（河北大地建设科技有限公司上海分公司 上海 201315）
【摘 要】本文通过工程实例，对上海软土地区深大基坑围护结构设计进行了简要的介绍，阐述了基坑围护设计的基本原则，对基坑围护结构设计计算模式、方法作了简要介绍，可供类似工程借鉴参考。
【关键词】软土地区；深大基坑支护；选型设计
【中图分类号】TU463 【文献标识码】A 【文章编号】1002-8544（2017）04-0011-02
基坑工程建设是一个系统性工程，基坑围护结构设计时，需保证支护体系安全可靠、保护基坑周边环境安全、方便施工和经济性。随着基坑规模的不断增大，基坑围护方案的合理选型设计，在整个工程建设过程中发挥着越来越重要的作用。基坑围护形式应根据场地工程地质和水文地质条件、基坑开挖深度和周边环境等因素综合计算分析后确定。
1.上海软土地区工程实例
1.1 工程概况
本工程位于上海市浦东新区高行镇，基坑面积约为25700m2，基坑总延长米约为680m，工程建设内容为新建3栋办公楼7～13层及裙房，设置2层地下停车库，基坑普遍挖深为12.8m，局部挖深为13.65～15.85m。拟建场地周边分布有已建市政道路管线，特别是道路北侧分布有轨道交通6号线，距基坑北侧内边线最近处约为32.5米。
1.2 工程地质情况
本场地地貌单元属滨海平原，土层分布较为稳定，基坑开挖深度范围内涉及土层为第①层杂填土、第②层粉质粘土、第③层淤泥质粉质粘土、第④层淤泥质粘土，其中第③层和第④层土体强度低，灵敏度高，具明显的触变、流变特征，基坑开挖坑底土体易产生隆起、回弹，对围护结构稳定产生不利影响。各土层物理力学性质参数如下表1。
2.基坑围护方案的选型
2.1 选型中的主要问题
（1）本工程基坑面积约为25700m2，开挖深度深约为12.75m，属超大深基坑工程。
（2）场地内分布有③层与④层淤泥质粘性土，土质软弱，开挖过程中易产生蠕变与剪切破坏，导致围护结构稳定性差，坑底易产生回弹隆起。
（3）场地基坑东侧临近已建道路，其下分布有市政管线，距离基坑最近3处约为5.4米；基坑北侧临近轨道交通6号线高架，距离基坑内边线约为32.5米，虽处于轨道交通安全保护区范围外，但仍需控制该侧的变形，以防止对轨道交通6号线产生大的影响。
2.2 常用的基坑支护结构类型以及特点
根据本工程基坑工程特性综合考虑本基坑所处周边环境及场地内土层性质，结合大量类似工程的设计施工实践经验，并结合业主对本工程的工期，可采用的围护形式有：
（1）地下连续墙
地下连续墙为集挡土、承重和防渗于一身的“三墙合一”的墙体，具有抗侧刚度大、基坑开挖阶段水平变形小，防渗性能好，施工工艺成熟，当周围环境要求严格时可作为首选工艺。地下连续墙多采用“两墙合一”的方式，以充分利用地下空间、节约工程造价。地下连续墙在正常使用阶段可充分发挥其垂直承载能力，能有效地减小建筑物、构筑物的沉降。由于地下连续墙的设计与主体结构的设计关联程度高，基坑工程的设计进度受主体地下结构设计进度制约，工期无法保证，且其施工灵活性较差。地下连续墙单价较高，将大大提高工程基坑围护的造价。
（2）钻孔灌注桩结合止水帷幕
灌注桩结合止水帷幕的施工工艺成熟，施工时对周围环境影响小，抗侧刚度比较大，可有效控制周边土体的变形，且灌注桩桩径可根据相应区域基坑的开挖深度，以及基坑开挖阶段水平位移的控制要求等因素分别进行计算确定。灌注桩作为围护体与主体结构的设计关联程度相对较低，且围护桩施工比较灵活。
（3）SMW工法桩
类似挖深的基坑工程可采用SMW工法作为围护体，由于该类型围护体自身的特点，对围护体的变形控制较为严格，否则将会产生由于变形过大引起SMW工法搅拌桩开裂，从而导致基坑发生渗漏水的不利情况，为控制围护体的水平变形势必辅于增大内插型钢插入密度的措施；基坑面积较大，施工周期较长，型钢需待结构顶板完成并回填后方可拔除，型钢租赁期较长，其经济性方面优势不大。
综合考虑各类围护形式的特点结合本工程基坑特性，选择钻孔灌注桩结合止水帷幕的基坑围护形式。
2.3 支撑体系的选择
根据本工程特点和大量类似工程实践经验，结合本基坑工程面积大、开挖深度深，基坑形状角部较为不规则以及工期等因素综合考虑，确定本基坑采用混凝土支撑系统，可供选择的布置形式有正交对撑、圆环支撑或对撑、角撑结合边桁架布置形式。
2.3.1 正交支撑体系
正交对撑布置形式的支撑系统支撑刚度大、传力直接以及受力清楚，具有支撑刚度大变形小的特点，十分适合在敏感环境下面积较小或适中的基坑工程中应用。其缺点也较为明显，支撑杆件密集、工程量大，且出土空间比较小，土方出土速度较慢。
2.3.2 圆环支撑体系
圆环支撑体系在上海地区也得到了一定范围的应用，该支撑体系具有如下典型的优点：
（1）结构受力性能合理。采用以水平受压为主的圆环支撑形式，能够充分发挥混凝土材料优越的受压特性，而且具有较大的刚度和变形小的特点。
（2）圆环支撑在基坑平面形成的无支撑面积比较大，为挖运土的机械化施工提供了良好的多点作业条件。土方开挖可采用竖向分层、岛式开挖为主，可成倍提高挖土速度，大大缩短深基坑的挖土工期，同时也有利于基坑变形的时效控制。
圆环支撑也有其缺点：由于圆环支撑的受力特点，要求土方开挖流程应确保圆环支撑受力的均匀性，圆环四周坑边应土方均匀、对称的挖除，同时要求土方开挖必须在上道支撑完全形成后进行，因此对施工单位的管理与技术能力要求相对更高，同时不能实现支撑与挖土流水化施工。
2.3.3 对撑＋角撑支撑体系
对撑＋角撑的布置形式受力明确，对撑的布置很好的控制了基坑阳角和中部围护体的变形，有利于周围建筑及管线的保护。角部位置通过设置角撑的方式进行解决，可缩短支撑的跨度，增加角部支撑刚度。各个区域的受力均很明确，且相对独立；支撑独立性较强，基坑土方开挖过程中，可实现支撑的分块施工和土方的分块开挖的流水施工，可有效缩短支撑与土方开挖施工的绝对工期。
根据本基坑的面积、形状及周边环境保护等特点，本工程支撑体系采用对撑+角撑的支撑形式，有利于土方开挖，也能很好地控制基坑的变形。
2.4 支撑道数的确定
基坑水平支撑竖向布置的数量，应根据场地工程地质条件、周边环境的保护要求，考虑围护墙受力、土方开挖和机构施工等因素综合确定。通过计算，确定本基坑工程竖向设置三道水平支撑。
3.基坑围护设计方案
3.1 围护结构
3.1.1 灌注桩
本工程基坑围护结构东侧和北侧采用Φ1000@1200旋挖成孔灌注桩加Φ850@600三轴水泥土搅拌桩止水帷幕。旋挖成孔灌注桩有效长度27.05m，插入基底以下15.3m；局部临边深坑区域围护结构采用Φ1050@1250旋挖成孔灌注桩加Φ850@600三轴水泥土搅拌桩止水帷幕，旋挖成孔灌桩有效长度28.35m，插入深坑底以下16.0m。
基坑临南侧与西侧区域围护结构采用Φ950@1150钻孔灌注桩加Φ850@600三轴水泥土搅拌桩止水帷幕，钻孔灌注桩有效长度27.05m，插入基底以下15.3m。
3.1.2 止水帷幕
本方案中灌注桩外侧采用单排的Ф850@600的单排水泥土搅拌桩作为止水帷幕，水泥土搅拌桩有效长度为19.75m、20.35m（临边深坑区域），桩底进入坑底以下7m进行控制。三轴搅拌桩止水帷幕水泥掺量为20％。止水帷幕用三轴水泥土搅拌桩采用套接一孔法施工，单孔直径850mm，孔间搭接250mm，相邻的三轴水泥土搅拌桩相互套打一个孔，以保证搭接长度，满足止水要求。
3.2 支撑系统的设计
3.2.1 支撑体系
本基坑工程竖向共设置三道水平支撑系统，各支撑参数信息见表2（单位mm）。
3.2.2 立柱和立柱桩
立柱的作用是保证水平支撑的竖向稳定，加强支撑体系的空间刚度和承受水平支撑传来的竖向荷载，应具有较好的自身刚度和较小的垂直位移。本工程中采用临时钢立柱及柱下钻孔灌注桩作为水平支撑系统的竖向支承构件。临时钢立柱采用由等边角钢和缀板焊接而成的钢格构柱，其截面为480×480，型钢型号为Q235B，支撑下角钢截面为4L160×16，钢立柱插入作为立柱桩的钻孔灌注桩中不少于3.5m。
本工程立柱桩将采用钻孔灌注桩，支撑下立柱桩桩径为Ф600与Ф800，Ф600的立柱桩桩长为35m，顶部4m需扩径至Ф800；Ф800的立柱桩桩长为36.5m。立柱桩将结合主体工程设计桩位，以尽量利用主体工程为原则进行设计，如无法利用主体工程桩作为支撑立柱桩，则另外新增立柱桩。
3.3 围护设计计算
基坑围护体的计算根据不同工况，采用上海规范推荐的竖向弹性地基梁法计算围护墙的内力和变形，其中土的抗剪强度指标c、φ值均采用三轴固结不排水剪指标，围护桩变形、内力计算和各项稳定验算均采用水土分算原则，计算中地面施工超载原则上取20kPa；在支撑体系的计算中，将支撑与围檩作为整体，按平面杆系进行内力、变形分析。
3.4 基坑开挖对周边沉降影响分析
为预测基坑不同工况的开挖对周边环境的影响，分析时采用了弹塑性本构模型，即Hardening Soil（HS）模型。HS模型为等向硬化弹塑性模型，既可适用于软土也适用于较硬土层。HS模型的基本思想即假设三轴排水试验的剪应力q与轴向应变 成双曲线关系，采用弹塑性来表达这种关系。模型考虑了土体的剪胀和中性加载，在主应力空间中的屈服面并不是固定不变，而是可以随着塑性应变而扩张。该模型可以同时考虑剪切硬化和压缩硬化，并采用Mohr-Coulomb破坏准则。HS模型应用于基坑开挖分析时具有较好的精度。
计算过程中，围护桩采用梁单元来模拟，相应的截面积与惯性矩等几何参数按每延米宽度等效计算，水平支撑用弹簧单元来模拟；围护结构与土体的相互作用采用接触面（Goodman单元）来模拟，该接触面单元切线方向服从Mohr-Coulomb破坏准则。由于接触面的强度参数一般要低于与其相连的土体的强度参数，考虑用一个折减系数Rinter来描述接触面强度参数与所在土层的摩擦角和粘聚力之间的关系；模型底部约束竖向和水平位移，左右两边约束水平位移；施工过程中通过有限元软件的“单元生死”功能模拟基坑土体分层开挖及有关结构构件的施工。
通过计算分析，本工程基坑开挖至坑底轨道交通6号线桥墩基础竖向沉降在3.4～6.5mm左右，差异沉降小于1‰。基坑边最大竖向位移为28mm，市政管线沉降基本处于4mm以内。基坑开挖施工对周围市政道路管线的影响控制在允许范围内。
4.结束语
围护结构的设计，要求工程设计人员抓住基坑支护中的控制性因素，保证基坑土方开挖和地下结构工程施工过程的安全可靠、变形在控制范围内，并尽量做到经济合理。由于深基坑工程的复杂性及设计理论的限制，需要在基坑工程建设全过程中采取动态设计和信息化施工的方法，通过施工信息及时调整设计参数和方案并优化施工，保证基坑工程的顺利进行。
参考文献
[1]郑刚,朱合华,刘新荣,杨光华.基坑工程与地下工程安全及环境影响控制[J].土木工程学报,2016,06:1-24.
[2]DG/TJ08-61-2010,上海市工程建设规范《基坑工程技术规范》[S].2010.
[3]编辑委员会.深基坑支护技术指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.
论文作者:张小雷
论文发表刊物:《建筑知识》2017年4期
论文发表时间:2017/6/15
标签：基坑论文; 工程论文; 立柱论文; 土方论文; 结构论文; 圆环论文; 刚度论文; 《建筑知识》2017年4期论文;