李 治

(上海民防建筑研究設(shè)計院有限公司，上海 200032)

隨著我國地下空間開發(fā)和利用的快速發(fā)展，城市建筑工程中的深基坑數(shù)量和深度不斷增加、規(guī)模不斷增大，出現(xiàn)了深度大于5.0 m、開挖面積超過1萬m2的大型甚至超大型基坑；同時基坑周邊環(huán)境也越來越復(fù)雜，對基坑開挖和支護(hù)引起變形控制的要求越來越高[1-3].對于復(fù)雜環(huán)境狀況下的基坑工程，設(shè)計方通常采用支護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的逆作法和半逆作法施工技術(shù)，以減小基坑施工對周邊環(huán)境的不利影響.逆作法優(yōu)點是支撐剛度大、對周邊環(huán)境影響小，適用于不規(guī)則形狀的基坑，地上地下可同時進(jìn)行施工作業(yè)，既節(jié)省了架設(shè)臨時支撐的時間、費用，又縮短了工期；缺點是施工連接接頭復(fù)雜、施工難度高，增加了臨時立柱和立柱樁的費用；地下封閉使得開挖施工空間不足，需預(yù)留出土孔且出土不便.半逆作法的優(yōu)點是支撐剛度較大，可以預(yù)留較大的出土區(qū)域，施工作業(yè)面較多，工程質(zhì)量和進(jìn)度好控制；缺點是對基坑形狀規(guī)則性要求較高，需根據(jù)預(yù)留開孔區(qū)域布置臨時豎向和水平向支撐[4-8].在確?；蛹爸苓叚h(huán)境安全的條件下，如何能既有足夠剛度的逆作梁板支撐體系，又能有最大化的明挖取土面積，以實現(xiàn)基坑施工工期的最優(yōu)化，是亟需研究的問題[9-12].

本文結(jié)合工程實例，對逆作梁板支撐體系、明挖取土區(qū)域的布置方案及其對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響等進(jìn)行探討，以期為類似工程提供一定的借鑒.

1 工程概況

1.1 場地周邊環(huán)境

某工程位于廣州市繁華地段，占地面積約16 500 m2，擬建兩個地下室，分別為一層地下室(Ⅱ區(qū))和三層地下室(Ⅰ區(qū)).一層地下室(Ⅱ區(qū))基坑開挖深度1.90 m，三層地下室(Ⅰ區(qū))基坑開挖深度20.20 m.該工程四周均有已建建筑物及市政管線：基坑?xùn)|側(cè)地下室邊線距用地紅線僅約5.3 m；基坑西側(cè)地下室邊線距用地紅線僅約4.0 m；基坑南側(cè)地下室邊線距用地紅線僅約5.7 m；基坑北側(cè)地下室邊線距用地紅線約7.0 m.整個基坑用地非常緊張，且環(huán)境對基坑有較高的要求.基坑周邊環(huán)境如圖1所示.

圖1 基坑周邊環(huán)境圖

1.2 工程地質(zhì)條件

該工程場區(qū)原為河涌，多年前被填平，場地平坦，現(xiàn)有較多樹木，場地絕對標(biāo)高約7～8 m.場區(qū)巖土層自上而下分為：1-1層素填土、1-2層雜填土、2-1層淤泥、2-2層粉質(zhì)粘土、2-3層淤泥質(zhì)土、2-6層粉質(zhì)粘土、4-1層全風(fēng)化巖、4-2層強(qiáng)風(fēng)化巖、4-3層中風(fēng)化巖、4-4層微風(fēng)化巖.各土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1.該工程土層的滲透試驗資料表明，場區(qū)淤泥、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土及砂質(zhì)粘性土均為弱透水地層，場區(qū)地下水主要為填土上層滯水及中、粗砂層孔隙水.

2 基坑支護(hù)基本方案

2.1 方案設(shè)計原則

根據(jù)基坑的開挖深度、面積、形狀以及周邊環(huán)境與地質(zhì)條件，按安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的原則，地下室內(nèi)部結(jié)構(gòu)一部分采用逆作法施工，一部分采用正作法施工.

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

編號土層名稱層厚/m容重/(kN·m-3)黏聚力/KPa摩擦角/(°)2-1淤泥質(zhì)土7.615.4442-2粉質(zhì)粘土3.919.336182-3淤泥質(zhì)土7.816.8772-6粉質(zhì)粘土2.319.836184-1全風(fēng)化泥巖1.720.045244-2強(qiáng)風(fēng)化泥巖1.222.0300254-3中風(fēng)化泥巖0.723.0400264-4微風(fēng)化泥巖10.024.060027

(1)基坑內(nèi)部水平支撐體系.該基坑面積超大，平面雖不規(guī)則但基坑兩個方向的平面尺寸大致相等，可在基坑內(nèi)設(shè)置兩個大直徑鋼筋混凝土圓環(huán)梁支撐.圓環(huán)形支撐不僅受力合理，而且大大減少了支撐工程量，降低了工程造價.同時，所采用的結(jié)構(gòu)梁板作水平支撐不僅整體性好、支撐剛度大，而且可以有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，保護(hù)周邊環(huán)境.另外，還減少了設(shè)置和拆除大量臨時支撐的工程量和時間，降低了工程造價.圓環(huán)內(nèi)的面積很大，便于大中型挖土機(jī)施工，極大地提高了挖土速度，縮短了施工工期.為了方便施工，對首層結(jié)構(gòu)梁板部分區(qū)域進(jìn)行加固，作為基礎(chǔ)工程施工平臺.采用一柱一樁即鋼格構(gòu)柱與鉆孔灌注樁結(jié)合的方式作為開挖階段的豎向支撐系統(tǒng).

(2)基坑側(cè)壁圍護(hù)體系.采用地下連續(xù)墻(兼做地下室外墻)+兩道內(nèi)支撐(逆作地下室樓板)作為基坑支護(hù)體系.連續(xù)墻厚度1 200 mm，在連續(xù)墻內(nèi)側(cè)槽段交接處進(jìn)行壁柱的施工.

2.2 圓環(huán)支撐方案

圓環(huán)支撐的位置和圓環(huán)直徑的大小是水平支撐體系中的關(guān)鍵因素.根據(jù)以上基坑支護(hù)方案，同時考慮安全、造價和工期等因素，設(shè)計了兩種圓環(huán)支撐方案.方案一的平面圖和剖面圖見圖2，方案二的平面圖和剖面圖見圖3.

兩種方案的主要區(qū)別在于I區(qū)大環(huán)的直徑不同，方案一中大環(huán)直徑37.7 m，方案二中大環(huán)直徑34.3 m.兩種方案都是根據(jù)結(jié)構(gòu)方案的柱跨進(jìn)行布置，采用結(jié)構(gòu)柱作為豎向支撐體系，盡量少增加臨時格構(gòu)柱，其中方案二臨時立柱要比方案一少5根.方案一環(huán)形內(nèi)取土面積比方案二多出約193 m2，但是其1-1剖面處受力為薄弱環(huán)節(jié)，僅靠環(huán)形梁支撐.方案二在1-1剖面處約有寬度3.4 m的梁板結(jié)構(gòu)作為內(nèi)支撐剛度體系.

2.3 基坑施工工序

Ⅰ區(qū)地下室施工采用半逆作法，其主要施工步驟如下：

(1)平整場地，進(jìn)行導(dǎo)墻、地下連續(xù)墻、旋噴樁、支撐立柱樁及格構(gòu)式鋼立柱等的施工.

(a) 平面圖

(b) 1-1剖面圖圖2 方案一

(2)土方開挖至冠梁底，進(jìn)行冠梁施工.

(3)待冠梁強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的80%后，開挖土方至第一道內(nèi)支撐梁板底(地下一層樓面梁板底),接著進(jìn)行第一道內(nèi)支撐梁板(地下一層樓面圓環(huán)以外部分)的施工.

(4)待已施工完成的樓面梁板強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的80%后，開挖土方至第二道內(nèi)支撐梁板底(地下二層樓面梁板底)，再進(jìn)行第二道內(nèi)支撐梁板(地下二層樓面圓環(huán)以外部分)的施工作業(yè).

(5)待樓面梁板強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計的80%后，繼續(xù)開挖土方至地下室底板及墊層底標(biāo)高處.

(a) 平面圖

(b) 1-1剖面圖圖3 方案二

(6)進(jìn)行墊層及地下室底板的施工作業(yè).

(7)由下至上采用正作法完成圓環(huán)區(qū)域內(nèi)的梁、板、柱、壁柱等的施工，以及采用逆作法進(jìn)行鋼構(gòu)柱外包鋼筋混凝土的施工作業(yè).

待Ⅰ區(qū)地下室完成后，Ⅱ區(qū)采用正作法由下至上完成地下室的施工.

3 有限元計算分析比較

本工程基坑體量較大，分成兩個區(qū)開挖，施工過程較復(fù)雜.系統(tǒng)荷載包括地下孔隙水壓力、圍護(hù)體外側(cè)的主動土壓力、圍護(hù)體內(nèi)側(cè)的被動土壓力、圍護(hù)體的彈性抗力、支撐的水平力、立柱的豎向力等，是一個非常復(fù)雜的空間力學(xué)系統(tǒng).為準(zhǔn)確模擬該空間力學(xué)體系，現(xiàn)建立基坑、圍護(hù)體、水平支撐和豎向支撐的三維有限元模型，模擬仿真這一系統(tǒng)的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài).

3.1 計算模型及假定

土體的計算采用適合基坑開挖的Hardening Soil(HS)模型，地下連續(xù)墻和支撐的計算采用線彈性模型[13-15].該工程的土體是典型的彈塑性材料,卸載模量遠(yuǎn)大于加載模量.基坑開挖是卸荷的過程，因此采用模擬土體卸載特性較好的HS模型.HS模型用3個剛度值來表征土體在開挖過程中的特性，其中：E50為標(biāo)準(zhǔn)排水三軸試驗中的割線剛度;Eoed為主固結(jié)儀加載中的切線剛度；Eur為卸載/重新加載剛度.土層計算參數(shù)見表1和表2.

在基坑開挖、支護(hù)施工的過程中，系統(tǒng)受重力場作用，考慮基坑周邊有20 kPa的地面超荷，地下一層、地下二層樓面活載取15 kPa.

表2 土層剛度模量

編號土層名稱E50/MPaEoed./MPaEoed/MPa2-1淤泥質(zhì)土2 9412 9418 7302-2粉質(zhì)粘土8 1608 16024 4802-3淤泥質(zhì)土3 7653 76511 2952-6粉質(zhì)粘土33 50033 500100 5004-1全風(fēng)化泥巖38 65038 650115 9504-2強(qiáng)風(fēng)化泥巖375 000375 0001 125 0004-3中風(fēng)化泥巖650 000650 0001 950 0004-4微風(fēng)化泥巖850 000850 0002 550 000

基坑深度20.20 m，根據(jù)基坑平面關(guān)系，為減少邊界條件效應(yīng)影響，選取模型尺寸約為220 m×180 m×65 m.采用1∶1建立網(wǎng)格模型，網(wǎng)格模型按結(jié)構(gòu)受力集中程度和幾何結(jié)構(gòu)劃分單元尺寸.對土體采用六面體實體單元；對連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用板單元；各支撐采用梁單元.基礎(chǔ)邊界(四周和底面)為法向約束.計算模型如圖4和圖5所示.

3.2 計算結(jié)果對比

兩種方案計算得到的X方向和Y方向位移云圖、環(huán)梁軸力云圖、支撐梁軸力云圖，見圖6和圖7.各參數(shù)計算結(jié)果的最大值見表3.

圖4 整體模型圖

圖5 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)圖

(a)X方向位移圖 (b)Y方向位移圖

(c)環(huán)梁軸力圖 (d)支撐梁軸力圖圖6 方案一內(nèi)力和位移圖

(a)X方向位移圖 (b)Y方向位移圖

(c)環(huán)梁軸力圖 (d)支撐梁軸力圖圖7 方案二內(nèi)力和位移圖

由圖6、圖7和表3可得：方案一最大位移發(fā)生在1-1剖面處X方向，該處支撐體系最弱，最大位移34.1 mm，已非常接近《基坑工程手冊》和《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》要求[16-17]的上限最大位移0.18H%=36.36 mm；同時X方向位移大于Y方向位移約14 mm，整個環(huán)向梁板支撐體系受力不是很均勻.方案二圓環(huán)梁半徑縮小3.4 m，整個支撐體系剛度增加，計算X方向最大位移19.2 mm，Y方向最大位移16.7 mm，各方向變形非常接近，因此整個環(huán)形支撐體系的受力比較均勻，同時也能較好地滿足環(huán)境保護(hù)的要求.環(huán)形梁的軸力(內(nèi)力)也由14 451 kN減小為10 501 kN，支撐梁(逆做梁)最大軸力也由3 493 kN減小為2 509 kN.從基坑的安全性和配筋經(jīng)濟(jì)性考慮，方案二比較合理.

4 結(jié)論

(1)復(fù)雜環(huán)境的超大深基坑可以采用半逆作法施工.基坑形狀規(guī)則時可采用單圓或多圓形支撐布置方式，該方式不僅能較好地控制基坑變形，同時也能提高施工速度.

(2)對于應(yīng)用復(fù)雜的支護(hù)形式及開挖工序的基坑，采用三維空間有限元分析可以較好地模擬其空間與時間的受力變化，對基坑設(shè)計施工有較好的指導(dǎo)意義.

(3)在設(shè)計圓形支撐的直徑時，在考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)部柱距的同時，也要考慮基坑變形受力的均勻性，應(yīng)盡量保持四邊基坑變形基本一致，以減少支撐構(gòu)件的內(nèi)力.

(4)設(shè)計合理的圓形支撐直徑及布置方式，既可以保證基坑的安全性，保留較大的取土面積，又能減少臨時格構(gòu)柱的數(shù)量，大幅度縮短施工工期.