分步開挖施工方案對某深基坑內支撐支護體系支護結構

變形及基坑外地表沉降變形影響的數值研究

張顯飛  白靜靜 李凱  張艷琳  韓哲

陜西省建筑科學研究院 710082 西安

西安有色冶金設計研究院 710001 西安

    工程概述

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

圖1  基坑支護結構及與地鐵結構關系剖面圖

    本基坑安全等級為一級，東西兩側采用混凝土對撐，南北兩側采用樁錨支護。基坑角點采用角撐加固。具體如下：

    （1）基坑東西兩側均采用三道混凝土支撐結構控制地鐵結構的位移，三道支撐的頂面標高分別為：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。支撐軸力設計值7000kN。

    （2）基坑西側臨近地鐵，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搭接。

    （3）基坑東側，采用鉆孔樁支護，樁徑1.2m，樁間距1.5m，樁間旋噴止水。

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

    基坑支護樁均深入基坑底以下7m，樁長24.9m。

    2、 工程地質概況

    本工程場地原始地貌為水塘，后經回填而成。地面較平整，標高介于5.81~6.62m之間。根據巖土工程勘察報告，擬建場地基坑影響深度范圍內地層自上而下分別為：

    （1）素填土層：主要由礫質粉質粘土堆填而成，局部含碎混凝土塊。濕，稍密狀態。層厚3.2~9.0m，分布于整個場地。

    （2）粉土：頂部為植物生長的土壤層，層內間夾薄層粉細砂。濕，松散狀態。層厚0.6~1.9m，分布于整個場地。

    （3）淤泥質粉細砂：灰黑，黑色，層內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。分布于整個場地。

    （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。層厚1.1~5.7m。分布于場地局部地段。

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

    （6）礫質粉質粘土：由燕山期中�；◢弾r風化殘積而成。含10~25%的石英礫，濕，可塑~硬塑狀態。巖芯呈土柱狀，手捏即散。 層厚1.6~12.6m。分布于整個場地。

    （7）全風化中粒花崗巖：礦物中除石英和少量鉀長石外，均已風化成粘性土。原巖結構清晰，巖芯呈堅硬土狀，具殘余結構強度 。層厚2.4~7.5m。分布于場地局部地段。

    （8）強風化中粒花崗巖：揭露層厚1.55~9.5m。分布于整個場地。

    （9）中風化中粒花崗巖：基坑的南側中風化花崗巖層頂埋深約25~28m，北側較深，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行，與本工程的實際施工過程相同（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變形的控制要求較高，基坑設計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；基坑開挖用施工機械和車輛需要的最小凈空為3.2m左右；基坑施工設計要求基坑開挖施工過程中，嚴禁挖土機械碰撞支護結構，挖土機械通過支撐時，應設置厚度不小于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重不足，需要用機械倒土施工，大大增大了施工難度，從而引起土方工程競標價大幅上漲。對于分段開挖，在第一層開挖時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在支撐位置產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，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，且不經濟。

    鑒于此，本文研究在一定深度的超挖情況下，支護結構及地表的變形情況；研究在保證基坑安全的前提下，能否對基坑進行一定的超挖，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。由于基坑的內支撐體系為現澆鋼筋混凝土支撐，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高（即超挖0.6m），方案三：每分層開挖至支撐梁底面標高（即超挖1.2m）。

    4 、分步開挖對支護結構變形的影響

    三種開挖方案下，支護樁樁身位移如圖3所示。

(a) 左側支護樁樁身變形圖

(b) 右側支護樁樁身變形圖

圖3  三種開挖方案下支護樁樁身變形圖

   從上圖可以看出基坑超挖對基坑變形的影響。對左側支護樁而言，方案三比方案一的最大位移增大約14%；對右側支護樁而言，方案三最大位移比方案一最大位移增大約7%。可見基坑分步開挖深度增大對鄰近地鐵一側支護樁位移的影響為對無地鐵側支護樁位移影響的兩倍。

   從上文的討論可知，由于支撐的作用，使得整個內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，不會對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) 基坑左側地表沉降圖　

(b) 基坑右側地表沉降圖

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。其中左側由于有地鐵區間隧道的影響，坑外地表沉降變化較小；右側地表最大沉降增大約7%，與支護樁最大位移的變化相一致。

    綜上，由于基坑變形主要由內支撐的受壓變形引起，增大基坑的分層開挖深度會增大基坑變形量，但總體位移較小，且在將原設計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，從而節約施工時間并降低工程造價。

    6、結語

    本文采用FLAC數值模擬軟件，在不改變支護設計的前提下，通過對某臨近地鐵的內支撐支護深基坑采用不同分層開挖深度的數值分析，得出在保證基坑安全的前提下，將分步開挖標高由每道支撐頂面調整至每道支撐中部或底面，在增加少量變形的前提下，獲得良好的經濟效益。

 (本文來源：陜西省土木建筑學會     文徑網絡：劉軍 呂琳琳 編輯  劉真 文徑 審核)