许联　陈学根　于肖昆

【摘 要】基坑支护不仅要保证基坑本体和周围建筑物的安全，还要保证地下主体结构的安全施工。文章利用BSC有限元软件，结合镇江黄浦置业深基坑工程实例，比较分析了内切单圆形环梁、内切双圆形环梁、内切椭圆形环梁3种方案的优点和缺点，并发现对支撑的优化设计可以提高基坑的稳定性和安全性，减小其变形。对于设计方案的确定需要考虑结构的受力和变形及安全、造价、施工条件等多方面的因素。

【关键词】深基坑;环梁支撑;变形分析;优化设计

【中图分类号】TU473 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）01-0096-03

1 项目背景

经济的发展推动了国内城市建设的迅速发展，各种建筑物屹立于大地之上，中国的基坑技术更是不断发展，蓬勃向上。基坑的支撑方式出现了很多新型的形式，环梁支撑支护结构是基坑开挖中的一种新型支护方式。

陈雨蒙[1]结合基坑工程案例，对基坑环梁支护进行有限元模拟，通过计算结果的对比发现，内支撑的支护形式对基坑变形的控制效果具有重要影响，并总结出最优的环梁支撑布置形式。

段景章等人[2]对环梁设计方法的发展历史和设计过程进行了讨论，总结出最适合环梁支护结构计算的设计方法和施工工艺。通过数值模拟分析了不同开挖顺序下内支架的变形和内力变化，以及时间效应对基坑侧边的影响、土方开挖尺寸对围护结构内力及变形影响等。

李欣[3]使用理正软件和MIDAS/GTS三维有限元软件计算福州的两环桁架。通过将有限元的计算结果与工程实际的监测结果进行对比，验证了采用有限元法模拟环梁支撑在工程设计中应用的可行性。

在基坑支护设计过程中，不仅设计了土体的稳定性计算，同时还包含了土与支护结构的相互关系、地下水渗流等情况，复杂的设计条件和多方面需要考虑因素使得基坑设计变得复杂而富有挑战性。

2 环梁支撑优化的目的和意义

2.1 目的

基坑支护不仅要保证基坑本体和周围建筑物的安全，还要保证土方开挖过程中地下主体结构的安全施工。本文对环梁支撑结构设计进行优化也是同样的目的。

（1）确保基坑内部和周围建筑物安全。基坑支护的主要目的不仅是保证基坑在开挖过程中的稳定性，同时要保证基坑开挖过程中不会对周边的建筑物产生影响。在基坑设计过程中，要根据周边环境确定基坑的设计安全等级，依据变形控制的要求，确定合适的基坑支护方案。合适的支护方案不仅可以保证基坑支护效果，同时可以最大限度地减少工程材料的应用投入。当基坑支护方案确定后，就要对基坑支护结构进行优化设计，以“排桩+内支撑”的基坑支护工程为例。当基坑周边的排桩布置形式确定以后，就要进行内支撑的设计，对于方形基坑而言，环梁支撑具有较大的开挖工作面和较好的基坑支护效果，因此优选环形支撑。环形支撑内部又包括环梁、连梁、辐射梁、角撑等多种支护结构，因此需要对这些支护结构的布置形式进行进一步的细化，以保证支护效果。

（2）保证土方开挖的顺利实施。基坑开挖的一个重要步骤是土方的开挖和运输，如果支撑之间的间距较小，不利于挖机的正常施工，影响施工进度。因此，在基坑内支撑设计过程中在考虑支护结构稳定性的前提下，留下足够的开挖作业面，便于挖机施工和土方外运，保证施工进度。因此，合理的内支撑支护结构应该具有支护结构稳定性好、开挖工作面大、材料用料少的特点。

2.2 意义

合理的内支撑支护结构不仅具有较好的基坑变形控制效果，同时具有基坑支护结构受力合理、土方开挖面大、工程造价低等方面的优势。本文以镇江市某矩形基坑支护项目为例，通过对比角撑与环梁支撑对基坑变形控制效果，以期指导基坑支护方案的设计。

3 工程概况

拟建的基坑工程位于镇江市，基本形式为桩基。正负零高程相当于黄海高程的8.200 m，桩顶的相对高程为-11.20 m，工程桩的顶部埋在平台100 mm中，基坑的底层为100 mm厚，基坑深度为10.0 m，面积约5 800 m2，周长约315 m。

3.1 地质地层

第一層为杂填土，杂色松散，以粉质黏土颗粒和建筑垃圾为主;第二层为素填土，灰黄色稍密，以偏软状粉质黏土为主;第三层为粉土，灰色中密，土质不均匀局部夹杂有粉砂;第四层为粉质黏土，灰色土质不均匀夹杂有薄层粉土;第五层为风化岩，灰绿色岩体完整程度破碎。土层物理力学参数见表1。

由地质勘查报告可知，拟建深基坑工程勘察深度范围内的地下水类型主要为潜水，勘察过程中未见基岩裂隙水。根据《岩土工程勘察规范》[4]规定，该场地环境水类型为Ⅱ类。

3.2 基坑特点

周围环境比较复杂，基坑开挖深度大，变形和应力要求严格。周围建筑物密集，道路通行量大，给施工带来很大困难，特别是地下管道的具体位置，深度和方向不明确。因此，有必要了解各方面的情况，确保施工期间基坑和周围结构的安全。

4 围护方案比选

4.1 设计原则

基坑支护结构的设计受多种因素的影响和限制，即应考虑基坑支护系统和周围结构的安全性，以及地下主体结构的建设和总体建设成本。基坑支护结构系统是一项复杂的系统工程，不仅要保证开挖过程中基坑支护结构的稳定性，同时保证基坑开挖不会对周边建筑产生影响。

4.2 基坑特点

基坑开挖深度大，变形和受力要求高。基坑的挖掘边缘线靠近建筑红线。基坑支护结构不能超过建筑红线，场地相对较紧;基坑周围有建筑物、住宅和交通流量大的道路;施工场地有限，不能采用放坡卸载方案。此外，基坑支护方案受到土方开挖、运输及施工期的限制。

5 环梁支撑优化设计

5.1 支撑布置分析

利用BSC有限元软件，为不同的支撑布置方案建立模型，并进行了以下假设：①材料相同、横截面尺寸相同;②基坑周围的荷载均匀分布;③为避免出现大错误，禁止迭代。

基坑形状不规则，常规的内支撑设计形式为角撑、环撑，现对两种设计形式利用同济启明星BSC软件进行对比分析。本文涉及两种方案，即方案A环撑布置形式和方案B角撑形式，变形计算结果分别如图1、图2所示。

基坑开挖深度为10.0 m，根据《建筑基坑支护技术规程》[5]的有关规定，基坑支护的变形量不得超过开挖深度的2‰。可以看出，当载荷较大时，角撑板图案大于环形图案的变形，并且接近最大允许值20 mm。最终确定选择内环梁支撑方案。

5.2 环形支撑分析

在环撑形式的基础上，又设计内切单圆形（个别杆优化）、内切双圆形（桁架式）和内切椭圆形3种支护方案，变形计算结果分别如图3、图4、图5所示。

（1）经过优化个别杆的单圆环变形是环撑形式的1.2～2.5倍，其变形超过允许最大变形。由于该方案撑竿的密度减小，导致变形量的增大，所以此方案排除。

（2）桁架式双圆环支撑虽然增加了支护的整体刚度，减小了变形，但考虑到造价势必会提高，而且施工空间受到限制，故此方案有待商榷。

（3）椭圆环布撑的变形计算基本上满足要求，但长轴和短轴的比值直接关系到安全问题，且没有成文规范不易确定，所以很难进行优化控制，工程的难度也相对增加。

6 结论

本文通过BSC有限元软件，为不同的支撑布置方案建立数值计算模型。比较分析了不同的设计方案。支撑的优化设计可以提高基坑的稳定性和安全性，减小变形。当载荷较大时，可以利用环形刚度增加基坑的整体刚度，从而可以有效减少基坑的变形，提高整体应力。然而，由于支撑构件密度的增加导致工程成本相对提高，后期土方开挖和地下主體结构的施工不方便。

总而言之，必须结合工程实际情况和设计要求，考虑多方面因素，以确定最优设计方案。

参 考 文 献

[1]陈雨蒙.大型基坑环梁支护体系有限元数值模拟分析[D].成都：西南交通大学，2011.

[2]段景章，秦序柱，李建军.基坑环梁支护结构的综合应用[J].施工技术，2006，35（7）：18-21.

[3]李欣.软土地基中深基坑双环形桁架支撑体系研究[D].昆明：昆明理工大学，2012.

[4]GB 500021—2001，岩土工程勘察规范[S].

[5]JGJ 120—2012，建筑基坑支护技术规程[S].