基于自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑開挖研究

王建勝

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司 北京 100018)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，區(qū)域建筑密度越來越高，建筑建設(shè)過程對周邊區(qū)域及建筑影響越來越顯著[1]?；娱_挖是建筑建設(shè)的基礎(chǔ)，操作不當(dāng)將對周邊建筑產(chǎn)生較大影響，造成地表與建筑物出現(xiàn)沉降[2]，當(dāng)沉降量達(dá)到一定值后，將導(dǎo)致地表或建筑物使用功能損傷，嚴(yán)重將造成經(jīng)濟(jì)損失或生命安全威脅?；诖?，對基坑開挖方法的研究成為建筑領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)[3]。

支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種針對建筑基坑采用的加固保護(hù)構(gòu)造[4]，能夠保障基坑開挖與周邊環(huán)境的安全性，是基坑開挖的重要組成部分。目前，普遍采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括樁、墻式支護(hù)結(jié)構(gòu)及實(shí)體重力式支護(hù)結(jié)構(gòu)和組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)[5]。但這些支護(hù)結(jié)構(gòu)受到建筑規(guī)模的影響，其穩(wěn)定性有待加強(qiáng)。

自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)，其利用多種技術(shù)組合保障基坑安全的同時，還具有施工便捷、工期短、效益高、能耗低等優(yōu)勢，得到廣泛應(yīng)用，是當(dāng)前支護(hù)結(jié)構(gòu)中具有較大優(yōu)勢的支護(hù)結(jié)構(gòu)之一。自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鋼支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)相比，可在無支撐條件下進(jìn)行直立開挖，既大幅降低材料消耗又能節(jié)省施工時間，同時無大量廢棄混凝土產(chǎn)生，具有綠色環(huán)保功效?；诖耍疚奶岢鲈谧苑€(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對建筑基坑開挖進(jìn)行研究，分析其對周邊環(huán)境的影響。

2 建筑基坑開挖研究

2.1 工程概況

某地鐵車站采用雙層三跨側(cè)式站臺設(shè)計(jì)[6]，周邊存在大量建筑，車站基坑施工采用明挖與局部蓋挖法相結(jié)合的方式[7]。車站總長與站臺寬度分別為308.5 m 和8.1 m ＋8.1 m，設(shè)有 A、B、C、D 四個出口。車站中心里程、起點(diǎn)里程、終點(diǎn)里程分別為DK18＋210.9、DK18＋060.1和 DK18＋369.7，站臺中心區(qū)域頂板覆土厚2.7 m。

2.2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑與盾構(gòu)井段基坑的深度與寬度分別為(16.5×30.9)m和(17.2×20.0)m，整體面積達(dá)8 602.7 m2。首先對蓋挖段進(jìn)行開挖，以該區(qū)域?yàn)橹鬟M(jìn)行后續(xù)研究。

依據(jù)?建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程?，本車站主體基坑達(dá)到一級基坑標(biāo)準(zhǔn)(基坑深度>12 m)，施工采用自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)以具有可回收特性與自穩(wěn)特性的基坑支護(hù)組合技術(shù)為基礎(chǔ)，將支護(hù)結(jié)構(gòu)與斜樁組合使用[8]，依照施工區(qū)域土層結(jié)構(gòu)與基坑開挖深度等因素融合數(shù)種不同專利技術(shù)，最大限度利用軟土地區(qū)時空效應(yīng)理論，實(shí)行分段開挖及分段澆筑施工。自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)具有四種支護(hù)模式[9]，可根據(jù)施工區(qū)域土層結(jié)構(gòu)與基坑開挖深度選取相應(yīng)支護(hù)模式，如圖1所示。

圖1 自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)模式

在基坑深度低于6 m時，可采用單排圍護(hù)樁與單排注漿鋼管支撐相結(jié)合的支護(hù)模式(模式一)?；由疃忍幱? m至7 m之間時，若施工區(qū)域淺層有較好土層，同樣可使用單排圍護(hù)樁與單排注漿鋼管支撐相結(jié)合的支護(hù)模式(模式一)；若施工區(qū)域土層為淤泥質(zhì)，則采用雙排圍護(hù)樁與單排后拉注漿鋼管支撐相結(jié)合的支護(hù)模式(模式二)。當(dāng)基坑深度大于7 m時，根據(jù)土層結(jié)構(gòu)可分別采用雙排圍護(hù)樁與單排前撐注漿鋼管支撐相結(jié)合的支護(hù)模式(模式三)和雙排圍護(hù)樁與雙排注漿鋼管支撐相結(jié)合的支護(hù)模式(模式四)。

結(jié)合車站基坑深度與所處區(qū)域土層結(jié)構(gòu)，本項(xiàng)目選取模式四對車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 建筑地基開挖對鄰近地表與建筑物影響

建筑基坑開挖主要研究其對鄰近地表與建筑的影響，可通過建筑地基開挖后鄰近區(qū)域地表沉降進(jìn)行描述[10]。

車站基坑采用自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行開挖后，地表沉降上限計(jì)算公式為:

式中:?kmax為地表沉降上限(mm)；Ge為基坑深度(m)；ρ為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)剛度(N/m)；EI為自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)抗彎剛度(kN·m2)；ηw為水的重度(kN/m3)；g為鋼支撐豎向間距均值(m)；x和y均表示待定系數(shù)。

其能夠描述建筑基坑開挖后地表沉降上限、基坑深度和支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)剛度之間的相關(guān)性[11－12]。

待定系數(shù)x、y值隨基坑寬度與深度變化而變化，其與Ge之間關(guān)系為:

式中:r為支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐水平間距(m)；f為支護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度(m)；u為懸臂挖深(m)；k為支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐沉降值(mm)。

式(3)和式(4)的判定函數(shù)均高于0.97，具有較高精度，在式(1)內(nèi)加入x與y計(jì)算公式，得到:

r、f、u、k具體取值如表1所示。

表1 r、f、u、k 與基坑寬度關(guān)系擬合結(jié)果

隨著基坑寬度變化，支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐沉降值的提升幅度較為顯著[13]；而鋼支撐水平間距、支護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度、懸臂挖深的上升趨勢并不顯著，均值分別在4.68、22.49和－0.43左右。由此得到地表沉降上限、基坑深度和支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)剛度之間的相關(guān)性為:

基坑寬度同支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐沉降值之間的相關(guān)性為:

將式(6)與式(7)結(jié)合，得到地表沉降上限表達(dá)式:

3 實(shí)例分析

3.1 試驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證所提方法的科學(xué)有效性，進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)環(huán)境如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)環(huán)境

3.2 試驗(yàn)參數(shù)

基坑土體主要物理參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

3.3 觀測點(diǎn)選取

為研究建筑地基開挖對鄰近區(qū)域地表沉降的影響，針對某地鐵站的中心區(qū)域，分別布設(shè)建筑物觀測點(diǎn)、鋼支撐觀測點(diǎn)、地表觀測點(diǎn)，觀測點(diǎn)具體位置如圖3所示。

圖3 觀測點(diǎn)選取

在研究區(qū)域內(nèi)共設(shè)置7個建筑物觀測點(diǎn)，分別用J1～J7表示；在地鐵站中心區(qū)域與車站A區(qū)域基坑之間設(shè)置7個地表觀測點(diǎn)，分別用D1～D7表示；在車站A區(qū)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐上設(shè)置3個觀測點(diǎn)，分別用Z1～Z3表示。該試驗(yàn)持續(xù)時間為1年，于2018年7月采用本文方法進(jìn)行支護(hù)，并將未采用本文方法之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.4.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)抗壓承載力

車站基坑采用自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，其抗壓承載力對基坑開挖過程具有重要影響，采用支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力檢測技術(shù)檢測各支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐極限承載力，檢測結(jié)果如表3所示。

表3 各支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐觀測點(diǎn)檢測結(jié)果

由表3中數(shù)據(jù)可知，自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)極限承載力均達(dá)到1 100 kN，并且存在一定上升空間。較高的極限承載力可增強(qiáng)基坑穩(wěn)定性，改善基坑沉降現(xiàn)象，保障基坑開挖安全性能。

3.4.2 基坑開挖對周邊地表沉降的影響分析

在基坑與建筑物之間設(shè)定7個觀測點(diǎn)，各觀測點(diǎn)位置地表沉降情況如圖4所示。

圖4 基坑開挖后周邊地表沉降變化曲線

分析圖4可以看出，在相同條件下，隨著分步開挖距離基坑中心距離的變化，7個觀測點(diǎn)豎向位移量不斷發(fā)生變化。其中，D1和D2觀測點(diǎn)的沉降變化較小，其他觀測點(diǎn)位置變化較大，這是由于在D1和D2增加了本文所述支護(hù)結(jié)構(gòu)，故其沉降變化較小，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

3.4.3 基坑開挖對周邊建筑物沉降影響

車站基坑與周邊建筑物距離約為11.1 m，試驗(yàn)分析了基坑開挖周期內(nèi)對周邊建筑物的影響[14]，主要分析6個觀測點(diǎn)的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 周邊建筑物沉降變化 mm

由表4可知，觀測點(diǎn)J3和J4沉降變化不顯著，剩余四個觀測點(diǎn)均表現(xiàn)出地表顯著下降現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 建筑物各觀測點(diǎn)沉降變化

由圖5可知，建筑物沉降不顯著的兩個觀測點(diǎn)J3和J4均為距離車站基坑最遠(yuǎn)的觀測點(diǎn)。2018年7月至2018年8月期間，周邊建筑物出現(xiàn)顯著下降，這是由于該期間主要工作為降低基坑內(nèi)地下水位，為基坑開挖做準(zhǔn)備，基坑內(nèi)地下水位的下降導(dǎo)致基坑外部鄰近區(qū)域地下水位也有所下降，因此基坑周邊建筑物在該期間內(nèi)出現(xiàn)顯著沉降現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本文基于自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的建筑基坑開挖研究，通過研究發(fā)現(xiàn):自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)具有較高極限承載力；基坑開挖對鄰近區(qū)域地表沉降影響存在時空效應(yīng)，在地下水位較高的條件下距離較近的周邊建筑物受基坑開挖影響沉降顯著。