超深大基坑“半逆作”环板支撑体系的应用及力学分析.doc

超深大基坑“半逆作”环板支撑体系的应用及力学分析
陈鹤 孙立柱
（北京市市政工程设计研究总院，北京，100082）
摘 要：本文针对某地铁超深大基坑工程引入了混凝土环形支撑体系的设计理念，并结合地铁工程中较为普遍采用的“盖挖逆作”工法，首创了一种适合大型地铁基坑工程的新型支撑体系--“半逆作”环板形支撑体系。周围15米逆作，中间顺作并对该种支撑体系进行了初步技术、经济分析，论述了该支撑体系的设计和施工中的关键技术。同时，本文对该种环板支撑体系进行了基于FLAC3D的数值分析，建立了三维地层模型并模拟开挖工况，重点研究了环板支撑体系的自身内力变化特点、基坑开挖引起的周边环境变形变位等。通过数值分析，对“半逆作”环板支撑体系设计的合理性和可行性进行了验证，并对工程施工提供了有益的指导。
关键词：超深大基坑 “半逆作”环板支撑体系 三维地层模型 FLAC3D
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1．混凝土环形支撑体系的应用现状
1.1 环形支撑体系的应用概况
在当前应用的基坑支护体系中，对于深大基坑软土地基或城市改造密集建设区的基坑支护，采用环形内支撑体系（主要是钢筋混凝土环形支撑）的已经越来越多，并向超大直径环形支撑发展。目前，环形支撑体系已由单层发展为双层或多层；环梁直径由几十米发展到超过百米；平面上可适应任何平面形状；水平支撑由单圆发展到多圆相连；环梁有圆形、椭圆、边桁架断面由宽腹式向窄腹式发展等。同时，基坑支护监测信息化施工也日臻完善。
1.2 环形支撑体系可应用到任何基坑平面形状
环形支撑体系应用范围如下：
对于近似正方形、圆形平面的基坑：对基坑尺寸较小的，可直接采用内切圆环形支撑，对于圆形超出基坑的部分可做拱形水平桁架突出基坑，或将围护桩沿环梁轴线布置；对于环梁以外的不规则平面，可采用边桁架或局部成拱板。最有利的方案是将围护排桩轴线与环梁轴线相重合，做到桩梁轴线合一。
对于近似矩形的平面基坑：可采用椭圆形环形支撑。如椭圆环梁在中部超出基坑，可在桩外形成拱形桁架或做成桩梁合一突出基坑；如环梁突出基坑受场地限制，也可做成两端半圆环，中部为加长平直段，做成类似椭圆，但对平直段的支护结构必须加固。
对于多边形不规则平面的基坑：可尽量采用大圆环，或用大小环相连来处理，环外不规则部分做成桁架，或用钢管顶撑形成混凝土结构。
1.3 超大环形基坑支撑体系的应用实例
目前国内环形基坑的实例很多，详见表1，其中较典型的有上海绿洲中环中心基坑工程及万都大厦基坑工程，见图1~3所示。

图1 上海绿洲中环中心基坑工程平面（外径210 m） 图2 基坑开挖施工现场照片

图3 上海万都大厦基坑工程（约100m）
表1 国内深基坑超大直径环形支撑体系应用的工程实例
工程项目
基坑
面积
（万m2）
开挖深度
（m）
基坑形状
尺寸（m）
地下
层数
围护结构
环撑直径（m）
环撑
层数
环撑结构
上海万都
中心大厦
1.21
10.3~12.8
（局部14.6）
近似正方形
138×112
2
单排钻孔灌注桩，外加双排水泥搅拌桩
92(圆形)
2
闭合折线的圆形支撑，环外为边桁架
上海万宝
花园广场
1.10
8.8~12.1
近似正方形
100×100
2
单排钻孔灌注桩，外加双排水泥搅拌桩
82(圆形）
2
大圆环支撑，环外边桁架，角钢格构柱支撑
中山市
中山广场
0.70
10~11.92
多边形
106×84
2
单排钻孔灌注桩，外加单排粉喷桩
短84长110
(椭圆形)
1
椭圆环支撑，梁、桩轴线合一，部分为边桁架，灌注桩支撑
厦门吉祥
大厦
0.64
9.6~13.2
矩形
83×78
2
单排钻孔灌注桩，局部外加旋喷桩帷幕
77（圆形）
2
圆形支撑，四角为边桁架，环撑由钢管柱和围护桩桩上刚牛腿支撑
天津今晚
报大厦
1.2
8.7~9.6
多边形
133×130
2
单排钻孔灌注桩，外加水泥搅拌桩
64（圆形）
1
圆环梁，环外放射性钢管支撑
厦门光明
大厦
0.54
13
矩形
77×62
3
单排钻孔灌注桩，椭圆形腰部双排桩
长近72
短近58
（椭圆形）
1
下层
锚杆
上层近似椭圆支撑，四角为边桁架，下层预应力锚杆，钢管组合格构柱支撑
厦门香港
广场（拟建）
0.90
10.1~11.00
多边形
116×92
2
单排钻孔灌注桩，外桩缝高压喷浆
大圆75小圆27
（大小圆相连）
1
大小圆环梁相连，不规则的周边，为边桁架
上海爱俪
园大厦
0.38
10.95~14.45
近似正方形
62×62
2
单排钻孔灌注桩，外加水泥搅拌桩
约52（圆形）
2
圆环梁加边桁架

2．“半逆作”环板支撑体系设计方案
2.1 工程概况
六里桥站为北京地铁9号线与10号线二期换乘车站，车站中部的综合换乘厅平面形状为直径为80 m圆盘形，地下双层结构。换乘厅基坑深17.60 m，中部十号线线路通过部分为地下三层，该部基坑深24.1 m。换乘厅主要位于八一厂西路和京石高速路的绿化隔离带上，周边施工条件较好，无重要建构筑物及大型地下管线。车站的平面布置如图4所示

图4 北京地铁9、10号线车站总平面图（中部为双层换乘圆厅）
2.2 工程水文地质条件
本场地层情况自上而下依次为①1层杂填土、①层粉土填土、②4层中粗砂、⑤层卵石层、⑦层卵石层等，详见表2。

表2 场地各土层的物理力学参数
层次
岩土名称
层厚
/m
重度
γ /kN·m-3
粘聚力
c /kPa
内摩擦角
φ /度
压缩模量
Es /MPa
地基承载力特征值
fk /kPa
侧阻力特征值
qsa /kPa
端阻力特征值
qpa /kPa
1
杂填土
1.2
16.0
0
8
9.9

2
粉土填土
1.0
16.5
10
8
9.9

3
中粗砂
1.5
19.6
0
20
35
300
75

4
圆砾
2.2
20.0
0
30
20
260
120

5
卵石⑤
9.9
21.0
0
40
50
350
120

6
卵石⑦
35.9
21.1
0
45
80
500
130
2800

地层存在粒径大于200 mm的漂石，其分布随机性较强，主要分布于卵石⑤层、卵石⑦层及卵石⑨层中，漂石最大粒径不小于400mm。现况地下水位埋深约25 m，10号线车站局部基坑进入地下水位，需降水作业。
2.3 基坑围护方案
六里桥站换乘厅根据基坑特点采用了“半逆作”环板支撑体系。该支撑体系吸取了环形支撑体系对大型基坑的适应性强的优点和“盖挖逆作”工法对深基坑变形控制较好的优点。该施工方法是先期施做换乘厅内一圈D800钢管混凝土柱和侧墙外的D800@1400钻孔灌注边桩做为竖向支撑体系，再施做车站顶板约15 m范围的环形板带替代临时的环梁作为水平内支撑体系（如图5及图6所示）。竖向支撑体系和水平支撑体系间相互连接，共同形成环形，形成一个整体，共同维持基坑的稳定；再盖挖顶板下土方至中板底面，同样施做环形侧墙及约17 m中板环板依然依靠中板平面刚度作为第二道水平支撑。

图5 换乘厅“半逆作”环板体系基坑平面图

图6 换乘厅“半逆作”环板体系基坑剖面图
2.4 “半逆作”环板体系基坑施工步骤
1）放坡开挖土体至顶板底高程处，施做圆厅侧墙周边D800围护桩及桩顶冠梁；
2）施作盖挖竖向支撑体系。地面钻孔,施作钢管柱基础及安装钢管柱，施作底模；
3）施作换乘厅外环15 m跨范围内的顶板结构,向下预留边墙钢筋及预留侧墙防水层；
4）开挖换乘厅土方至中板底设计高程，施工换乘厅外环17 m范围内地下一层中板结构、施作地下一层边墙结构；
5）开挖土方至换乘厅底板底面高程；
6）施作10号线地下三层边墙、柱和楼板结构；
7）顺作施工内环换乘厅内部楼板及梁柱体系；
8）顺作施工顶板结构,防水层,回填土方。
2.5 环形支撑体系的优越性
1）基坑中间无支撑网盖，使得大型挖土机械科直接进入坑内进行大型土方挖运，与其他内支撑相比，土方开挖的费用可减小一半，工期缩短一半；
2）提供了80%的作业空间，便于地下施工，材料的吊运不受限制，测量放线实现开阔，有利于质量和安全管理；
3）该体系将坑内的水平推力通过桁架和环梁转化为板内轴向均匀受压，变形性能优异，整体刚度好，做到安全可靠与施工方便相统一；
4）结构工程量小，基本无废弃工程，支护总造价大幅降低；
5）特别适合大粒径卵石地层等侧向土压力不大且不可打设锚索的基坑工程。
3．换乘厅施工过程的三维仿真分析
3.1 FLAC3D简介
FLAC是连续介质快速拉格朗日分析（Fast Lagrangian Analysis of Continua）的英文缩写，拉格朗日元法是一种分析非线性大变形的数值方法，这种方法遵照连续介质的假设，利用差分格式，按时步积分求解，随着模型的变化不断更新坐标，允许介质有大的变形。是目前世界上最优秀的岩土力学数值计算软件之一，可用于求解有关深基坑、边坡、基础、坝体、隧道、地下采场及洞室开挖的模拟，也能很好的进行动力分析。这套软件在模拟支护体方面提供了实体单元（zone）梁单元（beam）、桩单元（pile）、锚索单元（cable）、衬砌单元（shell）等多种结构单元，非常适合于研究基坑开挖等岩土工程问题。
3.2 基坑工程的模型的建立和应力分析
计算范围：水平方向取三倍开挖直径，竖向取二倍开挖深度，计算区域为：240×240×50 m，岩土材料及钢管柱采用zone单元模拟，钻孔桩采用pile单元模拟，桩间喷射混凝土采用shell单元模拟，本构模型采用Mohrc模型，模型共有个224640个zone单元，4688个结构单元节点，计算量十分庞大，因此未考虑流体的作用及流固耦合作用。边界条件为：模型底部x、y、z三个方向的位移约束，其他面的外法向位移限制，上面为自由面，建模完成后的网格如图7所示。

图7 建模完成后的模型（1/2部分）
模拟施工过程：初始应力完成后，首先放坡开挖到顶板底面标高位置，将钢管柱所在单元土体材料置换成桩体的材料，并打设灌注桩，施做顶板，钢管柱及灌注桩，再依次开挖中板上土方、施做中板结构，开挖地下二层土方。

图8 开挖至底板位置后的环板结构的最大主应力分布图(pa)
从图8可看出，开挖至底板位置后，作为逆作部分的顶板、中板及钢管柱等二次结构应力分布较为有规律，符合结构的受力特征。顶板及中板的最大主应力在钢管柱、围护边桩等位置应力较为集中，板内应力呈环向分布，单向板特性十分明显。特别是在10号线地下三层开挖范围内顶板及中板的应力明显偏大。
由于施工过程过程中顶板上部土方不回填，钢管柱只承受顶板、中板及侧墙等二次结构自重荷载，开挖工况并非控制性工况。
由图9可看出，只有在土方开挖面以下及车站侧墙结构外，土层有较小的塑性区出现。

图9 围岩的塑性区分布图
3.3 中板结构的应力分析
根据基坑结构的断面来判断，中楼板的环板在作为水平支撑时，需承受地下两层的土压力荷载，水平荷载较顶板大很多。由于中板结构厚度大大小于顶、底板结构，取其水平变形刚度、应力分布等应做重点研究。

图10 中板环板在基坑开挖至地下二层时内力图（pa） 图11 中板环板在基坑开挖至地下三层时内力图（pa）
由图10及11，板内最大主应力[σ1]=8.0X104 ~1.0X105＜[σ0]=1.71X106 (C40混凝土的抗拉强度)，满足设计要求。

图12 中板环板在基坑开挖至地下二层时X方向的位移图（mm）
中楼板环板的水平变形时控制基坑稳定的重要指标，是对采用“逆做法”施工的围护桩的受力分析的重要参数。所以在对围护桩计算之前，必须确定中板环形板带的水平压缩变形值。通过对上图中中板环板在基坑开挖至地下二层时的X方向的位移值，由图12，圆形基坑在X方向上的最大变形值不大于10 mm，可确定沿圆形基坑各向的最大变形值按15 mm来控制（由于圆形基坑的各向同性），满足一级基坑的变形等级要求。
由上述分析，通过中楼板环形板带的的环形变形控制值（相当确定中楼板的水平刚度值），使得采用“增量法”反算围护桩体变形和内力成为可能。
3.4 围护桩的内力分析
换乘厅的围护结构受力也是本工程的一个重点研究问题。根据地层情况及施工作业难度本方案采用D800@1400钻孔灌注桩作为环外侧的围护结构。
1）采用FLAC3D三维模拟计算的围护桩体变位及内力图（开挖至底板工况）。详见图13及图14。

图13 围护桩的变形包络图（mm） 图14 围护桩的弯矩包络图（kNm）
2）采用“增量法”二维计算的围护桩体变位及内力包络图见图15~17所示。
注：
初始：开挖至顶板位置
1：开挖至中板位置
2：开挖至底板位置

图15 围护桩的变形包络图（mm） 图16 围护桩的弯矩包络图（kNm） 图 17 围护桩的剪力包络图（kN）
3.5 内力分析结论
本文通过对逆作部分的二次结构及围护桩等结构的受力及位移等方面的计算，对综合换乘厅施工过程得出了以下结论：
1）本文建立的FLAC3D模型正确有效，可以较为准确的反应换乘厅环形板带的的受力过程，可对设计关注的重点问题做定性分析。
2）通过分析，桩上的最大内力不是发生在基坑已经开挖到底，而是发生在开挖过程中，并且是一个动态的过程，这与传统的山肩邦南假定是有区别的。
3）基坑附近的地表出现了轻微的隆起，随着远离基坑，隆起量越来越小。
4）通过“增量法”及三维模型结果比较三维模型的桩弯矩最大值为503 kN·m,比二维（1.1×1.4×406）的小了24%由于空间效应造成的这种差异是符合理论及实践经验的。
5）整个基坑工程在施工过程中满足受力、稳定性等要求。
参考文献
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作者简介 陈鹤，男、1977.12、北京城市规划学会、工学硕士、高级工程师、、82216611 西直门北大街32号院C座804，市政总院大厦。100082