复杂环境下大直径圆环内支撑深基坑支护应用研究

中铁四局集团有限公司设计研究院，安徽 合肥 230000

1 工程概况

淮安东站交通枢纽工程地下空间项目的地下一层为换乘大厅，两层通高，地下二、三层为社会停车场。基坑东侧为在建的淮安高铁东站站房，距离基坑边约14.9m；南侧为规划中的顺达路，距用地红线距离小于31.5m；西侧距用地红线和规划中的高铁路约16.4m；北侧距同期建设的预留轨道交通1号线淮安东站约8.1m，和规划中的枚皋路相连。基坑开挖深度为15.8～17.5m，基坑开挖面积约为58936m2，基坑周长约为1005m，该基坑侧壁安全等级为一级，基坑现场如图1所示。该处地貌属于徐淮黄泛平原区，地貌单元属于冲积扇三角洲，各土层分布及特征如表1所示。

表1 土层分布及特性

图1 基坑围护结构整体图

该地区对工程有影响的地下水为潜水和承压水。潜水主要位于②1层砂质粉土中，受大气降水控制，水位变化幅度为3.5m左右；雨季期间水位会增高。承压水主要埋藏于③1层砂质粉土和③4层粉砂中（③1和③4层具联通性），水量较丰富，接受侧向径流补给，径流以侧向为主，排泄方式以径流为主。第Ⅱ层承压水主要埋藏于③6a层中砂和③7层粉砂中，接受侧向径流补给，径流以侧向为主，排泄方式以径流为主，局部为人工开采。

2 基坑工程重难点及方案设计

2.1 基坑工程重难点

该基坑开挖面积约为58936m2，基坑周长约为1005m，开挖深度为15.8～17.5m，属于深基坑工程。项目地下水丰富，有两层高水头承压水，地层以粉土粉砂为主，渗透系数大，而且物理性质指标差，基坑等级为一级。地层局部有淤泥质土，如果没有可靠的支护措施，基坑开挖时的坍塌和漏水风险极大。基坑周边环境复杂，应严格控制地层沉降，东侧紧邻已建高铁轨道和在建站房；北侧距在建地铁站仅为5m，且地铁区间盾构很快会通过该区域。高铁轨道和地铁建筑变形控制要求极高，如不进行控制极易造成地层变形过大，从而影响安全。基坑南侧和西侧开挖深度内存有较厚的淤泥质粉质黏土，需要采用较大刚度的支护结构确保基坑开挖对周边环境产生较小的影响。同时，现场施工环境错综复杂，采用多家单位同时作业。另外，根据国家高铁线网规划，连镇高铁于2019年12月通车运行，淮安东站届时将同步投入使用，建设工期要求十分紧迫。而且复杂的工程地质、水文条件是该基坑工程设计与施工中必须重点考虑并妥善处理的问题之一。

2.2 基坑总体方案设计

该工程周边环境较为复杂，整个场地下设3层地下室，基坑面积约为58936m2，预估基坑开挖深度最大为17.5m左右，属于超大面积一级深基坑，具有基坑面积大、开挖深度大、周围环境复杂等特点。经过多次方案比选，确定该基坑东侧和南侧采用围护桩+TRD止水帷幕结合内支撑支护，北侧和东侧采用地下连续墙结合内支撑支护。支护剖面如图2所示。

图2 支护结构剖面图（标高单位：m；长度单位：mm）

2.3 圆环支撑设计

基坑东西长约为256m，南北宽约为225m，基坑平面形状接近矩形，较为规则，基坑采用具有拱形效应的环形支撑，通过拱形效应将内力大部分转化为轴力的形式，以充分发挥混凝土材料的抗压特性。基坑中心布置3道完整的同心圆环支撑，直径分别为187.3m、203.3m、223.3m；基坑四周采用角撑和连系梁将围护结构水平力传至环形支撑，支撑杆件均指向圆环中心，圆心角为4°～6°；靠近基坑角部及局部区域，利用传统角撑+对撑的布置形式。

2.4 圆环支撑内力及变形特征

此次计算采用理正深基坑支护结构设计软件V7.5进行内支撑杆件受力及变形计算，计算结果如图3所示。采用空间整体协同有限元计算方法，考虑了支护结构、内支撑结构以及土空间整体协同作用的线弹性有限元计算方法。计算表明，基坑主要为水平向坑内变形为主，最大位移为38.63mm。

图3 理正三维整体协同计算位移云图（单位：mm）

当基坑开挖至坑底时，由于环梁特殊的受力特性，基坑侧壁水土压力大部分经过支撑结构转化为环梁轴力，轴力计算结果如图4所示。第一层支撑最大轴力为8592.7kN，最大弯矩为3669kN·m；第二层支撑最大轴力为31328.4kN，最大弯矩为7703kN·m。从图4中可以看出三道环撑受力状态均以轴力为主，因此环形内支撑可以充分发挥混凝土材料截面抗压优点。对于压力最大值，内侧两道环梁轴力分布没有较大的差异，最外侧一道环形内支撑轴力较大值出现在钻孔灌注桩支护的一侧，说明地下连续墙刚度要优于钻孔灌注桩，可以承受更大一部分的土压力。

图4 轴力计算结果云图（单位：kN）

环形内支撑受力以轴力为主，环撑结构同时也存在部分弯矩和剪力，因此理论中的完全受压状态在实际应用中是不存在的。剪力计算结果要小于轴力，最大值一般位于结构的交点。除此之外，计算结果显示弯矩也是普遍存在于支撑结构中的，其中环撑弯矩的正负最值都集中出现在基坑边中部位置处，弯矩最大值达到7703kN·m。另外，冠梁、环撑、支撑联系梁之间节点处弯矩也偏大，对于节点这种弯剪轴复合受力状态，在设计截面尺寸和配筋时，必须预留足够的强度安全储备。

3 监测结果

该基坑工程监测主要是对深层水平位移、内支撑轴力、立柱沉降和地表及邻近建筑物位移等内容进行监测，其中设置22个深层水平位移监测点，内支撑结构每层共布设36个内力监测点，立柱共布设60个沉降监测点，基坑周边地表沉降监测点共布设38个。

根据监测资料可知，从基坑开挖至地下结构浇筑完成，基坑围护墙顶最大累计水平位移为57.6mm；支撑最大轴力为32381.9kN；立柱最大沉降为9.3mm，隆起最大为10.8mm；周边地表最大沉降为9.7mm。整个施工过程中各项指标均在控制范围内，工程达到了预期效果。

4 结论

（1）通过对淮安东站交通枢纽工程地下空间项目站前广场深基坑工程周边环境和地质水文条件的分析，确定了以3道同心圆环内支撑结合地下连续墙和钻孔灌注桩的支护方式，工程使用效果表明圆环支撑提供了较大的基坑平面自由空间，为施工提供了极大的便利。

（2）由内力分析结果可知，圆环支撑受力以轴力为主，充分发挥了混凝土的抗压性能，但圆形支撑并不是理想中的完全受压状态，同时也存在部分剪力与弯矩，支撑节点处于复合受力状态，设计时应考虑足够的安全储备。

（3）基坑监测结果表明，基坑在使用过程中，其各项指标均在可控范围内，基坑围护结构水平位移、周边地表沉降等与理论计算值较为接近，局部水平位移实际值大于计算值，但均未超过限值，整体较为合理。