复杂环境下深基坑内支撑–锚杆支护设计及评价.pdf

文章编号：1007-2993（2023）04-0475-06复杂环境下深基坑内支撑复杂环境下深基坑内支撑锚杆支护设计及评价锚杆支护设计及评价吉晓朋纪凡季（中航勘察设计研究院有限公司，北京100098）【摘要】在北京市中心城区某超深基坑工程实践中，根据基坑周边环境特点，分别采用了地下连续墙+钢筋砼内支撑和地下连续墙+上部预应力锚杆、下部钢筋砼内支撑的支护体系，有效控制了基坑本身及周边建筑物的变形，保证了基坑支护体系和周边建筑物的安全稳定，同时，在周边空间条件允许的情况下，采用上部预应力锚杆代替部分内支撑，可以节约工期，降低造价，为类似工程提供借鉴。【关键词】深基坑；复杂环境；地下连续墙；内支撑；锚杆【中图分类号】TU 473 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2023.04.018Design and Evaluation of Internal Support and Anchor Support in ComplexEnvironment for Deep Foundation PitJi XiaopengJi Fanji(AVIC Institute of Geotechnical Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100098,China)【Abstract】By taking an ultra-deep foundation pit project in the central area of Beijing as an example,according to the differentsurrounding environment of the foundation pit,the supporting systems of diaphragm wall+reinforced concrete internal support and dia-phragm wall+upper prestressed anchor and lower reinforced concrete internal support were respectively adopted in this project.It ef-fectively controls the deformation of the foundation pit itself and surrounding buildings,and ensures the safety and stability of thefoundation pit supporting system and surrounding buildings.At the same time,if the surrounding space conditions match,the upperprestressed anchor could be used to replace partial internal support.It can save the construction period and reduce the cost,and has ref-erence value for similar projects.【Key words】deep foundation pit；complex environment；diaphragm wall；internal support；anchor 0 引言面对城市建设的快速发展和日益繁多的地下工程，在城市复杂环境条件下超深基坑的支护难度越来越大，如何保证基坑开挖过程中的安全稳定，成为基坑设计的难点14。地下连续墙+钢筋混凝土内支撑体系作为基坑支护的受力和止水体系，具有支护及止水效果好、整体刚度大、变形控制能力好等特点，越来越多地应用在超深基坑中58。但内支撑的设置较大地影响了土方的开挖和运输，在地层条件及周边环境条件允许的区域，设置部分预应力锚杆代替内支撑，既能满足支护体系和周边环境的安全稳定，也能提高施工效率，节约工程造价。以北京市某深基坑工程为例，介绍了基坑采用内支撑+预应力锚杆支护体系的设计、施工过程及监测结果，为类似工程提供经验参考。1 工程概况项目位于北京市朝阳区，临近东北三环和机场高速，主体项目为商业、办公楼，地上 16 层，地下 6层（局部 5 层），建筑高度约为 80 m 项目基坑南北方向长度约 100 m，东西方向宽度约 50 m，周长约 300m，基坑面积约 5000 m2，基坑深度 29.0029.80 m，属于超深基坑。2 基坑周边环境本项目基坑周边环境复杂，周边建筑物繁多且变形控制要求高，具体周边环境情况如下：（1）基坑北侧距离基坑约 14 m 位置为中国电子CEC 大厦，地上 16 层，地下 2 层，建筑高度约 70 m，作者简介：吉晓朋，男，1977 年生，汉族，河南洛阳人，工学硕士，高级工程师，主要从事岩土工程设计与施工。E-mail： 第 37 卷第 4 期岩土工程技术Vol.37 No.42023 年8 月Geotechnical Engineering TechniqueAug，2023地下室埋深约 11 m，地基形式为 CFG 桩复合地基。（2）基坑南侧距离基坑约 15 m 位置为中国联通大楼，地上 6 层，无地下室，基础形式为条形基础，天然地基，基础埋深约 3.50 m，建筑物为砖混结构，对变形比较敏感。（3）基坑东侧紧邻现状道路，道路东侧为华商酒店。（4）基坑南侧和东侧贴近围墙有一层民房，砖砌结构，整体性较差。本项目基坑周边环境见图 1。CEC大厦代征绿地联通大厦华商酒店机场高速北南东西主楼地下车库 图 1 基坑周边环境图 3 工程地质及水文地质条件本工程勘探深度（65.0 m）范围内的地层划分为人工填土层和一般第四纪冲洪积层。开挖深度范围内地层主要为粉质黏土、黏质粉土、粉砂、中砂，呈互层分布。钻探深度范围内观测到 5 层地下水，第 1 层为上层滞水，第 2 层为潜水，第 35 层均为承压水。场地典型工程地质剖面见图 2。4 基坑工程特点及总体设计本项目基坑周边建筑物、管线繁多，周边环境保护要求严格，场地空间狭小，工程地质条件复杂。针对上述特点，基坑支护工程设计采用了地下连续墙+钢筋混凝土内支撑（局部预应力锚杆）的支护型式，具体支护设计方案如下：（1）基坑竖向围护体系采用钢筋混凝土地下连续墙，地连墙墙底穿过黏性土层、粉砂层和黏性土层，墙底坐落于中砂层，有效隔断上部 4 层地下水。地连墙厚度 1.00 m，冠梁宽度 1.10 m，高度 0.8m，冠梁标高2.10 m（相对0.00 标高）。场地西侧考虑后续下沉广场施工，局部地连墙墙顶标高设置为7.70 m（相对0.00 标高）。（2）基坑东侧：基坑外侧 3 m 为现状道路，设计4 道预应力锚杆和 2 道内支撑；在征求相关产权单位同意后，锚杆超出了用地红线。（3）基坑西侧：西侧为规划中的下沉广场，考虑后期下沉广场的施工，西侧局部地连墙墙顶下卧至标高7.70 m，上部 7.3 m 采用复合土钉墙支护形式，下部采用 3 道预应力锚杆和 2 道内支撑。西侧现状为待建场地，基坑距离用地红线约 33 m，锚杆均设置于用地红线内。（4）基坑南侧、北侧：南侧邻近联通大厦，北侧邻近 CEC 大厦，为控制基坑及周边建筑物变形，采用 4道钢筋砼内支撑支护体系。基坑设计计算采用同济启明星基坑支护计算软件，基坑东侧及北侧支护结构变形及弯矩计算结果见图 3、图 4。项目基坑设计平面布置图及典型支护设计剖面图见图 5图 8。042024位移包络图(0.035.3)弯矩包络图(2276.52180.5)202040位移/mm深度/m深度/m10203040501020304050弯矩/103(kNm)图 3 基坑东侧计算结果图 02024位移包络图(2.732.3)弯矩包络图(1976.52494.5)位移/mm202040深度/m1020304050深度/m1020304050弯矩/103(kNm)图 4 基坑北侧计算结果图 4036322824201612840481240363228242016128404812高程/m正负零=39.100基坑底第五层承压水第四层承压水第三层承压水第二层潜水第一层上层滞水黏质粉土层粉质黏土层粉砂层粉砂层中砂层中砂层黏土层黏土层黏土层ZK13ZK1438.3438.43 图 2 场地典型工程地质条件剖面图476岩土工程技术2023 年第 4 期施工栈桥北预应力锚索 图 5 第 1、2 道支撑及上部锚杆布置平面图 地下连续墙钢筋混凝土支撑北 图 6 第 3、4 道支撑布置平面图 5 施工过程简介 5.1 施工工艺流程本工程总体施工工序如图 9 所示。5.2 主要工况和时间节点2015 年 4 月 10 日6 月 1 日，完成 50 幅地连墙施工；2015 年 7 月 11 日，完成第 1 道支撑和第 1、2 道锚杆施工；2015 年 9 月 14 日，完成第 2道支撑和第 3、4 道锚杆施工；2015 年 10 月 26 日，完成第 3 道支撑施工；2016 年 3 月 10 日，基坑开挖到槽底，移交总包单位。2016 年 8 月 30 日，地下结构施工至0.00，并采用素混凝土完成肥槽回填。6 基坑工程监测分析 6.1 基坑周边建筑物沉降分析施工过程中对周边建筑物进行了沉降监测，监测数据见图 10、图 11（图中竖向位移负值为向下变形，正值为向上变形）。（1）北侧 CEC 大厦沉降曲线基坑北侧 CEC 大厦沉降曲线如图 10 所示。基坑北侧 CEC 大厦在基坑施工期间总体竖向变形不大，靠近基坑侧以沉降为主要特征，沉降最大点位临基坑侧 ZJ5，为 4.40 mm；远离基坑侧产生一定的回弹，最大为 3.10 mm。监测结果显示，4 道内支撑作为水平受力构件较好地保护了建筑物的安全稳定。（2）南侧联通大厦沉降曲线基坑南侧联通大厦沉降曲线如图 11 所示。基 东红线素混凝土回填第三道支撑第四道支撑1000 厚地下连续墙0.400 m17002.500 m6.700 m11.200 m15.700 m18.600 m2960022.600 m29.400 m44.900 m10001490042800L=42.8 m151515153-7s15.2 钢绞线 L=25.0 m2.02.2 m,自由段 10 m,锚固段 15 m拉力标准值 300 kN,锁定值 250 kN4-7s15.2 钢绞线 L=29.0 m2.02.2 m,自由段 9 m,锚固段 20 m拉力标准值 470 kN,锁定值 300 kN4-7s15.2 钢绞线 L=28.0 m1.51.7 m,自由段 8 m,锚固段 18 m拉力标准值 450 kN,锁定值 350 kN5-7s15.2 钢绞线 L=25.0 m1.51.7 m,自由段 7 m,锚固段 18 m拉力标准值 300 kN,锁定值 250 kN 图 7 基坑东侧典型支护剖面设计图（单位：mm）北红线5873 10002100170082007900400020080074001490042800296002501000第一道支撑第二道支撑第三道支撑第四道支撑素混凝土回填底板浇至地墙边1000 厚地下连续墙L=42.8 m16F 中电发展大厦室内草坪地下 1F地下 2FCFG 桩2.500 m10.700 m暂按 11000 考虑18.600 m22.600 m29.400 m44.900 m 图 8 基坑北侧典型支护（单位：mm）吉晓朋等：复杂环境下深基坑内支撑锚杆支护设计及评价477坑开挖支护过程中，联通大厦变形总体表现出向上回弹沉降回弹的特征。自基坑开挖至地下结构施工期间，未出现过大变形，最大沉降量 3.60 mm，最大回弹量约 4.0 mm。6.2 墙顶水平位移分析（1）基坑东侧墙顶水平位移基坑东侧墙顶水平位移曲线如图 12 所示。基坑东侧支护长度约 80 m，支护设计形式为上部 4 道预应力锚杆，下部 2 道钢筋混凝土支撑，共布设 5 个监测点，其中 S11、S12、S13 位于中间段，最大变形量 31.50 mm，约为基坑深度的 0.8%；S10、S14 临近4 道内支撑支护区域，最大变形量 23.26 mm，约为基坑深度的 0.08%。51005101520253035第 4 道支撑施工完成基坑开挖到底S10S11S12S14S13水平位移/mm日期（年-月-日）2015-07-292015-09-172015-11-062015-12-262016-02-142016-04-042016-05-242016-07-132016-09-01 图 12 基坑东侧墙顶水平位移曲线 监测结果表明：上述设计限制了墙顶水平位移的发展，上部采用刚度较大的 2 道内支撑，相对于 4道预应力锚杆，对支护结构变形的限制能力更强。（2）基坑北侧墙顶水平位移基坑北侧墙顶水平位移曲线如图 13 所示。基坑北侧距离 CEC 大厦约 14 m，采用 4 道内支撑支护体系，共布设 3 个监测点，墙顶最大变形量 18.74 mm，约为基坑深度的 0.06%。505101520第 4 道支撑施工完成基坑开挖到底S6XS7S9水平位移/mm日期（年-月-日）2015-07-292015-09-172015-11-062015-12-262016-02-142016-04-042016-05-242016-07-132016-09-01 图 13 基坑北侧墙顶水平位移曲线 （3）基坑南侧墙顶水平位移基坑南侧墙顶水平位移曲线如图 14 所示。基坑距南侧联通大厦约 15 m，采用 4 道内支撑支护体系，共布设 4 个监测点，墙顶最大变形量 9.78 mm，约为基坑深度的 0.03%。240246810第 4 道支撑施工完成基坑开挖到底S15S16S17S18日期（年-月-日）水平位移/mm2015-07-292015-09-172015-11-062015-12-262016-02-142016-04-042016-05-242016-07-132016-09-01 图 14 基坑南侧墙顶水平位移曲线 6.3 墙体深层位移分析图 15、图 16 为地下连续墙墙体侧向位移曲线。随着基坑开挖，墙体变形逐渐增大，墙体最大变形部 施工准备槽边加固导墙施工场地平整钢筋笼施工立柱（桩）施工地连墙施工第一步土方开挖第一道围檩支撑（锚杆）施工第二步土方开挖第三步土方开挖第四步土方开挖第五步土方开挖第二道围檩支撑（锚杆）施工第三道围檩支撑施工第四道围檩支撑施工挖至槽底，总包插入基础施工 图 9 施工工序流程图 6420246ZJ1ZJ2ZJ3ZJ4ZJ5ZJ6ZJ7ZJ8ZJ9ZJ102015-06-032015-07-232015-09-112015-10-312015-12-202016-02-082016-03-292016-05-182016-07-072016-08-26日期（年-月-日）竖向位移/mm基坑开挖到底第 4 道支撑施工完成 图 10 北侧 CEC 大厦沉降曲线 5311357竖向位移/mm第 4 道支撑施工完成基坑开挖到底ZJ39ZJ40ZJ41ZJ42ZJ43ZJ44ZJ45ZJ46ZJ47ZJ48ZJ49日期（年-月-日）2015-06-032015-07-232015-09-112015-10-312015-12-202016-02-082016-03-292016-05-182016-07-072016-08-26 图 11 南侧联通大厦沉降曲线478岩土工程技术2023 年第 4 期位随开挖深度逐渐下移。开挖到底后，基坑东侧墙体最大变形约 34 mm，北侧侧墙体最大变形约 30.8 mm，最大变形均小于基坑深度 0.4%的要求。45403530252015105005101520253035开挖至基底水平侧移/mm深度/m开挖至第 4 道支撑底开挖至第 3 道支撑底开挖至第 4 道锚杆开挖至第 2 道锚杆开挖至第 3 道锚杆 图 15 基坑东侧墙体侧向位移曲线 基坑变形计算值与实测值对比关系见表 1、表 2。对上述结果进行对比分析，可得出结论：（1）采用 4 道内支撑的支护体系，与采用上部锚杆、下部内支撑的支护体系相比，控制支护结构变形的效果更好。（2）采用 4 道内支撑的基坑北坡计算最大变形值、最大变形位置与实测值均较为吻合。（3）基坑东坡采用上部 4 道锚杆、下部 2 道内支撑的方式，最大变形计算值发生在地面下 15 m，即第四道锚杆标高位置附近，与实测位置有一定偏差，且上部锚杆区域变形计算值比实测值偏大。分析其原因，可能与计算时锚杆采用的支锚刚度偏小有关，后期类似项目计算时可适当提高锚杆支锚刚度。（4）基坑东坡内支撑区域内，最大变形发生在地表下2025 m，变形值约32 mm，与计算结果较为吻合。7 结论及建议（1）针对城区复杂地质与周边环境下的超深基坑工程，设计与施工综合考虑了基坑开挖深度、场地工程地质条件、周边环境条件等多种因素，有针对性地采用地下连续墙、内支撑、预应力锚杆等多种组合支护形式，基坑监测数据分析表明，该支护方案有效地保证了基坑支护体系和周边建筑物、道路、管线等的安全稳定。（2）基坑监测数据分析显示，钢筋混凝土内支撑相较于预应力锚杆，控制支护结构变形的能力更强；锚杆支护区域变形计算值比实测值偏大，可能与计算时锚杆采用的支锚刚度偏小有关，后期类似项目计算时可适当提高锚杆的支锚刚度。（3）在城区复杂环境条件下，地下连续墙是一种 454035302520151050010203040开挖至基底深度/m开挖至第 1 道支撑底开挖至第 2 道支撑底开挖至第 3 道支撑底开挖至第 4 道支撑底水平侧移/mm 图 16 基坑北侧墙体侧向位移曲线 表 1 基坑东坡变形计算与实测结果对比计算值实测值变形值/mm最大变形位置变形值/mm最大变形位置35.3地表下15 m34地表下23 m 表 2 基坑北坡变形计算与实测结果对比计算值实测值变形值/mm最大变形位置变形值/mm最大变形位置32.3地表下25 m30.8地表下24 m吉晓朋等：复杂环境下深基坑内支撑锚杆支护设计及评价479安全可靠的支护形式，同时作为止水体系，对地下水的资源保护也起到积极的作用；在环境条件允许的情况下，采用预应力锚杆与内支撑多种形式的复合支护，取代满堂布置支撑，可以在保证基坑安全的前提下，有效降低造价，节约工期，为结构施工创造更有利的施工空间。参考文献 王笃礼，匡健，沈宇鹏.临近建筑物的基坑支护结构体系研究设计J.岩土工程技术，2017，31（4）：173-179.1张丹，陈全飞，夏向东，等.复杂环境下深基坑优化设计探讨J.岩土工程技术，2019，33（4）：208-213.2李凌峰，刘焕存，魏海涛.紧邻建筑物某深基坑支护设计与评价J.岩土工程技术，2019，33（3）：154-157.3林华国，魏国灵.复杂环境条件下基坑的设计及施工J.广东土木与建筑，2019，26（4）：6-9.4冯颖.钢筋混凝土内支撑结构在超大深基坑中的应用J.施工技术，2016，45（S1）：147-150.5龚晓南.深基坑工程设计施工手册(第二版)M.北京:中国建筑工业出版社,2020.6刘国彬,王卫东.基坑工程手册(第二版)M.北京:中国建筑工业出版社,2009.7赵锡宏.大型超深基坑工程实践与理论M.北京:人民交通出版社,2005.8收稿日期：2022-04-07480岩土工程技术2023 年第 4 期