

2) 基坑北側(cè)區(qū)域設(shè)置一個(gè)直徑為29 m 的單圓環(huán)形支撐，南側(cè)區(qū)域設(shè)置一個(gè)直徑為65 m 的單圓環(huán)形支撐，其中大環(huán)撐為A、B 兩個(gè)基坑所共用，兩圓環(huán)相交區(qū)域設(shè)置支撐連系桿件，確保環(huán)梁內(nèi)力的分解和傳遞。

地下3層基坑的雙環(huán)形支護(hù)體系布置如圖3所示，地下4 層基坑的鋼支撐對(duì)撐體系布置如圖4 所示。

圖3 地下3 層基坑的雙環(huán)形內(nèi)支撐平面布置Figure 3 Layout of the double-ring inner bracing system of the third layer of the foundation pit

圖4 地下4 層基坑(北京朝陽(yáng)站站臺(tái)層)內(nèi)支撐平面布置Figure 4 Layout of the bracing system of the fourth layer of foundation pit (platform floor of Xinghuo Station)

雙環(huán)形內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 雙環(huán)形支撐體系的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Parameters of double ring support system structure

地下3 層和地下4 層基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖5 所示，其中地下4 層基坑為地鐵R4 線北京朝陽(yáng)站的站臺(tái)層基坑，形狀為規(guī)則的長(zhǎng)條形，采用?800，壁厚t=20 mm 的雙拼鋼支撐作為對(duì)撐。

圖5 地下3 層和地下4 層基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面Figure 5 Profile of the support structure for the third and fourth floors of the foundation pit

3 雙環(huán)形內(nèi)支撐支護(hù)體系施工步序

施工步序見(jiàn)圖6。

圖6 基坑雙環(huán)形支撐體系施工步序Figure 6 Construction steps of double ring support system of foundation pit

步序1：施工地下3 層和地下4 層基坑地下連續(xù)墻及導(dǎo)墻，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，施工墻頂冠梁。

步序2：開(kāi)挖地下3 層基坑至鋼筋混凝土腰梁位置，施工立柱樁(兼抗拔樁)。

步序3：立柱樁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行鋼筋混凝土腰梁及大、小雙環(huán)撐結(jié)構(gòu)(鋼筋混凝土支撐、鋼筋混凝土支梁及鋼筋混凝土環(huán)梁)的施作。

步序4：待雙環(huán)撐支撐結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，分區(qū)、分層開(kāi)挖至地下3 層基坑底，并對(duì)地下3 層和地下4 層基坑連接部位進(jìn)行高壓旋噴加固。

步序5：繼續(xù)開(kāi)挖地下4 層基坑至鋼腰梁設(shè)計(jì)標(biāo)高后，施作地下4 層基坑地連墻墻頂冠梁，并架設(shè)地下4 層基坑的鋼腰梁、雙拼鋼支撐。

步序6：分層開(kāi)挖地下4 層基坑(站臺(tái)層基坑)土方至坑底。

4 雙環(huán)形內(nèi)支撐受力及變形特性模擬分析

4.1 計(jì)算模型

模型尺寸為330 m×345 m×120 m，模型底部設(shè)置為固定約束，四周為水平單向約束，基坑?xùn)|側(cè)鄰近高鐵北京朝陽(yáng)站為地上3 層結(jié)構(gòu)，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[8]關(guān)于建筑物荷載取值方法，將高鐵北京朝陽(yáng)站等效為60 kPa 的附加荷載，計(jì)算模型如圖7～8 所示。X方向、Y方向、Z方向分別代表基坑寬度、長(zhǎng)度和深度方向(X表示東西方向，Y表示南北方向)。土體本構(gòu)模型采用Plastic-Hardening 塑形硬化本構(gòu)模型，高壓旋噴樁加固地層的效果通過(guò)采用提高土體物理力學(xué)參數(shù)的方式進(jìn)行模擬[9]。

圖8 基坑支護(hù)體系有限元模型Figure 8 Finite element model of support system of foundation pit

地層及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表2～3 所示。

表2 地層物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical-mechanical parameters of soils

表3 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical-mechanical parameters of structures

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

4.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

圖9 為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形計(jì)算取值點(diǎn)的布置(含環(huán)梁和鋼筋混凝土支撐軸力測(cè)點(diǎn))，圖10 為基坑不同位置圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化曲線。

圖10 基坑不同位置圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線Figure 10 Horizontal displacement curves for retaining structure at different positions of foundation pit

計(jì)算結(jié)果表明：

1) 西側(cè)的CX1 測(cè)點(diǎn)和東側(cè)的CX2 測(cè)點(diǎn)所處位置的基坑深度相同，西側(cè)的CX5～CX10 測(cè)點(diǎn)和東側(cè)的CX11～CX16 測(cè)點(diǎn)所處位置的基坑深度相同，但是圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移存在明顯的西側(cè)小、東側(cè)大的特點(diǎn)，主要原因在于東側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)鄰近高鐵北京朝陽(yáng)站，基坑承受了高鐵站房結(jié)構(gòu)的附加荷載。

2) 南側(cè)的CX3 測(cè)點(diǎn)所處位置的基坑開(kāi)挖深度比北側(cè)的CX4 測(cè)點(diǎn)大，所以基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形呈現(xiàn)明顯的北側(cè)小、南側(cè)大的特點(diǎn)。

3) 上述所有取值點(diǎn)的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形均小于20 mm 的允許變形值，表明基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有足夠的抗彎剛度。

在荷載非對(duì)稱、基坑開(kāi)挖深度非對(duì)稱的影響下，圍護(hù)墻的水平變形呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱，勢(shì)必影響環(huán)形內(nèi)支撐的受力狀態(tài)，因此有必要對(duì)環(huán)撐的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算分析。

4.2.2 環(huán)梁軸力

基坑開(kāi)挖過(guò)程中，大、小環(huán)撐的環(huán)梁典型測(cè)點(diǎn)的軸力變化曲線如圖11 所示。

圖11 環(huán)梁軸力變化曲線Figure 11 Axial force variation curve of ring beam during foundation pit excavation

計(jì)算結(jié)果表明：

1) 隨著基坑的開(kāi)挖，環(huán)形支撐的環(huán)梁軸力逐漸增大，其中，大環(huán)撐的環(huán)梁軸力約為小環(huán)撐的兩倍，Z7測(cè)點(diǎn)處環(huán)梁軸力最大，為6 608.8 kN，但仍小于控制值14 169.5 kN。

2) 基坑開(kāi)挖至A 區(qū)坑底時(shí)，大環(huán)撐和小環(huán)撐的環(huán)梁各點(diǎn)軸力均有較為明顯的差異，總體來(lái)看，南側(cè)和東側(cè)的環(huán)梁軸力較大。主要原因是受基坑開(kāi)挖深度不同及基坑?xùn)|側(cè)建筑荷載的影響，南側(cè)及東側(cè)的土壓力較大，經(jīng)地連墻、圍檁、輻射狀支撐傳遞后，導(dǎo)致環(huán)梁受力不均勻。

4.2.3 鋼筋混凝土支撐和鋼筋混凝土支梁軸力

軸力云圖如圖12 所示，計(jì)算結(jié)果表明：

圖12 鋼筋混凝土支撐和鋼筋混凝土支梁軸力云圖Figure 12 Cloud diagram of axial force of concrete brace and concrete bracing beam

1) 幾乎所有鋼筋混凝土支撐的所受軸力均為壓力，且大環(huán)撐的鋼筋混凝土支撐軸力大于小環(huán)撐。

2) 部分輻射狀的鋼筋混凝土支梁出現(xiàn)拉應(yīng)力，但數(shù)值并不大。

4.2.4 雙環(huán)形支撐彎矩分布

圖13 為雙環(huán)形支撐彎矩分布云圖，環(huán)梁承受的最大彎矩為1 863.3 kN·m，彎矩較大值主要集中在鋼筋混凝土支撐和環(huán)梁的連接處，表明連接部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖13 雙環(huán)形支撐彎矩云圖Figure 13 Cloud diagram of bending moment of double-ring support system

4.2.5 雙環(huán)形內(nèi)支撐的變形特點(diǎn)

基坑開(kāi)挖至坑底后的雙環(huán)形內(nèi)支撐位移云圖如圖14 所示。

圖14 雙環(huán)形支撐位移云圖Figure 14 Cloud diagram of displacement of double ring support system

計(jì)算結(jié)果表明：由于基坑周邊附加荷載及基坑開(kāi)挖深度不同，環(huán)梁向坑內(nèi)收斂值各不相同，其中南側(cè)和東側(cè)收斂值相對(duì)較大，但最大收斂值為11.9 mm，小于收斂控制值20 mm，表明雙環(huán)形內(nèi)支撐整體剛度較大，能有效約束環(huán)梁的變形。

5 雙環(huán)形內(nèi)支撐受力及變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

5.1 雙環(huán)形內(nèi)支撐軸力監(jiān)測(cè)值

圖15為部分鋼筋混凝土環(huán)梁測(cè)點(diǎn)的支撐軸力監(jiān)測(cè)值變化曲線，表4 為軸力的模擬值、監(jiān)測(cè)值及控制值對(duì)比。

表4 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)軸力模擬值、監(jiān)測(cè)值及控制值對(duì)比Table 4 Comparison of axial force simulation values, monitoring values, and control values for each monitoring points

圖15 鋼筋混凝土環(huán)梁軸力監(jiān)測(cè)值變化曲線Figure 15 Curve showing changes in monitoring value of axial force in the ring double-ring support system

各個(gè)測(cè)點(diǎn)的軸力模擬值和實(shí)測(cè)值比較接近，并且各個(gè)測(cè)點(diǎn)的軸力監(jiān)測(cè)值均小于最大軸力控制值，表明雙環(huán)形支撐結(jié)構(gòu)體系安全可靠。

5.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)值

圖16 為CX1、CX2、CX3、CX4 測(cè)點(diǎn)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線，與圖10 的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，二者的位移分布和位移最大值均比較吻合，且實(shí)測(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)各點(diǎn)水平位移最大值均小于控制值(20 mm)。

圖16 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移實(shí)測(cè)變化曲線Figure 16 Measured curve of horizontal displacement of the retaining wall of the foundation pit

6 結(jié)論

為解決北京地鐵R4 線北京朝陽(yáng)站地下3 層和地下4 層深基坑由于平面形狀不規(guī)則、坑中有坑以及基坑周邊附加荷載不對(duì)稱所帶來(lái)的支護(hù)體系設(shè)計(jì)問(wèn)題，研發(fā)了鋼筋混凝土雙環(huán)形內(nèi)支撐體系，并成功應(yīng)用于本工程的基坑支護(hù)。

1) 雙環(huán)形內(nèi)支撐體系由大環(huán)梁、小環(huán)梁、鋼筋混凝土腰梁、鋼筋混凝土支撐和鋼筋混凝土支梁組成，環(huán)梁下方設(shè)置格構(gòu)柱，并與環(huán)梁連接，格構(gòu)柱的樁基礎(chǔ)兼作基坑抗拔樁；鋼筋混凝土腰梁與地下連續(xù)墻密貼布置；鋼筋混凝土支撐的兩端與鋼筋混凝土腰梁連接；鋼筋混凝土支梁呈放射狀布置，其一端與環(huán)梁連接，另一端與鋼筋混凝土腰梁連接。大環(huán)梁、小環(huán)梁、鋼筋混凝土腰梁、鋼筋混凝土支撐和鋼筋混凝土支梁組成平面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，作為一個(gè)整體共同承受不同方向的荷載。

2) 數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明：采用雙環(huán)形內(nèi)支撐的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、鋼筋混凝土支撐和環(huán)梁軸力、環(huán)梁收斂等指標(biāo)均滿足控制值要求，表明雙環(huán)形內(nèi)支撐體系結(jié)構(gòu)剛度大，可以較好地控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

3) 本工程的基坑開(kāi)挖與結(jié)構(gòu)施工實(shí)踐表明，雙環(huán)形支撐體系的環(huán)梁內(nèi)部為無(wú)支撐開(kāi)敞區(qū)，有利于基坑土方開(kāi)挖和主體結(jié)構(gòu)施工。