分步開挖施工方案對(duì)某深基坑內(nèi)支撐支護(hù)體系支護(hù)結(jié)構(gòu)

變形及基坑外地表沉降變形影響的數(shù)值研究

張顯飛  白靜靜 李凱  張艷琳  韓哲

陜西省建筑科學(xué)研究院 710082 西安

西安有色冶金設(shè)計(jì)研究院 710001 西安

    工程概述

    擬建工程的基坑南北向長(zhǎng)166m，東西向?qū)?/span>57m，擬建地下室四層，基坑開挖深度為17.9m�；�坑西側(cè)緊鄰地鐵車站以及地下商場(chǎng)（商場(chǎng)下部為地鐵主體隧道），地鐵構(gòu)筑物基坑開挖深度約23m，采用排樁內(nèi)支撐支護(hù)，地鐵支護(hù)樁與基坑支護(hù)樁的凈距僅為3.8m，如圖1所示。

圖1  基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及與地鐵結(jié)構(gòu)關(guān)系剖面圖

    本基坑安全等級(jí)為一級(jí)，東西兩側(cè)采用混凝土對(duì)撐，南北兩側(cè)采用樁錨支護(hù)�；�坑角點(diǎn)采用角撐加固。具體如下：

    （1）基坑?xùn)|西兩側(cè)均采用三道混凝土支撐結(jié)構(gòu)控制地鐵結(jié)構(gòu)的位移，三道支撐的頂面標(biāo)高分別為：3.6m、-0.75m、-5.15m（詳見圖1.1）。支撐截面1.0×1.2m，采用C30混凝土澆筑而成。支撐軸力設(shè)計(jì)值7000kN。

    （2）基坑西側(cè)臨近地鐵，采用鉆孔咬合樁。鉆孔咬合樁樁徑1.2m，樁間距1.0m，素混凝土樁與鋼筋混凝土樁交錯(cuò)搭接。

    （3）基坑?xùn)|側(cè)，采用鉆孔樁支護(hù)，樁徑1.2m，樁間距1.5m，樁間旋噴止水。

    （4）基坑南北兩側(cè)采用樁錨支護(hù)，支護(hù)樁樁徑1.2m，樁間距1.5m，樁間旋噴止水；

    基坑支護(hù)樁均深入基坑底以下7m，樁長(zhǎng)24.9m。

    2、 工程地質(zhì)概況

    本工程場(chǎng)地原始地貌為水塘，后經(jīng)回填而成。地面較平整，標(biāo)高介于5.81~6.62m之間。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，擬建場(chǎng)地基坑影響深度范圍內(nèi)地層自上而下分別為：

    （1）素填土層：主要由礫質(zhì)粉質(zhì)粘土堆填而成，局部含碎混凝土塊。濕，稍密狀態(tài)。層厚3.2~9.0m，分布于整個(gè)場(chǎng)地。

    （2）粉土：頂部為植物生長(zhǎng)的土壤層，層內(nèi)間夾薄層粉細(xì)砂。濕，松散狀態(tài)。層厚0.6~1.9m，分布于整個(gè)場(chǎng)地。

    （3）淤泥質(zhì)粉細(xì)砂：灰黑，黑色，層內(nèi)淤泥或泥炭含量不均，局部夾厚為10~30cm的淤泥或泥炭，層厚0.5~7.4m。分布于整個(gè)場(chǎng)地。

    （4）含粘土中粗砂：上部含粘土較少，中下部含粘土較多，飽和，稍密狀態(tài)。層厚1.1~5.7m。分布于場(chǎng)地局部地段。

    （5）含礫粉質(zhì)粘土：約含10%左右的石英礫�？伤軤顟B(tài)。層厚0.7~3.2m。分布于場(chǎng)地局部地段。

    （6）礫質(zhì)粉質(zhì)粘土：由燕山期中�；◢弾r風(fēng)化殘積而成。含10~25%的石英礫，濕，可塑~硬塑狀態(tài)。巖芯呈土柱狀，手捏即散。 層厚1.6~12.6m。分布于整個(gè)場(chǎng)地。

    （7）全風(fēng)化中�；◢弾r：礦物中除石英和少量鉀長(zhǎng)石外，均已風(fēng)化成粘性土。原巖結(jié)構(gòu)清晰，巖芯呈堅(jiān)硬土狀，具殘余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 。層厚2.4~7.5m。分布于場(chǎng)地局部地段。

    （8）強(qiáng)風(fēng)化中粒花崗巖：揭露層厚1.55~9.5m。分布于整個(gè)場(chǎng)地。

    （9）中風(fēng)化中�；◢弾r：基坑的南側(cè)中風(fēng)化花崗巖層頂埋深約25~28m，北側(cè)較深，平均埋深約31m。

    3、 本工程分步施工過程模擬

    模擬開挖施工的過程分四步進(jìn)行，與本工程的實(shí)際施工過程相同（如圖2所示）。具體為：施工步一，開挖至2.4m；施工步二，施作第一道支撐，開挖至6.8m；施工步三，施作第二道支撐，開挖至11.2m；施工步四，施作第三道支撐，開挖至基坑底部（17.9m）。

（a）施工步一  

 （b）施工步二

（c）施工步三 

（d）施工步四

圖2  分步施工過程模擬

    本文研究的星河國際酒店深基坑工程由于由于對(duì)變形的控制要求較高，基坑設(shè)計(jì)要求基坑每分層開挖底面為下一道支撐的頂面，不得超挖；而基坑各層支撐之間的凈距僅3.15m或3.2m；基坑開挖用施工機(jī)械和車輛需要的最小凈空為3.2m左右；基坑施工設(shè)計(jì)要求基坑開挖施工過程中，嚴(yán)禁挖土機(jī)械碰撞支護(hù)結(jié)構(gòu)，挖土機(jī)械通過支撐時(shí)，應(yīng)設(shè)置厚度不小于2.0cm的鋼墊板，且支撐上部覆土厚度不小于30cm。這樣一來，施工所需的空間將嚴(yán)重不足，需要用機(jī)械倒土施工，大大增大了施工難度，從而引起土方工程競(jìng)標(biāo)價(jià)大幅上漲。對(duì)于分段開挖，在第一層開挖時(shí)可先將支撐上部土體開挖掉，然后施作第一道支撐，再將其它部分土體開挖掉，這樣由于第一步分土體開挖后依然有剩余部分土體的支撐作用，所以在第一道支撐施工時(shí)在支撐位置產(chǎn)生的初始位移將比整層開挖要小。但在第一層以下的土層開挖時(shí)，由于上邊有支撐的存在，若仍然采用上述步驟，施工將變得異常困難，且不經(jīng)濟(jì)。

    鑒于此，本文研究在一定深度的超挖情況下，支護(hù)結(jié)構(gòu)及地表的變形情況；研究在保證基坑安全的前提下，能否對(duì)基坑進(jìn)行一定的超挖，以利于基坑開挖施工及在合理的情況下最大限度的降低工程造價(jià)。由于基坑的內(nèi)支撐體系為現(xiàn)澆鋼筋混凝土支撐，為方便其施工，基坑每分層開挖深度不宜超過支撐底面。為此，在原有基坑開挖方案（方案一）的基礎(chǔ)上，提出兩套開挖方案，方案二：每分層開挖至支撐梁的軸線標(biāo)高（即超挖0.6m），方案三：每分層開挖至支撐梁底面標(biāo)高（即超挖1.2m）。

    4 、分步開挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響

    三種開挖方案下，支護(hù)樁樁身位移如圖3所示。

(a) 左側(cè)支護(hù)樁樁身變形圖

(b) 右側(cè)支護(hù)樁樁身變形圖

圖3  三種開挖方案下支護(hù)樁樁身變形圖

   從上圖可以看出基坑超挖對(duì)基坑變形的影響。對(duì)左側(cè)支護(hù)樁而言，方案三比方案一的最大位移增大約14%；對(duì)右側(cè)支護(hù)樁而言，方案三最大位移比方案一最大位移增大約7%�？梢娀�坑分步開挖深度增大對(duì)鄰近地鐵一側(cè)支護(hù)樁位移的影響為對(duì)無地鐵側(cè)支護(hù)樁位移影響的兩倍。

   從上文的討論可知，由于支撐的作用，使得整個(gè)內(nèi)支撐體系的變形較小。這里同樣可以看到每分層超挖后，基坑的變形雖然增大，但總體位移仍較小，不會(huì)對(duì)基坑的安全造成威脅，但允許0.6m（方案二）或1.2m（方案三）的超挖無疑將對(duì)施工大為有利，從而減小施工難度，降低工程施工成本。

   5、分步開挖對(duì)坑外地表沉降的影響

   三種開挖方案下，基坑周邊地表沉降特征如圖4所示。

 (a) 基坑左側(cè)地表沉降圖　

(b) 基坑右側(cè)地表沉降圖

圖4  三種開挖方案下坑外地表沉降圖

    從圖中可以看出，從開挖方案一到開挖方案三，坑外地表沉降增大。其中左側(cè)由于有地鐵區(qū)間隧道的影響，坑外地表沉降變化較��；右側(cè)地表最大沉降增大約7%，與支護(hù)樁最大位移的變化相一致。

    綜上，由于基坑變形主要由內(nèi)支撐的受壓變形引起，增大基坑的分層開挖深度會(huì)增大基坑變形量，但總體位移較小，且在將原設(shè)計(jì)方案的分層開挖深度增大1m的情況下，基坑的變形增大約7%，增大量較小。但在增大基坑分層開挖深度后，基坑施工變得容易，從而節(jié)約施工時(shí)間并降低工程造價(jià)。

    6、結(jié)語

    本文采用FLAC數(shù)值模擬軟件，在不改變支護(hù)設(shè)計(jì)的前提下，通過對(duì)某臨近地鐵的內(nèi)支撐支護(hù)深基坑采用不同分層開挖深度的數(shù)值分析，得出在保證基坑安全的前提下，將分步開挖標(biāo)高由每道支撐頂面調(diào)整至每道支撐中部或底面，在增加少量變形的前提下，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

 (本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)     文徑網(wǎng)絡(luò)：劉軍 呂琳琳 編輯  劉真 文徑 審核)