复杂深基坑设计中的组合支护实践探究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.4（下）-87-工 程 技 术在城市地下空间开发规模不断扩大的背景下，深基坑工程不断涌现。多数深基坑工程周边环境异常复杂，如毗邻地铁隧道、深厚软土地区等，为深基坑工程支护设计带来了挑战。组合支护是确保复杂深基坑工程质量的有效手段之一1。因此，探究复杂深基坑工程组合支护设计具有非常重要的现实意义。1 复杂深基坑介绍一复杂深基坑总面积为 22020m2，总延长为 580m，开挖深度为 7.2m21.2m。基坑安全等级原设计为三级，坑外地表最大沉降为 0.0396m0.0561m，围护结构最大侧位移为0.0504m0.0714m。基坑西侧下口线距离西侧围墙最近为 3.6m，围墙外侧为水泥道路，可供基坑支护机械站位空间狭小；东侧开挖线距离道路 18.2m；北侧为 6 层商场，距离基坑开挖线 8.5m；东南侧紧密毗邻商城，商城下密布消防管道、电信电缆和煤气管道，与管桩间距离为 3.2m4.6m；西南侧毗邻低层建筑，周边建筑距离基坑 14.2m 左右，缺乏放坡条件，对支护结构承载力要求较高。复杂深基坑工程所在地层结构见表 1。由表 1 可知，深基坑开挖范围内存在软弱淤泥质土，土层稳定性不佳。而且深基坑处于亚热带湿润气候区，降水深度较深，年均降雨量为 950mm。同时场地赋存第四系松散堆积层孔隙性潜水、白垩系泥岩层风化构造裂隙水，基坑地下水位为-2.6m-1.8m，作业难度较大。2 复杂深基坑设计中的组合支护方案2.1 总体方案根据复杂深基坑所处场地地质水文条件、技术条件、经济条件以及施工条件，可选择桩-锚-撑联合支护形式2。基坑支护划分为南、北 2 个部分，基坑周边选择阶梯式灌砂钢管桩混凝土护壁支护；北区采用一道钢筋混凝土环形内支撑+4 道锚索；南区采用 3 道钢筋混凝土内支撑。当阶梯式灌砂钢管桩顺时针作业至拐角位置时，由于拐角基坑与周边建筑物距离较近，而且阶梯式灌砂钢管桩作业机械较庞大，导致深基坑拐角位置出现阶梯式灌砂钢管桩无法正常施作的情况。针对上述情况，并根据设计图纸要求和现场踏勘结果，提前调整阶梯式灌砂钢管桩设计图纸，即将阶梯式灌砂钢管桩施作机械超东提前旋转为超南，拐角位置施工幅数增加位置为基坑东侧靠南，深基坑内壁齐平向西延伸增加作业范畴。针对拐角位置相互毗邻深基坑外侧地下预埋管线的情况，拐角位置阶梯式灌砂钢管桩施工幅数增加位置为向深基坑内侧增加 50cm、向外侧增加48cm，促使阶梯式灌砂钢管桩向内侧、外侧局部突出，规避拐角位置钢管桩作业机械转角不良问题，为正式作业提供参考。复杂深基坑设计中的组合支护实践探究姚福艳（山东正元建设工程有限责任公司，山东 济南 250000）摘 要：为了给后期复杂深基坑组合支护设计提供一些参考，本文利用案例分析法，以一个复杂深基坑工程为研究对象，阐述了复杂深基坑的基本情况，并从复杂深基坑设计着手分析了复杂深基坑组合支护设计方案，最后对复杂深基坑组合支护实践稳定性进行了进一步验算。结果显示，灌砂钢管桩-3道环形内支撑组合支护、灌砂钢管桩环形内支撑锚索组合支护内力与支护体位移均达标。表明复杂深基坑组合支护具有较大的应用价值，能确保复杂深基坑工程施工过程的安全和稳定。关键词：复杂深基坑；组合支护；阶梯式灌砂钢管桩中图分类号：TU473文献标志码：A图 1 复杂深基坑剖面划分中国新技术新产品2024 NO.4（下）-88-工 程 技 术2.2 分段支护方案根据深基坑开挖面积大、开挖深度大以及地层变化复杂的特点，结合不同支护对环境要求的差异，将整个基坑支护划分为 9 段，具体如图 1 所示。各剖面阶梯式灌砂钢管桩采用 DN1006m、壁厚 6mm 钢管，横向密排 456 根，由外层向内层分层围护。外层钢管桩压桩完成，进行内侧土体开挖。完成内侧土体开挖后，施作内层钢管桩3-5。然后在管桩内侧支设模板，进行混凝土灌注，形成混凝土护壁。在混凝土护壁的基础上向钢管桩内部灌砂，增加管桩刚度，形成阶梯式支护结构，提高地下水深度较大位置的土体强度，确保后续深基坑上方施工安全。第1道内支撑和冠梁施作节点开挖至-0.85m，由径向撑、圆环撑、八字撑、对撑和连杆撑组成；第 2 道内支撑和腰梁施作节点开挖至-8.72m，由角撑、边桁架、八字撑、对撑和连杆组成；第3道内支撑及腰梁施作节点开挖至-16.52m。然后开挖至基坑底部，将内支撑与腰梁、冠梁经钢筋混凝土进行一体化浇筑，形成控制变形能力、刚度均较大的结构体。由表 2 可知，第 2 道内支撑和腰梁、第 3 道内支撑和腰梁组成相似，均为1400mm800mm对撑+1100mm800mm角撑+1100mm800mm 边桁架+1000mm800mm八字撑。2-2剖面、5-5剖面开挖深度分别为18.9m、19.2m，4-4 剖面、3-3 剖面和 6-6 剖面开挖深度均为 21.2m（如图 2 所示），各剖面均采用上部 1 道环形内支撑+下部 4 道锚索支护结构（如图 3 所示）。其中第 1 道环形内支撑和冠梁施作节点开挖至-0.85m；第 1 道锚索和腰梁开挖节点开挖至-8.52m；第 2 道锚索和腰梁施作节点开挖至-11.9m；第 3 道锚索和腰梁开挖节点开挖至-15.95m；第 4 道锚索和腰梁施作节点开挖至-18.2m，然后开挖至基坑底部。以 2-2 剖面为例，第 1 道锚索支护入射角度为 25，锚固体直径为 150mm，自由段长度为 12.5m，锚固段长度为17.5m，锚索材料规格为 4As15.2；第 2 道锚索支护入射角度为 20，锚固体直径为 150mm，自由段长度为 10.5m，锚固段长度为 17.5m，锚索材料规格为 5As15.2；第 3 道锚索支护入射角度为 15，锚固体直径为 150mm，自由段长度为 8m，锚固段长度为 12.5m，锚索材料规格为 5As15.2；第 4 道锚索支护入射角度为 15，锚固体直径为 150mm，自由段长度为 6.5m，锚固段长度为 9.5m，锚索材料规格为 4As15.2。根据各剖面深基坑开挖情况，合理设置第 1 道、第 2 道、第 3道和第 4 道锚索支护入射角度、锚固体直径、自由段长度、锚固段长度以及锚索材料规格。3 复杂深基坑设计中的组合支护实践验算3.1 典型剖面整体稳定性验算在理正深基坑7.5pb3软件内，计算阶梯式灌砂钢管桩+3道内支撑下深基坑围护结构剖面。以位于3 道内支撑区域的剖面为例，阶梯式灌砂钢管桩钢管支撑材料为 Q235，采用坡口全焊透连接，支护腰梁尺寸为 1.3m0.8m，冠梁尺寸为1.3m0.7m。借助瑞典分条法，不勾选核算深基坑地层考虑孔隙水压力，自动计算各层开挖后位移和内力，如公式（1）所示。Kc Lq bGOu Lwq bGOsijjjjjjjjjjjjj?costansin（1）式中：Ksi为第 i 个圆弧滑动体的抗滑力矩、滑动力矩的比值，图 2 剖面开挖1-环形内支撑；2-锚索支护。图 3 环形内支撑锚索支护结构表 1 复杂深基坑工程所在地层结构编号地层性质1素填土砖、碎石，含少量黏性土，厚1.3m左右2粉质黏土褐黄色、暗绿色，软塑可塑，层厚1.6m4.02m3砂质粉土褐黄色，压缩中等，层厚3.00m6.52m4粉质黏土暗绿色，硬塑，层厚5.50m6.69m5砂质黏土草黄色、灰黄色，中密密实，压缩中等，层厚5.86m8.32m6粉砂土灰黄色，密实，压缩中等，层厚11.0m11.6m7微风化泥岩灰白色、棕红色，风化裂隙发育，岩体破碎，层厚0.4m0.8m中国新技术新产品2024 NO.4（下）-89-工 程 技 术可经不同圆心和半径全部潜在滑动圆弧搜索判定，应大于等于规定安全等级的组合支护结构稳定安全系数，安全等级为三级的组合支护结构稳定，安全系数应超出 1.25；cj为第 j土条滑动圆弧面土体黏聚力，kPa；Lj为第 j 土条滑动圆弧长度，m；qj为第 j 土条附加分布荷载标准值，kPa；bj为第j 土条宽度，m；Gj为第 j 土条自重（按天然重度计算），kN；Oj为第 j 土条滑动圆弧面位置法线、垂直面夹角，；uj为第 j 土条滑动圆弧面水压力，kPa；Wj为第 j 土条滑动圆弧面内摩擦角，。其中，滑动圆弧面处于地下水位以上或地下水位以下黏性土时，uj为 0，如果为碎石土、沙土和砂质粉土，就取地下水重度与基坑外侧（或内侧）第 j 土条滑动圆弧面中点的压力水头。以 5-5 剖面为研究对象。5-5 剖面第 1 道锚索支护入射角度为 25，锚固体直径为 150mm，自由段长度为 12.5m，锚固段长度为 13.5m，锚索材料规格为 4As15.2；第 2 道锚索支护入射角度为 20，锚固体直径为 150mm，自由段长度为10.5m，锚固段长度为 10m，锚索材料规格为 4As15.2；第 3道锚索支护入射角度为 15，锚固体直径为 150mm，自由段长度为 8m，锚固段长度为 10.5m，锚索材料规格为 4As15.2；第 4 道锚索支护入射角度为 15，锚固体直径为 150mm，自由段长度为 6.5m，锚固段长度为 9.5m，锚索材料规格为4As15.2。所得结果见表 2。表 2 复杂深基坑灌砂钢管桩-3 道环形内支撑组合支护剖面位移和内力地层灌砂钢管桩整体位移/mm第1道内支撑受力/kNm-1第2道内支撑受力/kNm-1第3道内支撑受力/kNm-115.52135.26-216.25130.20610.25-317.8260.25731.25927.25418.2558.25825.251025.25520.3556.58832.021126.32623.6555.23890.621925.32728.3245.62900.252663.25由表 3 可知，第 1 道环形内支撑承受较大压力，角撑与对撑内侧受力较大；第 2 道、第 3 道内支撑受开挖深度影响较大，下道支撑受力明显超出上道支撑受力。在开挖深度不断加大的进程中，土体持续卸除荷载，复杂深基坑开挖后位移显著增加。与此同时，内支撑受力逐步增加，在内支撑位置位移明显减少，表明内支撑发挥了支点作用，将复杂深基坑位移控制在规定限度内。利用同样方法，以 1-1 剖面为研究对象，计算阶梯式灌砂钢管桩+1 道环形内支撑+4 道锚索支护结构内力和位移，所得结果见表 3。表 3 复杂深基坑阶梯式灌砂钢管桩环形内支撑锚索组合支护剖面位移和内力地层灌砂钢管桩整体位移/mm内支撑受力/kNm-1锚索受力/kNm-116.2341.25-27.5246.52652.25310.3262.52692.25412.36144.561002.32516.52135.251125.36620.32132.521425.36728.69131.651625.35由表 4 可知，一层环形内支撑整体呈受压状态，最大受力位于环形内支撑位置，整个环形内支撑承受较大压力。在整个过程中，内支撑受力随开挖深度的增加而增加，开挖至第 4 层面，内支撑受力为最大值 144.56kN/m。中间设置锚索受力持续增加，最大为基坑底部，即 1625.35kN/m。支护结构位移随开挖深度增加而灵活变换，最大位移值为 28.69mm，处于设计位移限度内且剖面整体稳定性满足要求。3.2 抗倾覆与抗隆起验算在同济启明星 BSC5.0 软件内，根据建筑基坑支护技术规程（JGJ1202012）关于坑底为软土时的抗隆起验算规定，以最下层支点为转动轴心的圆弧滑动模式，假定破坏面为经桩底的圆弧形，根据力矩平衡条件进行各剖面分析。分析前输入各剖面第 1 道锚索、第 2 道锚索、第 3 道锚索和第 4 道锚索的支护入射角度、锚固体直径、自由段长度、锚固段长度以及锚索材料规格，各道锚索支护参数具有一定差异。例如，4-4 剖面第 2 道支护入射角度为 20，锚固体直径为 150mm，自由段长度为 9.5m，锚固段长度为10.5m，锚索材料规格为 4As15.2；第 3 道锚索支护入射角度为 15，锚固体直径为 150mm，自由段长度为 7.5m，锚固段长度为 10m，锚索材料规格为 4As15.2；第 4 道锚索支护入射角度为 15，锚固体直径为 150mm，自由段长度为 5.5m，锚固段长度为 8.5m，锚索材料规格为 4As15.2。代入上述数据，假定案述复杂深基坑力矩平衡转动点位于最下道支撑位置，则在阶梯式灌砂钢管桩+1 道环形内支撑+4 道锚索支护结构中，最大正弯矩为 2488.17kN m/根，最大负弯矩为-2113.62kNm/根，最大位移为 28.69mm，最大正剪力为 706.26kN/根，最大负剪力为-992.63kN/根。表明抗倾覆与抗隆起效果突出。在灌砂钢管桩-3 道环形内支撑组合支护中，最大正弯矩为 1069.25kNm/根，最大负弯矩为-969.25kNm/根，最大位移为 28.32mm，最大正剪力为 489.25kN/根，最大负剪力为-516.25kN/根。表明抗倾覆与抗隆起性能良好。4 结语综上所述，复杂深基坑具有开挖深度大、所处地理位置特殊、周边环境复杂以及分布软弱土体等特点。因此，复杂深基坑支护设计人员应系统考虑场地环境条件、地质条件、施工条件、技术条件以及经济条件，选择恰当的组合支护方案。根据组合支护形式实践情况进行优化设计，确保复杂深基坑组合支护安全。参考文献1 李丹，武文清，杨涛，等.长江漫滩区逆作法施工超深基坑支护结构变形受力分析 J.施工技术，2021，50（7）：18-20.2 刘小良，秘金卫，陈佑童，等.土岩组合深基坑围护结构受力与变形特性分析以青岛海天中心深基坑为例 J.科学技术与工程，2023，23（6）：2549-2557.3 孙秉珍，张淑，杨佳楠.基于前景理论和 BWM 的深基坑支护方案综合评价 J.安全与环境学报，2021，21（1）：70-77.4 蔡忠祥，岳建勇，杨钦，等.软土地区复杂环境条件下深基坑支护技术研究与实践 J.建筑结构，2022，52（增刊1）：2588-2594.5 张明，王继文，周小涵.土岩组合地层长短桩支护结构力学特性研究 J.城市轨道交通研究，2023，26（3）：96-103.