某基坑工程支护设计与变形分析

赵 挚 南

(天津市勘察院， 天津 300191)

某基坑工程支护设计与变形分析

赵 挚 南

(天津市勘察院， 天津 300191)

通过对工程项目概况的了解，结合工程的地质状况，在分析了开挖对周围小区和地铁干线影响的状况下，对平凉街道22街坊商办地块项目进行基坑开挖和支护进行了设计。鉴于基坑工程深度大，周围环境复杂，并且紧邻地铁隧道，为了减少开挖对周围环境的影响，合理的进行施工。根据当地的地质状况及基坑的特点，采用明挖顺做法进行施工，围护体采用地下连续墙、灌注桩结合止水帷幕两种形式。对在深基坑施工过程中的支护结构及周围的环境变形进行监测方案的设计，并就施工对周围环境的影响进行分析。结果表明可满足该工程的稳定性要求和对周围环境的影响，为进一步研究其他基坑和类似工程提供借鉴。

基坑支护设计；监测；环境影响分析；数值模拟

土木工程具有地质条件的不确知性、土性参数的不确定性以及荷载条件的多样性等特点[1-3]，因此，监测工作显得十分必要[4-7]。以前的学者多对建筑基坑及地铁深基坑施工监测进行了较为广泛的研究，左殿军等[8]通过ABAQUS研究了深基坑开挖对周围环境的影响，得出地表沉降和衬砌位移随着开挖深度的增加而增加；张陈蓉等[9]基于位移控制理论，对板式支护体系由于基坑开挖而导致周围土体位移场变化规律进行了探讨，为研究周围土体的变形提供了一定的借鉴；木林隆等[10]通过基于小应变的基坑开挖计算理论公式以及与有限元的对比，得出开挖深度越小对桩基的影响越小；而近年来针对紧邻地铁的基坑分析研究也在进行着，王树和等[11]通过建立三维非线性模型，分析了不同管线与基坑距离、管线埋深、土钉长度、土钉间距等因素作用下，地下管线位移分布和变化规律；蔡武林[12]通过运用数值模拟软件，研究了深基坑对邻近地铁隧道的影响，与现场监测对比发现效果良好；黄兆纬等[13]分析了地铁上盖基坑开挖对地铁隧道变形的影响，并采用了土体加固和分级开挖对地铁隧道的变形进行分析研究，结果表明效果良好；郭典塔等[14]通过研究基坑对隧道结构力学行为的影响，提出优化结构刚度、施工工艺和加强监测来控制基坑开挖的影响；张世民等[15]在杭州市萧山区彩虹大道某深基坑开挖过程中，对基坑下穿地铁隧道位移和收敛进行监测，发现该地铁隧道以竖向变形为主，开挖期间需严格控制；本项目的基坑工程开挖面积较大，周围环境复杂，紧邻地铁，以此基坑工程为研究对象，对基坑开挖过程中基坑的支护结构以及周围环境进行监测，对类似工程具有一定的工程实践意义[16-19]。

1 研究内容

对平凉街道22街坊商办地块项目进行基坑围护设计及基坑开挖对周边环境的影响进行分析评估。具体内容如下：

(1) 基坑围护的设计及施工安全性评估；

(2) 基坑开挖对周边环境的影响分析；

(3) 减小基坑开挖对周边环境影响的保护措施。

2 工程概况及周围环境

拟建建筑物地上主要有2幢23层办公楼、1幢16层办公楼、1幢10层办公楼及5幢2～3层商业，拟建场地整体下设三层局部二层地下车库，桩筏基础。本工程地下设置三层地下室(北侧局部设置二层地下室)。地下二层基坑挖深11.80 m，地下三层基坑挖深16.10 m(主楼挖深16.9 m)。基坑总面积约26 779 m2，外围周长约811 m；地下二层基坑面积约3 531 m2，周长约444 m；地下三层基坑面积约23 248 m2，周长约774 m。本工程基坑安全等级为一级。基坑周边环境总体情况如图1所示。

基坑北侧：为长阳路，下为已建地铁十二号线，道路下分布有污水管、雨水管、配水管、供电线和信息管线。长阳路以北沿街为10幢砖混房屋(商铺)。

基坑东侧北段：邻近辽阳路道路下分布有雨水管、供水管和燃气管。

基坑东侧南段：靠近辽海小区

基坑南侧：邻近霍山路，道路下分布有雨水管、配水管、燃气管、供电线和信息管线。霍山路以南为改扩建上海市市东中学。

图1 拟建场地环境示意图

基坑西侧：邻近荆州路，道路下分布有燃气管、雨水管、配水管和信息线。荆州路以西为中国现代国之宝艺术馆。

本工程周边地下室外墙与红线退界约为5.1 m～11.9 m，地下室外墙与周边道路下管线最近距离约为7.4 m。

3 支护方案选型分析

3.1 支护总体设计

靠近地铁侧采用小坑分区(见图2)，南北向宽度控制在17 m，东西宽度为60 m左右，最大程度减少对地铁的影响；基坑其余部分采用大坑分区(A区、B区、C区)，基坑面积控制在1万m2以内，减少基坑开挖对周边环境特别是辽海小区的影响。

本工程分区后，各分区面积适中，支撑长度对传力的不利影响降低，故建议采用明挖顺作法。

图2 本工程分区平面布置方案

3.2 支护体设计

本工程开挖深度约16.1 m(主楼16.9 m)/11.8 m，周边环境条件复杂。根据上海地区已实施的大量基坑工程的成功实践经验，类似基坑工程的围护体一般采用地下连续墙、灌注桩结合止水帷幕两种形式。

结合本工程主体结构特点、基坑的开挖深度、面积及周围环境因素，本工程基坑外围及小坑分隔墙建议采用地下连续墙的围护形式，大坑分隔墙可采用灌注桩结合止水帷幕或地下连续墙的围护形式。围护结构设计参数见表1。

表1 围护结构设计参数表

3.3 支撑设计

对于顺作施工方案，基坑应设置临时水平支撑。对靠近地铁的小坑分区，第一道为钢筋混凝土对撑，第二、三道支撑采用钢支撑轴力自动伺服系统，既可以加快施工速度，又可以有效施加预应力，有效控制变形。

3.3.1 水平支撑系统设计

本基坑第一道支撑分布范围布置施工栈桥。本支撑平面布置见图3、图4(图中阴影区域为栈桥范围)。

图3 第一道支撑平面布置示意图

图4 第二、三道支撑平面布置示意图

支撑混凝土强度等级为C35。支撑中心标高、杆件截面尺寸等详见表2、表3。

表2 A区、B区、C区支撑截面参数表

表3 DEF区支撑截面参数表

3.3.2 竖向支撑系统设计

本工程中采用临时钢立柱及柱下钻孔灌注桩作为水平支撑系统的竖向支承构件。

地下二层临时钢立柱采用由等边角钢4L140×14缀板焊接而成的型钢格构柱，地下三层临时钢立柱采用由等边角钢4L160×16缀板焊接而成的型钢格构柱，截面为480 mm×480 mm，型钢型号为Q235B，钢立柱插入立柱桩(钻孔灌注桩)中不少于3 m，钢立柱在穿越底板的范围内需设置止水片。立柱桩采用⟩800灌注桩，立柱桩应充分利用工程桩。

3.4 基坑降排水

本工程建议采用真空深井对地下三层基坑进行疏干降水，基坑开挖前即要进行基坑降水，超前降水时间控制在20 d以上，降水深度应达到开挖面以下1.0 m。地下二层基坑已采用搅拌桩封底，无需设置降水井。

井管采用⟩273 mm钢管，壁厚不小于4 mm，成孔直径不小于⟩700 mm，疏干井井深23 m，布置在地下三层区域内。

4 设计计算

4.1 计算原则和假定

(1) 竖向开挖过程的基坑围护按支承在弹性地基上的梁系结构进行内力和变形分析，模拟实际的施工工序，对不同工况计算内力和变形。

(2) 确定围护结构的入土深度时，根据坑底土层的工程力学指标进行墙体的抗倾覆和整体稳定性以及墙前基底土体的抗隆起和抗管涌稳定性验算。

(3) 坑外土体土压力按朗肯土压力模式计算，水土分算，C、φ值取固结快剪峰值指标。

(4) 地面附加荷载普遍取20 kPa；辽海小区住宅按每层15 kPa计。

(5) 地下水位：地下水位按地表下0.5 m计。

4.2 围护体剖面计算结果

本工程采用同济启明星基坑分析软件(Frws7.2版本)计算，计算工况模拟施工流程，具体见附录。主要计算结果见表4、表5。

表4 基坑内力及变形计算结果汇总

表5 基坑稳定性系数计算结果汇总

注：KL为基坑底部土体的抗隆起稳定性安全系数(一级基坑不小于2.2)；Kq为墙底部土体的抗隆起稳定性安全系数(一级基坑不小于2.5)；Kc为围护墙结构的抗倾覆稳定性安全系数(一级基坑不小于1.2)；Ko为围护墙结构的圆弧整体稳定性安全系数(不小于1.25)。

从计算结果可知，计算各项指标均能满足一级基坑的设计要求。

5 基坑开挖对周边环境影响分析

根据本项目的周边环境，本工程基坑开挖的主要保护对象为地铁、道路和道路下埋管线。因围护形式及保护对象的不同，根据分析需要，选取3个断面(挖深11.8 m、16.1 m、16.9 m)进行计算分析：计算断面1分析对象为普遍区域，保护对象为道路及管线；计算断面2分析对象为北侧区域，保护对象为地铁；计算断面3分析对象为南侧区域，保护对象为辽海小区天然地基住宅。计算结果见图5、图6。

有限元计算所得围护结构变形及邻近管线位移结果见表6～表9。

表6 基坑东侧计算结果

图5 水平位移云图

根据上述计算，可以看出对应于基坑周边管线、地铁与本工程的距离，因基坑开挖施工造成的基坑周边管线、地铁及在建住宅沉降量均满足保护要求。

图6 垂直位移云图

表9 基坑南侧(断面三)计算结果

综合上述并结合类似工程经验，本工程基坑施工对周边环境的影响均在规范控制标准内[20-21]，满足对周边环境的保护要求。

6 结 论

(1) 根据对基坑稳定性、围护墙体位移及基坑开挖对周边环境的影响分析表明：靠近地铁侧采用地下连续墙+一道钢筋混凝土支撑和二道钢支撑轴力自动伺服系统的围护方案，其它侧采用地下连续墙(内部分隔墙采用灌注桩结合止水帷幕)+三道钢筋混凝土水平支撑的围护方案，靠近辽海小区天然地基住宅侧坑边12 m范围内垫层加厚至200 mm，可满足基坑自身的稳定性及对周边环境的保护要求。

(2) 由于基坑开挖深度深，在土方开挖和支撑过程中严格遵循时空效应理论，采用分层分块开挖的方法，限时完成支撑施工；基坑开挖至坑底设计标高后，及时(8 h内)浇筑垫层，以控制基坑变形、保护环境安全。

(3) 在基坑内均匀布置深井井点进行施工超前降水，疏干加固土体，以提高土体抗剪强度，改善施工条件。降水标高应达到最终坑底开挖面以下0.5 m～1.0 m。

(4) 建议施工过程中应对围护结构和周边环境进行全程施工监控，并采取必要的工程措施和管理手段，使基坑施工过程中对环境影响降至最低程度[22-23]。

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Support Design and Deformation Analysis of Foundation Pit Engineering

ZHAO Zhinan

(TianjinInstituteofGeotechnicalInvestigationandSurveying,Tianjin300191,China)

Based on the project profile and its geological conditions, after analyzing the influence of the excavation in the surrounding area and the main subway line, this paper designed the pit excavation and support about 22 square building of the Pingliang street. Because of the great depth of foundation pit engineering, the complex surrounding environment, and engineering close to the subway tunnel, it need to be constructed carefully. According to the local geological conditions and the characteristics of the foundation pit, we adapt Open Cut Methods Construction Technology, and fender construction were raised by using Underground Diaphragm Wall and Bored Pile combined with Water Proof Curtain. The design of the monitoring scheme for the deformation of supporting structure and surrounding environment during the progress of constructing the deep pit is carried out. At the same time, the effect of construction on the neighboring environment is analyzed. The results show that the scheme can meet the stability requirements and the influence to the surrounding environment is acceptable, and provide reference for further study of other foundation pit engineering and similar projects.

supporting design of foundation pit; monitoring; environmental impact analysis; simulation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.029

2017-02-01

2017-03-02

赵挚南(1988—)，男，天津人，助理工程师，主要从事管线测量方面的工作。 E-mail：362615644@qq.com

TU433

A

1672—1144(2017)03—0142—06