多級(jí)柔性支護(hù)體系下超深坑中坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究
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馮曉臘，張睿敏，熊宗海，勞驥民
（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）
[摘要]在武漢中心工程中，由于建筑功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要，造成基坑內(nèi)出現(xiàn)深度差異，產(chǎn)生了多級(jí)柔性支護(hù)體系下超深坑中坑的現(xiàn)象。針對(duì)深厚軟土工程坑中坑問(wèn)題，總結(jié)了多種形式的坑中坑支護(hù)形式，對(duì)其設(shè)計(jì)方法開展了研究，進(jìn)行了選型優(yōu)化。通過(guò)有限元模擬坑中坑變形及位移，對(duì)坑中坑結(jié)構(gòu)多級(jí)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究，驗(yàn)證了多級(jí)柔性支護(hù)體系下坑中坑懸臂支護(hù)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，并總結(jié)穩(wěn)定性規(guī)律。應(yīng)用表明，多級(jí)無(wú)支撐支護(hù)技術(shù)可取得較好的經(jīng)濟(jì)效益、縮短地下工程工期。
[關(guān)鍵詞]深基坑；支護(hù)；坑中坑；穩(wěn)定性；有限元分析
[中圖分類號(hào)]TU753 [文章編號(hào)]1002 -8498( 2016) 07 -0045 -05
隨著我國(guó)400m級(jí)摩天大樓的發(fā)展，建筑高度不斷增加，基坑開挖深度也隨之增大，特別是在含有深厚軟土地質(zhì)的地區(qū)，超深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)成為當(dāng)前工程界的技術(shù)難點(diǎn)之一。例如，上海金茂大廈，建筑高度420. 5m，基坑含深厚軟土層，采用了地下連續(xù)墻結(jié)合灌注樁擋土墻+內(nèi)支撐的支護(hù)體系；上海環(huán)球金融中心，建筑高度492m，基坑含深厚軟土層，采用了地下連續(xù)墻支護(hù)、坑中坑部分采用鉆孔灌注排樁+1道鋼支撐的支護(hù)形式；上海中心大廈，建筑高度632m，基坑含深厚軟土層，其主樓基坑采用地下連續(xù)墻+環(huán)形支撐的支護(hù)形式，裙樓區(qū)采用兩墻合一的地下連續(xù)墻支護(hù)。由上可知，地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)相對(duì)成熟，但由于工程造價(jià)高昂，且施工過(guò)程中需要換撐施工，使其在超深基坑工程中推廣應(yīng)用受到限制。
本文開展了多級(jí)柔性支護(hù)體系下超深坑中坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究，總結(jié)了多種形式的坑中坑支護(hù)形式。結(jié)合武漢中心工程，考慮其破壞形式，分析坑中坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，歸納出穩(wěn)定性規(guī)律，發(fā)展了基坑多級(jí)支護(hù)技術(shù)，成功應(yīng)用于工程實(shí)踐。
1 坑中坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系
一般情況下，坑中坑的開挖深度不太大、平面形狀也各不相同，但是由于坑中坑開挖土層一般比較軟弱，故應(yīng)因地制宜選擇經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的支護(hù)形式。目前，坑中坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系有通過(guò)土體自身穩(wěn)定性進(jìn)行支護(hù)的，如放坡；有通過(guò)改良土體的強(qiáng)度進(jìn)行支護(hù)的，如重力式擋墻及加固措施；有通過(guò)必要的支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)支擋土體的，如利用復(fù)合土釘墻和支護(hù)樁進(jìn)行支護(hù)。對(duì)于受地下水影響的區(qū)域，坑中坑支護(hù)結(jié)構(gòu)必須配備必要的截（排）水、止水、降水等措施，如設(shè)置截（排）水溝、止水帷幕、滿堂封底、降水井或綜合采取多種措施等。
2 工程實(shí)例
2.1 工程概況
武漢中心工程位于武漢王家墩CBD中軸線南部的起始端，是集辦公、酒店、商業(yè)、會(huì)議等功能為一體的武漢CBD首個(gè)地標(biāo)性國(guó)際SA級(jí)商務(wù)綜合體。工程占地面積28 100m2，地下4層，地下建筑面積82315m2，裙樓地上4層，塔樓88層，總建筑高度438m，地上建筑面積271770m2�；觾�(nèi)外環(huán)境如圖1所示。
基坑總開挖面積約31 600m2，呈不規(guī)則多邊形，場(chǎng)區(qū)自然地面相對(duì)標(biāo)高約-1.200m，塔樓區(qū)域大面積開挖深度為19.00m，非塔樓區(qū)域大面積開挖深度為17.30m，坑中坑開挖深度為25.50m�；涌又锌游挥谖錆h中心外圍大基坑的正南角處，呈不規(guī)則矩形�？又锌幼钌钐幭鄬�(duì)于塔樓基底開挖深度為6.5m，開挖面積約為860m2，其相對(duì)于其他各側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離如下：北側(cè)101m，東側(cè)36.6m，東南側(cè)40.7m，南側(cè)33.9m，西傾0 30.3m。
從基坑的開挖深度看，基坑開挖至基底時(shí)，相對(duì)隔水層已經(jīng)被揭穿，整個(gè)基坑坑中坑位于地層的承壓含水層中，其相應(yīng)坑壁內(nèi)的土層主要為：粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂，粉細(xì)砂夾粉質(zhì)黏土，粉細(xì)砂。
場(chǎng)地地勢(shì)較為平坦，地貌上屬長(zhǎng)江I級(jí)階地�；涌颖诜秶鷥�(nèi)主要地層分布情況及支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。
2.2坑中坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化
本工程坑中坑基底埋深達(dá)25.5m，主坑與坑中坑高差達(dá)6.5m，屬超深坑中坑。由于基坑西側(cè)及南側(cè)原外圍大基坑設(shè)計(jì)方案中有被動(dòng)區(qū)留土，因此根據(jù)相關(guān)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和本工程的巖土工程條件，選擇“支護(hù)樁+1層鋼筋混凝土內(nèi)支撐支護(hù)”的支護(hù)結(jié)構(gòu)，坑內(nèi)設(shè)滿堂高壓旋噴樁加固封底，坑外設(shè)置“懸掛”高壓旋噴樁止水帷幕兼加固體，局部深度較淺區(qū)域采用高壓旋噴樁重力式擋墻支護(hù)。
基坑與地下環(huán)廊同槽施工后，距離原基坑邊40m范圍內(nèi)的環(huán)廊區(qū)土方大面開挖至- 10.000m標(biāo)高，原基坑西側(cè)及南側(cè)的逆作區(qū)施工改為順作施工，原SMW工法樁相應(yīng)破除，且原設(shè)計(jì)的二級(jí)鉆孔灌注樁以下的被動(dòng)區(qū)留土取消，由此導(dǎo)致基坑西側(cè)及南側(cè)以及坑中坑的工況發(fā)生變化，需要對(duì)西側(cè)及南側(cè)外圍大基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及坑中坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。其中，坑中坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化考慮以下因素。
1)原坑中坑西側(cè)及南側(cè)被動(dòng)區(qū)留土取消，使得作用在坑中坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上的主動(dòng)土壓力大大減小。
2)超深降水能夠使坑中坑深度范圍內(nèi)理論上本無(wú)任何黏聚力的粉細(xì)砂在低含水量的狀態(tài)下出現(xiàn)一定的黏結(jié)作用，增強(qiáng)土體的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性。
綜合以上分析，對(duì)坑中坑支護(hù)結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行了優(yōu)化，取消了內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，即采用懸臂支護(hù)樁支護(hù)，其余與優(yōu)化前相同。
3 坑中坑多級(jí)穩(wěn)定性分析
本基坑特殊之處在于外圍大坑支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅受到深厚軟土的影響，還受高水頭承壓水的影響，相應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)土方開挖卸載敏感性非常強(qiáng)，因此必須分析坑中坑開挖對(duì)外圍大坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。超深坑中坑工程自身具有很強(qiáng)的空間特性，因此分析坑中坑土方開挖對(duì)外圍大坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響范圍非常重要。
在研究坑中坑開挖對(duì)外圍大坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形性狀造成的影響時(shí)，引入?yún)?shù)距離比X= B/H，其中B為坑中坑與外圍大坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的相對(duì)距離，H為坑中坑的開挖深度，通過(guò)控制單因子變量的方法進(jìn)行分析。定義東側(cè)、北側(cè)淺層局部卸土典型剖面為剖面I，東側(cè)、北側(cè)淺層水平錨管典型剖面為剖面Ⅱ，南側(cè)典型剖面為剖面Ⅲ，西側(cè)典型剖面為剖面Ⅳ，西南側(cè)角部混凝土支撐典型剖面為剖面V。
坑中坑開挖深度為6. 5m，令H=6.5m為不變量，坑中坑與外圍支護(hù)結(jié)構(gòu)相對(duì)距離B變量，通過(guò)改變B的取值，分析各典型剖面支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移6、最大位移出現(xiàn)位置h、被動(dòng)區(qū)抗力安全系數(shù)k t k、被動(dòng)區(qū)抗力合力E p t k、被動(dòng)區(qū)土壓力合力E p、支護(hù)樁彎矩Mk的變化，來(lái)確定坑中坑開挖的影響范圍。根據(jù)X=B/H =1～10的計(jì)算結(jié)果，上述各參數(shù)變化關(guān)系如圖2，3所示。
圖2及圖3分別表示了0~10倍坑中坑深度范圍內(nèi)，外圍大坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移和最大水平位移在圍護(hù)墻上位置的變化情況。圖中曲線明顯隨著距離比B/H的增大呈遞減的趨勢(shì)變化。
圖2中，最大水平位移具有明顯的變化規(guī)律，B/H =0～3區(qū)段曲線的曲率變化很大，隨著B/H增大，位移明顯減�。辉贐/H =3～7區(qū)段，曲線的曲率變化放緩趨于平穩(wěn)狀態(tài)；在B/H≥7區(qū)段，各剖面圍護(hù)墻的位移變形曲線基本為直線。由于剖面Ⅲ和剖面Ⅳ支護(hù)結(jié)構(gòu)相同，不同的是剖面Ⅳ的土層多了黏土層，且淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土較剖面Ⅲ厚2. 5m，總的來(lái)說(shuō)剖面Ⅳ的土層性質(zhì)較差。圖中明顯可以看出，剖面Ⅳ的位移比剖面Ⅲ的要大，因此，可以說(shuō)明地處土層性質(zhì)較差的外圍大坑支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)坑中坑開挖的敏感性要大。
圖3中，各曲線總體的變形趨勢(shì)都是隨著B/H的增大，最大水平位移的位置朝著樁頂位置移動(dòng)，并到某- B/H值時(shí)區(qū)域穩(wěn)定不變，但當(dāng)B/H≥7時(shí)所有曲線全趨于穩(wěn)定不變。除剖面V支護(hù)結(jié)構(gòu)采用樁撐支護(hù)外，其余各剖面均采用樁錨支護(hù)，從圖中可以看出采用樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的收斂速度明顯較樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的慢。
被動(dòng)區(qū)抗力合力E p t k與B/H關(guān)系如圖4所示，被動(dòng)土壓力合力E p與B/H關(guān)系如圖5所示，被動(dòng)區(qū)抗力安全系數(shù)k t k與B/H關(guān)系如圖6所示。
同樣，圖4～6所示曲線具有明顯的變化規(guī)律，即3個(gè)圖中曲線變化具有明顯變化的區(qū)段，即B/H =0～3,B/H =3～7,B/H≥7.B/H =0～3內(nèi)曲線曲率隨著B/H的增大變化顯著；B/H =3～7內(nèi)曲線曲率隨著B/H的增大變化較為平穩(wěn)；B/H≥7內(nèi)曲線曲率隨著B/H的增大基本不變，呈直線。
圖4中，由于兩類支護(hù)結(jié)構(gòu)和有效開挖深度的不同，造成了不同的兩類曲線變化。剖面I，Ⅱ支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用SMW樁支擋淺層土體，中部采用被動(dòng)區(qū)留土反壓，下部采用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，為多級(jí)柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)；剖面Ⅲ、剖面Ⅳ和剖面V則采用外圍淺層土體大放坡結(jié)合樁錨或樁撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)，為普通組合支護(hù)結(jié)構(gòu)；且2種支護(hù)結(jié)構(gòu)類型所對(duì)應(yīng)的有效開挖深度不同，前者有效開挖深度為5. 5m，后者有效開挖深度為8. 5m。多級(jí)柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)的被動(dòng)區(qū)抗力合力E p t k值較小，且變化平穩(wěn)；普通組合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系被動(dòng)區(qū)抗力合力E p t k值較大且在B/H=0~3時(shí)變化較大。
圖5中，B/H =0～3內(nèi)曲線反映被動(dòng)土壓力合力E p隨著B/H的增大而增大；當(dāng)B/H =3～7時(shí)，E p變形區(qū)域穩(wěn)定；當(dāng)B/H≥7時(shí)，E p基本不變。擁有相同支護(hù)結(jié)構(gòu)的剖面Ⅲ，Ⅳ，由于剖面Ⅳ土層性質(zhì)相對(duì)差一些，E p反而較大，說(shuō)明軟土層越厚，支護(hù)結(jié)構(gòu)所反映的敏感性越強(qiáng)。
圖6中，被動(dòng)區(qū)抗力安全系數(shù)k t k=E p/E p t k與E p和E p t k的變化趨勢(shì)有關(guān)，E p隨著B/H的增大從較。陜?cè)龃蟮狡椒�(wěn)，E p t k隨著B/H的增大從較快減小到平穩(wěn)或平穩(wěn)變化，因此被動(dòng)區(qū)抗力安全系數(shù)k t k與被動(dòng)土壓力合力E p的變化趨勢(shì)相同。
支護(hù)樁彎矩與B/H關(guān)系如圖7所示。
圖7中，每個(gè)剖面曲線反映的變化規(guī)律大致相同，都是隨著B/H的增大呈遞減趨勢(shì)，曲線近似“勺”形，且當(dāng)B/H≥7時(shí)，正、逆工況的樁身彎矩曲線基本呈直線，且兩工況的彎矩值基本相等。同時(shí)，普遍情況下逆工況的樁身彎矩較正工況的小，且在B/H =0～3區(qū)段內(nèi)曲線曲率變化大。
通過(guò)對(duì)B/H =7時(shí)與不考慮坑中坑的外圍大坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，可以得出本基坑工程中，當(dāng)B/H≥7，坑中坑的開挖對(duì)外圍大坑支護(hù)結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有影響，即B/H =7可作為次影響區(qū)和穩(wěn)定區(qū)的明確分界點(diǎn)。
4坑中坑多級(jí)穩(wěn)定性的規(guī)律
1)隨著距離比B/H的增大，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移δ、最大位移出現(xiàn)位置h、支護(hù)樁的彎矩M k呈遞減趨勢(shì)變化；被動(dòng)區(qū)抗力安全系數(shù)k t k、被動(dòng)區(qū)土壓力合力E p呈遞增趨勢(shì)變化。因此，可以得出坑中坑距離外圍大坑支護(hù)結(jié)構(gòu)越遠(yuǎn)，對(duì)其影響越小，相應(yīng)大坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性越高。
2)相同支護(hù)結(jié)構(gòu)，所處的土層性質(zhì)不同，外圍大坑支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)坑中坑開挖的敏感度不同，土層性質(zhì)較差地區(qū)的支護(hù)結(jié)構(gòu)敏感度較高，相對(duì)穩(wěn)定性較差。
3)從不同曲線隨距離比B/H變化來(lái)看，可以大致分為3個(gè)區(qū)間，即B/H =0～3為主影響區(qū)域，B/H=3～7為次影響區(qū)域，B/H≥7為穩(wěn)定區(qū)域。采用被動(dòng)區(qū)抗力安全系數(shù)k t k來(lái)劃分各影響區(qū)域，如圖8所示。
5坑中坑多級(jí)穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析
通過(guò)上述基于本基坑工程的坑中坑多級(jí)穩(wěn)定性分析，可以確定當(dāng)坑中坑位于距離外圍大基坑3倍坑中坑深度范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)外圍大坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響最大。本工程坑中坑大部分處于次影響區(qū)，局部位于穩(wěn)定區(qū)，由于剖面Ⅳ西側(cè)的B/H=4.7最小，相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)外圍大坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響最大，選擇由PLAXIS對(duì)選取剖面Ⅳ進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析。計(jì)算過(guò)程及結(jié)果如圖9所示。
通過(guò)上述分析，可得坑中坑圍護(hù)體系最大水平位移為14. 53 mm，豎向最大位移為24. 61mm，相應(yīng)總體位移為28. 59 mm，坑底隆起為32. 42 mm，均滿足規(guī)范位移δ≤40mm的要求。與地下環(huán)廊同槽施工后西側(cè)及南側(cè)外圍大坑圍護(hù)體系最大水平位移為30. 79mm，豎向最大位移為15. 20mm，相應(yīng)總體位移為33. 59mm，坑底隆起為32. 91mm，均滿足規(guī)范位移6≤40mm的要求。通過(guò)以上分析，說(shuō)明了坑中坑的開挖對(duì)外圍大坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響不大，即坑中坑采用剛性支護(hù)樁、柔性坑外加固及坑內(nèi)滿堂加固“剛?cè)?#8221;相結(jié)合的支護(hù)結(jié)構(gòu)取得了好的支護(hù)效果。
6 結(jié)語(yǔ)
1)對(duì)于超深坑中坑，定義B為坑中坑支護(hù)結(jié)構(gòu)邊與外圍基坑的距離、日為超深坑中坑的開挖深度，當(dāng)B/H =0～3時(shí)，坑中坑對(duì)外圍大基坑的作用位于主影響區(qū)域；當(dāng)B/H =3～7時(shí)為次影響區(qū)域；當(dāng)B/H≥7時(shí)為穩(wěn)定區(qū)域。這表明坑中坑的開挖深度和距離外圍大坑的相對(duì)關(guān)系，對(duì)支護(hù)體系的受力、變形和穩(wěn)定性有一定影響�？偨Y(jié)出坑中坑距離外圍大坑支護(hù)結(jié)構(gòu)越遠(yuǎn)，對(duì)其影響越小，相應(yīng)大坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性越高。
2)坑中坑在條件適當(dāng)時(shí)，采用柔性支護(hù)，減少了1層內(nèi)支撐造價(jià)，縮短了工程工期，加快了施工速度，減少了施工成本，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。
3)在缺乏針對(duì)坑中坑的設(shè)計(jì)規(guī)范和理論情況下，采用常規(guī)理論對(duì)坑中坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，并用有限元軟件進(jìn)行模擬分析，能夠很好地反映坑中坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和位移。
4)坑中坑支護(hù)設(shè)計(jì)未考慮工程樁與支護(hù)樁的協(xié)同作用，這種協(xié)同作用可作為今后進(jìn)一步研究的方向。
