復雜深基坑設計中的組合支護實踐探究

摘 要：為了給后期復雜深基坑組合支護設計提供一些參考，本文利用案例分析法，以一個復雜深基坑工程為研究對象，闡述了復雜深基坑的基本情況，并從復雜深基坑設計著手分析了復雜深基坑組合支護設計方案，最后對復雜深基坑組合支護實踐穩(wěn)定性進行了進一步驗算。結果顯示，灌砂鋼管樁-3道環(huán)形內(nèi)支撐組合支護、灌砂鋼管樁－環(huán)形內(nèi)支撐－錨索組合支護內(nèi)力與支護體位移均達標。表明復雜深基坑組合支護具有較大的應用價值，能確保復雜深基坑工程施工過程的安全和穩(wěn)定。

關鍵詞：復雜深基坑；組合支護；階梯式灌砂鋼管樁

中圖分類號：TU 473" " 文獻標志碼：A

在城市地下空間開發(fā)規(guī)模不斷擴大的背景下，深基坑工程不斷涌現(xiàn)。多數(shù)深基坑工程周邊環(huán)境異常復雜，如毗鄰地鐵隧道、深厚軟土地區(qū)等，為深基坑工程支護設計帶來了挑戰(zhàn)。組合支護是確保復雜深基坑工程質(zhì)量的有效手段之一[1]。因此，探究復雜深基坑工程組合支護設計具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 復雜深基坑介紹

一復雜深基坑總面積為22020m2，總延長為580m，開挖深度為7.2m～21.2m?；影踩燃壴O計為三級，坑外地表最大沉降為0.0396m～0.0561m，圍護結構最大側位移為0.0504m～0.0714m。

基坑西側下口線距離西側圍墻最近為3.6m，圍墻外側為水泥道路，可供基坑支護機械站位空間狹小；東側開挖線距離道路18.2m；北側為6層商場，距離基坑開挖線8.5m；東南側緊密毗鄰商城，商城下密布消防管道、電信電纜和煤氣管道，與管樁間距離為3.2m～4.6m；西南側毗鄰低層建筑，周邊建筑距離基坑14.2m左右，缺乏放坡條件，對支護結構承載力要求較高。復雜深基坑工程所在地層結構見表1。

由表1可知，深基坑開挖范圍內(nèi)存在軟弱淤泥質(zhì)土，土層穩(wěn)定性不佳。而且深基坑處于亞熱帶濕潤氣候區(qū)，降水深度較深，年均降雨量為950mm。同時場地賦存第四系松散堆積層孔隙性潛水、白堊系泥巖層風化構造裂隙水，基坑地下水位為-2.6m～-1.8m，作業(yè)難度較大。

2 復雜深基坑設計中的組合支護方案

2.1 總體方案

根據(jù)復雜深基坑所處場地地質(zhì)水文條件、技術條件、經(jīng)濟條件以及施工條件，可選擇樁-錨-撐聯(lián)合支護形式[2]?；又ёo劃分為南、北2個部分，基坑周邊選擇階梯式灌砂鋼管樁混凝土護壁支護；北區(qū)采用一道鋼筋混凝土環(huán)形內(nèi)支撐+4道錨索；南區(qū)采用3道鋼筋混凝土內(nèi)支撐。

當階梯式灌砂鋼管樁順時針作業(yè)至拐角位置時，由于拐角基坑與周邊建筑物距離較近，而且階梯式灌砂鋼管樁作業(yè)機械較龐大，導致深基坑拐角位置出現(xiàn)階梯式灌砂鋼管樁無法正常施作的情況。針對上述情況，并根據(jù)設計圖紙要求和現(xiàn)場踏勘結果，提前調(diào)整階梯式灌砂鋼管樁設計圖紙，即將階梯式灌砂鋼管樁施作機械超東提前旋轉(zhuǎn)為超南，拐角位置施工幅數(shù)增加位置為基坑東側靠南，深基坑內(nèi)壁齊平向西延伸增加作業(yè)范疇。針對拐角位置相互毗鄰深基坑外側地下預埋管線的情況，拐角位置階梯式灌砂鋼管樁施工幅數(shù)增加位置為向深基坑內(nèi)側增加50cm、向外側增加48cm，促使階梯式灌砂鋼管樁向內(nèi)側、外側局部突出，規(guī)避拐角位置鋼管樁作業(yè)機械轉(zhuǎn)角不良問題，為正式作業(yè)提供參考。

2.2 分段支護方案

根據(jù)深基坑開挖面積大、開挖深度大以及地層變化復雜的特點，結合不同支護對環(huán)境要求的差異，將整個基坑支護劃分為9段，具體如圖1所示。

各剖面階梯式灌砂鋼管樁采用DN100×6m、壁厚6mm鋼管，橫向密排456根，由外層向內(nèi)層分層圍護。外層鋼管樁壓樁完成，進行內(nèi)側土體開挖。完成內(nèi)側土體開挖后，施作內(nèi)層鋼管樁[3-5]。然后在管樁內(nèi)側支設模板，進行混凝土灌注，形成混凝土護壁。在混凝土護壁的基礎上向鋼管樁內(nèi)部灌砂，增加管樁剛度，形成階梯式支護結構，提高地下水深度較大位置的土體強度，確保后續(xù)深基坑上方施工安全。

第1道內(nèi)支撐和冠梁施作節(jié)點開挖至-0.85m，

由徑向撐、圓環(huán)撐、八字撐、對撐和連桿撐組成；第2道內(nèi)支撐和腰梁施作節(jié)點開挖至-8.72m，由角撐、邊桁架、八字撐、對撐和連桿組成；第3道內(nèi)支撐及腰梁施作節(jié)點開挖至-16.52m。然后開挖至基坑底部，將內(nèi)支撐與腰梁、冠梁經(jīng)鋼筋混凝土進行一體化澆筑，形成控制變形能力、剛度均較大的結構體。由表2可知，第2道內(nèi)支撐和腰梁、第3道內(nèi)支撐和腰梁組成相似，均為1400mm×800mm對撐+1100mm×800mm角撐+1100mm×800mm邊桁架+1000mm×800mm八字撐。

2-2剖面、5-5剖面開挖深度分別為18.9m、19.2m，4-4剖面、3-3剖面和6-6剖面開挖深度均為21.2m（如圖2所示），各剖面均采用上部1道環(huán)形內(nèi)支撐+下部4道錨索支護結構（如圖3所示）。其中第1道環(huán)形內(nèi)支撐和冠梁施作節(jié)點開挖至-0.85m；第1道錨索和腰梁開挖節(jié)點開挖至-8.52m；第2道錨索和腰梁施作節(jié)點開挖至-11.9m；第3道錨索和腰梁開挖節(jié)點開挖至-15.95m；第4道錨索和腰梁施作節(jié)點開挖至-18.2m，然后開挖至基坑底部。以2-2剖面為例，第1道錨索支護入射角度為25°，錨固體直徑為150mm，自由段長度為12.5m，錨固段長度為17.5m，錨索材料規(guī)格為4As15.2；第2道錨索支護入射角度為20°，錨固體直徑為150mm，自由段長度為10.5m，錨固段長度為17.5m，錨索材料規(guī)格為5As15.2；第3道錨索支護入射角度為15°，錨固體直徑為150mm，自由段長度為8m，錨固段長度為12.5m，錨索材料規(guī)格為5As15.2；第4道錨索支護入射角度為15°，錨固體直徑為150mm，自由段長度為6.5m，錨固段長度為9.5m，錨索材料規(guī)格為4As15.2。根據(jù)各剖面深基坑開挖情況，合理設置第1道、第2道、第3道和第4道錨索支護入射角度、錨固體直徑、自由段長度、錨固段長度以及錨索材料規(guī)格。

3 復雜深基坑設計中的組合支護實踐驗算

3.1 典型剖面整體穩(wěn)定性驗算

在理正深基坑7.5pb3軟件內(nèi)，計算階梯式灌砂鋼管樁+3道內(nèi)支撐下深基坑圍護結構剖面。以位于3道內(nèi)支撐區(qū)域的剖面為例，階梯式灌砂鋼管樁鋼管支撐材料為Q235，采用坡口全焊透連接，支護腰梁尺寸為1.3m×0.8m，冠梁尺寸為1.3m×0.7m。借助瑞典分條法，不勾選核算深基坑地層考慮孔隙水壓力，自動計算各層開挖后位移和內(nèi)力，如公式（1）所示。

（1）

式中：Ksi為第i個圓弧滑動體的抗滑力矩、滑動力矩的比值，可經(jīng)不同圓心和半徑全部潛在滑動圓弧搜索判定，應大于等于規(guī)定安全等級的組合支護結構穩(wěn)定安全系數(shù)，安全等級為三級的組合支護結構穩(wěn)定，安全系數(shù)應超出1.25；cj為第j土條滑動圓弧面土體黏聚力，kPa；Lj為第j土條滑動圓弧長度，m；qj為第j土條附加分布荷載標準值，kPa；bj為第j土條寬度，m；△Gj為第j土條自重（按天然重度計算），kN；Oj為第j土條滑動圓弧面位置法線、垂直面夾角，°；uj為第j土條滑動圓弧面水壓力，kPa；Wj為第j土條滑動圓弧面內(nèi)摩擦角，°。

其中，滑動圓弧面處于地下水位以上或地下水位以下黏性土時，uj為0，如果為碎石土、沙土和砂質(zhì)粉土，就取地下水重度與基坑外側（或內(nèi)側）第j土條滑動圓弧面中點的壓力水頭。

以5-5剖面為研究對象。5-5剖面第1道錨索支護入射角度為25°，錨固體直徑為150mm，自由段長度為12.5m，錨固段長度為13.5m，錨索材料規(guī)格為4As15.2；第2道錨索支護入射角度為20°，錨固體直徑為150mm，自由段長度為10.5m，錨固段長度為10m，錨索材料規(guī)格為4As15.2；第3道錨索支護入射角度為15°，錨固體直徑為150mm，自由段長度為8m，錨固段長度為10.5m，錨索材料規(guī)格為4As15.2；第4道錨索支護入射角度為15°，錨固體直徑為150mm，自由段長度為6.5m，錨固段長度為9.5m，錨索材料規(guī)格為4As15.2。所得結果見表2。

由表3可知，第1道環(huán)形內(nèi)支撐承受較大壓力，角撐與對撐內(nèi)側受力較大；第2道、第3道內(nèi)支撐受開挖深度影響較大，下道支撐受力明顯超出上道支撐受力。在開挖深度不斷加大的進程中，土體持續(xù)卸除荷載，復雜深基坑開挖后位移顯著增加。與此同時，內(nèi)支撐受力逐步增加，在內(nèi)支撐位置位移明顯減少，表明內(nèi)支撐發(fā)揮了支點作用，將復雜深基坑位移控制在規(guī)定限度內(nèi)。

利用同樣方法，以1-1剖面為研究對象，計算階梯式灌砂鋼管樁+1道環(huán)形內(nèi)支撐+4道錨索支護結構內(nèi)力和位移，所得結果見表3。

由表4可知，一層環(huán)形內(nèi)支撐整體呈受壓狀態(tài)，最大受力位于環(huán)形內(nèi)支撐位置，整個環(huán)形內(nèi)支撐承受較大壓力。在整個過程中，內(nèi)支撐受力隨開挖深度的增加而增加，開挖至第4層面，內(nèi)支撐受力為最大值144.56kN/m。中間設置錨索受力持續(xù)增加，最大為基坑底部，即1625.35kN/m。支護結構位移隨開挖深度增加而靈活變換，最大位移值為28.69mm，處于設計位移限度內(nèi)且剖面整體穩(wěn)定性滿足要求。

3.2 抗傾覆與抗隆起驗算

在同濟啟明星BSC5.0軟件內(nèi)，根據(jù)《建筑基坑支護技術規(guī)程》（JGJ120—2012）關于坑底為軟土時的抗隆起驗算規(guī)定，以最下層支點為轉(zhuǎn)動軸心的圓弧滑動模式，假定破壞面為經(jīng)樁底的圓弧形，根據(jù)力矩平衡條件進行各剖面分析。分析前輸入各剖面第1道錨索、第2道錨索、第3道錨索和第4道錨索的支護入射角度、錨固體直徑、自由段長度、錨固段長度以及錨索材料規(guī)格，各道錨索支護參數(shù)具有一定差異。例如，4-4剖面第2道支護入射角度為20°，錨固體直徑為150mm，自由段長度為9.5m，錨固段長度為10.5m，錨索材料規(guī)格為4As15.2；第3道錨索支護入射角度為15°，錨固體直徑為150mm，自由段長度為7.5m，錨固段長度為10m，錨索材料規(guī)格為4As15.2；第4道錨索支護入射角度為15°，錨固體直徑為150mm，自由段長度為5.5m，錨固段長度為8.5m，錨索材料規(guī)格為4As15.2。代入上述數(shù)據(jù)，假定案述復雜深基坑力矩平衡轉(zhuǎn)動點位于最下道支撐位置，則在階梯式灌砂鋼管樁+1道環(huán)形內(nèi)支撐+4道錨索支護結構中，最大正彎矩為2488.17kN·m/根，最大負彎矩為-2113.62kN·m/根，最大位移為28.69mm，最大正剪力為706.26kN/根，最大負剪力為-992.63kN/根。表明抗傾覆與抗隆起效果突出。

在灌砂鋼管樁-3道環(huán)形內(nèi)支撐組合支護中，最大正彎矩為1069.25kN·m/根，最大負彎矩為-969.25kN·m/根，最大位移為28.32mm，最大正剪力為489.25kN/根，最大負剪力為-516.25kN/根。表明抗傾覆與抗隆起性能良好。

4 結語

綜上所述，復雜深基坑具有開挖深度大、所處地理位置特殊、周邊環(huán)境復雜以及分布軟弱土體等特點。因此，復雜深基坑支護設計人員應系統(tǒng)考慮場地環(huán)境條件、地質(zhì)條件、施工條件、技術條件以及經(jīng)濟條件，選擇恰當?shù)慕M合支護方案。根據(jù)組合支護形式實踐情況進行優(yōu)化設計，確保復雜深基坑組合支護安全。

參考文獻

[1]李丹，武文清，楊濤，等.長江漫灘區(qū)逆作法施工超深基坑支護結構變形受力分析[J].施工技術，2021，50（7）：18-20.

[2]劉小良，秘金衛(wèi)，陳佑童，等.土巖組合深基坑圍護結構受力與變形特性分析——以青島海天中心深基坑為例[J].科學技術與工程，2023，23（6）：2549-2557.

[3]孫秉珍，張淑，楊佳楠.基于前景理論和BWM的深基坑支護方案綜合評價[J].安全與環(huán)境學報，2021，21（1）：70-77.

[4]蔡忠祥，岳建勇，楊欽，等.軟土地區(qū)復雜環(huán)境條件下深基坑支護技術研究與實踐[J].建筑結構，2022，52（增刊1）：2588-2594.

[5]張明，王繼文，周小涵.土巖組合地層長短樁支護結構力學特性研究[J].城市軌道交通研究，2023，26（3）：96-103.