曹笑颦

(深圳市市政设计研究院有限公司， 广东 深圳 518029)

随着城市地下空间的不断开发利用，越来越多的基坑工程靠近既有地下室，传统的桩+锚索工艺在施工空间上受到限制，而斜抛撑结构布置灵活，可局部应用于基坑支护体系，相对于整体内支撑结构，方便土方开挖，可以缩短工期、减少造价，具有明显的经济效益。

本文以深圳岗厦旧城改造项目1#地块基坑支护为工程背景，介绍了斜抛撑的设计及施工过程和施工期间的监测结果。

有限元方法为基坑工程分析的重要手段，Clough、Simpson、Ou[1～3]等采用有限元方法对基坑开挖进行了模拟。本文采用Midas/GTS对施工工况进行三维有限元模拟，分析了基坑开挖过程中的坑顶变形、围护结构侧移和支撑轴力的变化情况。通过分析比较计算结果与监测数据，笔者提出了一些类似工程的设计建议和有效加固措施，以期给类似基坑工程提供一定的参考。

1 工程概况

岗厦旧城改造项目1#地块位于深圳市福田区，北临深南大道，西临金田路，东侧为空地，南侧为福岗园高层住宅，建筑用地面积约2.5万m2，总建筑面积约24.5万m2， 3层地下室，基坑周长约688 m，基坑深度13.3～16.3m。目前该基坑开挖完成，地下室底板已浇筑完毕，基坑变形稳定。福岗园高层住宅有一层地下室，采用人工挖孔桩基础，其北侧为本项目待挖基坑，西侧为中洲地产在建基坑，两地块基坑挖通，在福岗园西北侧形成一个阳角，中洲项目基坑采用排桩+两道对撑支护结构，平面布置图如图1所示。

图1 基坑支护平面布置图

地层岩性从上到下依次为杂填土、有机质细砂、粉质粘土、中砂、全风化～微风化花岗岩。场地内地下水有填土层中上层滞水、砂层中孔隙潜水及下伏基岩强～中风化层中裂隙承压水。含水层富水性较好，透水性较强，接受大气降水和侧向迳流补给。地下水水位埋深在2.20～4.20 m，平均3.02 m。

2 基坑支护设计

2.1 方案比选

方案一：桩+整体内支撑方案

整体内支撑结构刚度大，控制变形能力强，可适用于本项目，然而基坑占地面积大，内支撑支护结构体系复杂，土方开挖施工空间小，施工时间长，再加上后期地下室施工拆撑工序，总工期长且造价高，故不采用此支护方案。

方案二：整体桩+锚索方案，靠近福岗园侧采用大直径桩+斜抛撑或者双排桩支护

采用桩锚支护体系，能为基坑开挖提供较大工作面，且锚索工艺广泛应用于深圳深基坑支护，施工工艺成熟、速度快，且造价低。本项目北侧、西侧和东侧均采用桩锚方案施工。

对于南侧靠近福岗园段坑壁距离挖孔桩基础仅7.7 m，锚索施工无法避开福岗园桩基础。若采用双排桩方案施工，需侵占本项目外地块，而最多利用空间也仅有5 m，双排桩支护施工操作面狭窄，且前后排桩间距小，不利于控制基坑变形。

结合基坑周边环境、工程工期，通过方案比选，基坑南侧采用大直径桩+斜抛撑支护结构，搅拌桩止水[4,5]。

2.2 桩+斜抛撑设计和施工

设计采用大直径围护桩+搅拌桩止水+斜抛撑+临时钢管撑的支护形式。围护桩桩径1.4 m，间距1.6 m，采用旋挖桩机跳钻施工，桩顶设置一道1.4 m×0.8 m钢筋混凝土冠梁，为减小阳角点变形，阳角位置设置背拉梁；桩后采用搅拌桩止水，搅拌桩直径0.55 m，间距0.4 m，采用四搅四喷工艺，每米水泥用量不少于55 kg/m，搅拌桩止水帷幕需穿透砂层，进入残积土或全风化不少于1.5 m控制。钢筋混凝土斜抛撑截面尺寸0.8 m×0.8 m，间距6.4 m，其支撑在坑底承台上，承台下设置两根直径0.8 m抗滑墩。

施工顺序为先施工搅拌桩和旋挖桩，土方开挖至临时钢管撑标高处时，坑内预留平均宽度约15 m的土条，临时钢管支撑在土条上，钢管施工完毕后再进行土方开挖，施工腰梁、承台、抗滑墩和斜撑，达到强度后拆除临时钢管支撑系统，再挖除反压土方，开挖至基坑底。

在基坑开挖完成后，坑顶水平位移变形速率增加较快，设计采用钢管支撑进行加固，在已施工抗滑墩承台上植筋，施工混凝土牛腿，钢管的一端顶在牛腿上，另一端顶在已施工腰梁上，节点处采用钢板及螺栓连接。斜抛撑布置剖面如图2所示，现场施工照片如图3所示。

3 监测结果

施工过程中通过对基坑坡顶水平位移、深层水平位移(测斜)及支撑轴力监测，密切关注基坑变形，对变形趋势作出评价，必要时需采取加固措施处理。

图2 斜抛撑布置剖面图/mm

图3 现场施工照片

斜抛撑段于2011年5月开始施工，2011年8月底钢筋混凝土斜抛撑施工完毕并拆除临时钢管支撑，坑顶变形约17 mm；在斜撑以下反压土挖除以后坑顶水平位移约27 mm，在随后的一段时间，坑顶变形增加速率较快，在2011年12月达到约42 mm，为控制变形进一步发展，采用钢管支撑进行加固。钢管撑施工完毕后，坑顶变形稳定在55 mm左右。坑底人工挖孔桩施工过程中，坑顶水平位移继续增大至68 mm，阳角点变形最大值达72 mm。挖孔桩施工完成后，坑顶变形稳定。水平位移监测随时间变化曲线如图4所示。

图4 水平位移监测随时间变化曲线

测斜监测值由上向下逐渐变小，顶部位移值最大，约70 mm，与水平位移监测结果基本一致。

现场采用钢筋应力计对支撑轴力进行监测，支撑轴力计算公式为：

(1)

式中，P为支撑轴力；Ec为混凝土的弹性模量,C30混凝土弹性模量为30 kN/mm2；Es为钢筋的弹性模量,HRB335钢筋弹性模量为200 kN/mm2；σt为钢筋应力，现场监测最大值为60 MPa；A为混凝土截面积，为6.4×105mm2。

根据式(1)计算得支撑轴力最大值5760 kN，则斜抛撑最大压应力为9 MPa，小于C30混凝土强度设计值14.3 MPa。

从现场监测结果来看，钢管加固以后，斜抛撑轴力最大值由之前的5760 kN减小为5200 kN，减小幅度约10%。

4 三维数值分析

4.1 计算模型

用Midas/GTS有限元计算软件建立三维模型进行分析，福岗园地下室结构采用板单元模拟，福岗园人工挖孔桩、抗滑墩、斜抛撑、钢管撑和腰梁采用梁单元模拟，围护桩等效为地下连续墙结构，采用板单元模拟，岩土体、承台和牛腿采用五面体实体单元模拟，水泥搅拌桩考虑为加固后的土体，岩土体本构模型采用Mohr～Coulomb弹塑性本构模型[6,7]。划分网格完成后模型一共含单元约5万个，网格模型如图5所示。

图5 三维有限元模型

围护桩桩径1.4 m，间距1.6 m，根据等效连续墙计算公式计算得等效连续墙厚度h为1.12 m。

等效连续墙厚度计算公式：

(2)

式中，d为排桩的单桩直径，取值1.4 m；bk为排桩的相邻桩中心间距，取值1.6 m。

计算假定：(1) 不考虑基坑开挖和降水对土体性质的影响，基坑开挖期间土体按不排水条件考虑，不考虑渗流和固结的影响；(2) 迭代计算方法采用Newton-Raphson法[8,9]；(3) 收敛标准采用位移收敛标准；(4) 弹塑性材料流动法则为相关联流动法则；(5) 施工期间作用在基坑周边的荷载按照20 kPa考虑；(6) 由于福岗园工程桩为挖孔桩，且挖孔桩进入中风化土层，其上部结构荷载由挖孔桩承担，模型未模拟上部结构；(7) 实际施工中第一步钢管支撑为考虑斜抛撑施工和养护而设置，其支撑在预留土条上，斜抛撑施工完成后拆除，其为临时支撑，本模型未模拟。计算所采用的参数见表1所示。

表1 各个地层岩土工程参数

4.2 施工步骤

数值分析按如下施工步进行模拟：

(1) 初始荷载步：激活所有土体单元，施加自重荷载，位移归零，计算初始应力场；

(2) 施工步一：基坑围护结构的施工，激活围护结构单元；

(3) 施工步二(第一步开挖)：开挖第一部分土体(挖至第一道斜抛撑位置)，钝化基坑范围内第一部分的土体单元。

(4) 施工步三(斜抛撑施工)：激活腰梁、斜抛撑、承台和抗滑墩单元；

(5) 施工步四(第二步开挖)：开挖至基坑底，钝化斜抛撑以下土体单元；

(6) 施工步五(钢管加固)：激活牛腿和钢管撑单元。

4.3 计算结果分析

(1) 基坑顶水平位移

通过计算可以看出，开挖至斜抛撑位置时，基坑顶水平位移约30 mm，随着基坑的开挖，坑顶水平位移逐渐变大，在基坑开挖到坑底时，支护水平位移最大48 mm，钢管施工后，坑顶水平位移稳定在48 mm，较监测结果值55 mm略小。基坑开挖至坑底后水平位移云图如图6所示。

图6 基坑开挖至坑底水平位移变形云图

基坑开挖至坑底后采用钢管支撑加固，围护结构水平位移随深度变化情况计算结果及监测情况如图7所示。围护结构变形曲线呈挠曲线的形式，变形顶部大，下部小，最大位移发生在坑顶。

图7 基坑开挖至坑底时围护桩侧移计算值与实测值

(2) 斜抛撑支撑轴力

斜抛撑采用C30钢筋混凝土结构，其截面尺寸为0.8 m×0.8 m，根据三维计算结果，随着基坑开挖，斜抛撑轴力逐渐变大，开挖到坑底后，其最大轴力约4950 kN，钢管支撑施工后斜抛撑轴力未发生变化。

5 监测与计算结果比较分析

实际监测结果较三维有限元计算结果大，笔者分析有以下原因：

(1) 福岗园三面均为在挖基坑，福岗园与本项目基坑间为宽度5～8 m的狭长土条，根据库伦土压力静力平衡理论[10]，假定福岗园工程桩不发生位移，滑动楔形体由三角形变为梯形，计算中，主动土压力折减。而实际施工过程中排水管破裂，福岗园另外三侧均施工了止水搅拌桩，污水集中此土条区域排泄不畅通，一来降低土层抗剪强度指标，引起主动土压力增大，二来此地段含有4～5 m厚的砂层，水压力直接作用在支护结构上，引起支护结构发生向坑内的变形。

(2) 福岗园西侧为中洲项目基坑，两地块基坑挖通，在福岗园西北角形成一个阳角，中洲基坑采用排桩+两道对撑支护结构，阳角点位置受空间效应的影响为一个薄弱点，受两侧土体挤压，其变形较大[10]。

(3) 人工挖孔桩靠近坑壁开挖，密集且为大直径桩，坑底土方开挖引起基坑被动土压力减小，也会引起坑顶位移增大，挖孔桩浇筑完成后变形稳定，整个人工挖孔桩期间基坑坡顶位移累计增加约13 mm。

6 结论与建议

(1) 对于大面积基坑工程，在邻近既有地下室地段，锚索施工空间受到限制，斜抛撑结构布置灵活，可局部应用于基坑支护体系。相对于整体内支撑结构而言，此支撑体系简单、土方开挖方便、工期缩短，造价降低，具有明显的技术经济效益。

(2) 从监测结果可以看出，2011年9月斜撑以下反压土挖除，其坑顶水平位移约27 mm，在随后的一段时间，坑顶变形增加速率较快，在2011年12月达到42 mm，土体变形的发生有一个时间段，因此建议此段先留土反压，斜撑以下土体可待挖孔桩施工前再挖除，开挖完成后需及时施工地下室底板，尽量减少基坑暴露时间。

(3) 建议此类项目施工过程中需重视土条处地下水疏排，尽量减小地下水对基坑的影响。

(4) 在基坑开挖期间，坑顶位移达到报警值后采用了钢管支撑进行加固，钢管直接顶在阳角点坑顶冠梁处，监测数据表明，钢管支撑及时有效的控制了坑顶位移，且其施工方便，可回收利用，此种形式可作为一种加固措施应用于类似工程中。

(5) 当工程桩采用人工挖孔桩时，基坑支护设计需充分考虑人工挖孔桩施工对基坑变形的不利影响，并在实际施工时采取分批跳挖、增加临时支撑等措施，确保基坑支护结构的安全与稳定。本工程挖孔桩施工期间，基坑坡顶水平位移累计增加约13 mm。

(6) 抛撑结构对后期地下室施工影响较大。地下室底板需留洞，二次浇注，抛撑施工还涉及底板分块防水处理、拆撑换撑等问题，且钢筋混凝土抛撑、抗滑墩和承台等施工均需一定龄期养护，建议此类支护形式中选择大直径支护桩，加强围护结构的刚度，减少抛撑工程量，从而减小抛撑结构施工对工期和变形控制的不利影响。

[1] Clough G W, Weber P R, Lamont J. Design and Observation of a Tied-back Wall [C]// Proceeding ASCE Specific Conference on Performance of Earth and Earth-Supported Structure. New York: Purdue University, 1972: 1367-1390.

[2] Simpson B.Thirty-second rankine lecture retaining structures displacement and design[J]. Geotechnique, 1992, 42(4): 541-767.

[3] Ou C Y, Lai C H. Finite element analysis of deep excavation in layered sandy and clayey soil deposits[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1994, 31(2): 204-214.

[4] 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.

[5] JGJ 120-99, 建筑基坑支护技术规程[S].

[6] 王浩然, 王卫东, 徐中华. 基坑开挖对临近建筑物影响的三维有限元分析[J]. 地下空间与工程学报, 2009, 5(s2): 1512-1517.

[7] 薛 莲, 傅 晏, 刘新荣. 深基坑开挖对临近建筑物的影响研究[J]. 地下空间与工程学报, 2008, 4(5): 847-851.

[8] 李 萍, 邓小鹏, 相建华, 等. 基坑开挖与支护模拟的位移迭代法[J]. 岩土力学, 2005, 26(11): 1815-1818.

[9] 武亚军, 栾茂田, 任汉锋. 深基坑支护设计增量法的理论分析及其应用[J]. 工业建筑, 2004, 34(9): 1-4.

[10] 张克恭, 刘松玉. 土力学[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2001.