第４５卷２０１７年第４期 广卅１建筑ＧＵＡＮＧＺＨＯＵ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ 基坑支护的两环形支撑体系受力的有限元分析 陈志平，黄学龙 （广州市第一建筑工程有限公司，广州５１００６０） 摘要：环形支撑充分利用混凝土的受压优势来平衡基坑支护系统所受的水土压力，其固有的无支撑面 积大、立柱少、出土空间大等优点使得该支护形式在实际工程中得到了广泛的应用。本文以清远某三层 地下室基坑工程项目为例，结合有限元软件Ｍｉｄａｓ ＧＴＳ对环形支撑的施工工序及其拆撑工序进行模拟， 分析基坑支护结构的变形和受力情况及其周边环境的变化影响，并提出了基坑施工注意事项。其分析成 果对优化设计和指导现场施工具有一定的参考意义。 关键词：环撑；基坑变形；拆撑；施工工序 Ｔｈｅ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｗｏ Ａｎｎｕｌａｒ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｓｕｐｐｏｒｔ ｉｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＣＨＥＮ Ｚｈｉ－ｐｉｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｘｕｅ－ｌｏｎｇ （Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｆｉｒｓｔ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１００６０） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｈｅｒｅｎｔ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｍｏｒｅ ｆｒｅｅ ａｒｅａ ｗｉｔｈｏｕｔ ｓｕｐｐｏｒｔ，ｌｅｓｓ ｃｏｌｕｍｎｓ ａｎｄ ｌａｒｇｅ ｅｘｐｏｓｅｄ ｐａｓｓａｇｅ ｆｏｒ ｅｘｃａｖａｔｅｄ ｓｏｉｌ，ａｎｎｕｌａｒ ｓｕｐｐｏｒｔ，ｗｈｉｃｈ ｂａｌａｎｃｅｓ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｓｕｐｐｏ￣ ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ｆｕｌｌｙ ｕｓａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｉｔｈ ａ ｔｈｒｅｅ－ｆｌｏｏｒ ｂａｓｅｍｅｎｔ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｉｆｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｍｉｄａｓ ＧＴＳ ｉｓ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｎｕｌａｒ ｓｕｐｐｏｒｔ，ｗｈｉｃｈ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｐｒｅｃａｕｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ ａｒｅ ａｌｓｏ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｏｆ ｓｉｇｎｉｉｃａｎｔｆ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｆｏｒ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｕｃｔｉｒｏｎ ｉｎ－ｓｉｔｕ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｎｎｕｌａｒ ｓｕｐｐｏｒｔ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｕｎｄａｔｉｆｏｎ ｐｉｔ；ｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ０引言 随着我国城市化进程的加快。城市用地日趋 紧张，城市建设已逐步向地下空间开发推进。伴 随地下空间规模的逐步变大。基坑支护的复杂程 度和风险系数也日益提高，传统的支护方法已无 法满足和适应新的基坑支护要求，需要对原有的 支护形式进行变革和改进。环撑支护形式既汇集 （桩）通过腰梁传递至辐射梁，辐射梁直接传递至 环梁，环梁将传递过来的荷载转化为环梁的轴力， 利用“拱效应”和混凝土抗压强度的性能进行受 力的平衡［１ ｌ２］。而且，环形支撑体系无支撑面积 大、立柱少、出土空间大等特点对节省材料缩短 工期具有较好的经济效益［３，４］。当然。支撑的刚度 要求、平面布置形式、土方开挖顺序及方法、拆 撑工序等工况对环形支撑体系的受力安全性带来 了支撑体系利用混凝土抗压性能的优点．又弥补 了传统支撑体系造成的出土空间的不足。近年来 极大的影响阎．种种因素造成支撑节点处受力过 于集中或受到多种不同方向类型的力。严重时可 能会引发节点发生破坏，进而引发基坑整体失稳 一得到了不少应用。从受力机理来看，基坑外侧的 水土压力和地面荷载传递至围护墙（桩），围护墙 ９一 广州１建筑ＧＵＡＮＧＺＨＯＵ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ ２０１７年第４期 垮塌，后果严重。这也成为了环形支撑难以全面 推广的症结所在。 目前国内已施工完成的环形支撑最大直径已 达２１０ ｍ 。但是对于内支撑的研究仍然集中于 对于无内支撑体系的圆形基坑以及常规的内支撑 基坑．但对圆环形支撑设计理论的研究相对较 少ｌ９１ ｍ１，在实际设计过程中．对环形支撑选型和 布置形式也多通过经验完成。本文以实际基坑工 程项目为例，对环形支撑的施工工序及其拆撑工 序进行施工工况的模拟，通过分析结果来优化设 计和指导施工，同时也对同类工程项目提供借鉴。 １工程概况及地质条件 １．１工程概况 某基坑项目工程位于广东清远市，基坑由南 北两个方形基坑组合而成（见图１）；为描述方便 将其分别编号为Ａ、Ｂ。Ａ基坑的东侧距用地红线 １ １．６ Ｉｌｌ，南侧距已有建筑约为９．０￣１７．０ ｍ，西侧距 已有建筑５．０～１３．０ ｍ，北侧距已有建筑ｌ７．８ ｍ；Ｂ 基坑的东侧距道路红线１４．０ １ＴＩ，南侧距现状排水 暗渠６．２—２２．３ ＩＴＩ，暗渠尺寸为１２．０ ｒｅｘ５．６ ｍ，渠顶 标高距地面０．９ ｍ。西侧距已有建筑１７．０ ｍ，北侧 距用地红线ｌ８．７ ｍ。基坑总周长约为６７６．０ １１１，受 基坑使用功能不同的影响，整个基坑开挖深度范 围为９．１０—１ １．９ Ｉｎ。 图１基坑支护平面图 基坑开挖过程中要对南侧暗渠及周边建筑进 行监测保护。基坑安全等级为一级。基坑采用 “顶部放坡十支护排桩＋环撑十止水帷幕”的支护形 式，坡顶采取１：１．０放坡，坡高３ ｍ，坡面做硬化 处理。围护结构采用直径１ ２００ｍｍ、间距１ ４００ ａｉｍ １０一 的排桩，桩顶通过冠梁相连。冠梁尺寸为１ ２００ ｍｍ ｘ８００ ｍｍ，桩体之间挂网喷砼。环撑体系中辐射梁 尺寸为８００ ｍｉｎｘ８００ ｍｍ，环梁尺寸为１ ２００ ｍｒｒｌＸ ８００ ｍｍ，辐射梁之间的连系梁尺寸为６００ ｒｎｍＸ ８００ ＩＴｌｍ。围护结构及环梁系统均采用Ｃ３０混凝 土。典型基坑支护剖面图见图２。 图２基坑支护典型剖面图 １．２工程地质条件 该基坑场地位于广东珠江三角洲冲积平原， 原始地貌属三角洲海陆交互相沉积阶地。场地平 整。场地岩土地层由人工填土、第四系冲淤积层、 第四系风化残积层及基岩组成，自上而下描述如 下： （１）素填土：黄褐色，局部灰褐色，稍湿， 松散未固结。主要由粉质粘土、砂土及碎石组成。 （２）粘土：灰、灰褐色，可塑，局部软塑， 粘性好。 （３）粉质粘土：褐黄、灰白色，可塑。粘性 一般。 （４）粉质粘土：红褐、褐黄色，可塑，局部 硬塑。局部含较多风化碎岩屑，为下伏基岩风化 残积土。 （５）强风化泥质粉砂岩：红棕色，岩石风化 强烈，原岩结构大部分破坏，岩芯呈半岩半土状、 碎块状。 （６）中风化泥质粉砂岩：红褐色，粉砂状结 构，层状构造，泥质胶结。风化裂隙较发育，岩 芯呈块状及短柱状。 具体土层参数见表１。 陈志平等：基坑支护的 环形支撑体系量 的 ‘限兀分 表Ｉ场地岩土工程特性和设计参数建议值表 Ｉ．３场地水文情况 场地地下水主要为赋存于第四系土层中的上 滞水及 Ｌ｝Ｊ的基岩裂隙水。 ２有限元模拟分析 ２．Ｉ模型的建立 根据本荩坑支护设计的平、剖面图及其与临 近排水暗渠的 问关系，选取的分析模型边界为 坑边线以外一倍基坑深度范围，最终确定计算 模型的大小（长×宽ｘ高）为２７２ ｍｘ２９４ ｍｘ４０ ｉｎ。 弩 ／￣＂¨ｔｌｌ‘土体为窄问半无限体，以及基坑的影响范 同一般为３至５倍毖坑深度，分析模型以外 土 体不再考虑其变形的影响，即设定为同定边界。 图４基坑支护结构模型 刈‘模型底部约束ｚ方向位移，模型前后面约＿束Ｙ 方向位移，左右面约束ｘ方向位移。基坑周边２ Ｉｌｌ 范同内禁止堆载，２ Ｉ＇ｌｌ范同外地面活动荷载按 ２０ ｋＮ／ｍ 考虑，周边建筑等效为静载施加到模 图５基坑支护结构与暗渠位置 ｒ 建立的槎体一维有限元数值分析计算模型 如 ３～ ５所示． ．２．２本构关系的选择…Ｉ 考虑土体应力一应变火系的非线性，本义土体 采ＪＨ修正焚尔一库伦 服准则．修正Ｍ—Ｃ＿ｌｆ以 虑按照ＪＪ『１载或卸载的情况输入不同的弹模他．孑 虑土体的刚度与应力状态的相关性，足剪切厢服 与压缩屈服之问ｌ厅相没有影响的双 硬化模 ９． 相对丁Ｍ—Ｃ更接近于塑性理论，将非线性弹 １＂ｔ￣８１ 塑性联合起来的组合模型 ２．３施工工况的模拟 根据 坑支护没计罔，结合基坑施Ｔ的Ｉ 况 顺序，埘 坑开挖过程建立模型，模拟Ｔ『兄流 图３三维有限元模型 共分１６步，分别为： （１）卡７Ｊ始地应力分析，位移清零： 广州建筑ＧＵＡＮＧＺＨＯＵ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ ２０１７年第４期 （２）排水暗渠施工，位移清零； （２）基坑开挖过程中排水暗渠的变形情况。 （３）支护桩和立柱桩施工，施加施工荷载； （３）基坑开挖过程中环撑的最大受力状况。 （４）第一步开挖（一３．０ ｍ），坡面挂网喷砼； （４）Ａ、Ｂ基坑环撑拆除后交界处支撑的受力 （５）施工冠梁、内支撑、钢构立柱； 情况。 （６）第二步开挖（一５．９ １２１）； 将上述基坑开挖各工况分别计算分析所得结 （７）第三步开挖（一９．１ ｍ）； 果整理如表２、表３及图６～图１３。由于云图较 （８）第四步开挖（一１０．１５ ｍ）； 多．本文仅列举出开挖至基坑底时支护结构的变 （９）第五步开挖，局部开挖至一１１．０５ ｍ； 形图（图６一图８）、排水暗渠面向基坑的变形图 （１０）第六步开挖，局部开挖至一１１．９０ ｉｎ； （图９）、环撑的最大受力状况（图１Ｏ、图１１）以 （１ １）施工底板，在一５．９ ｍ处施工４００ ｍｍ厚 及Ａ、Ｂ基坑环撑拆除后交界处支撑的受力情况图 素混凝土转换板： （图１２、图１３）。 （１２）拆除Ａ基坑环撑（预留角撑）； （１３）拆除Ａ基坑角撑； （１４）拆除Ｂ基坑环撑（预留角撑）； （１５）拆除Ｂ基坑角撑； （１６）拆除基坑交界处支撑。 ３数值结果分析 为了准确地反映基坑开挖支护结构自身的受 力情况及其对周边环境的影响。主要从以下几个 方面进行研究： （１）基坑开挖过程中支护结构的位移变化情 图６开挖至基坑底围护结构ｘ方向上的位移 况 表２基坑支护结构最大位移变化汇总表 交界处连系梁 序号 汁算工况 轴力／ｋＮ 弯矩ＡＮ．ｎｌ 一１２— 陈志平等：强坑叟护的两环形支撑体系受力的有限元分析 ■２ ” ■＿‘ｎ ”…“ 。 。 川” 。。。 ｅ 尉。∥”圈 “～ “ ． ｜ｌ ” ：： －ｚ ３ Ｂ．’。ｏｏ 。 ● 。 图７开挖至基坑底围护结构Ｙ方向上的位移 ■ “”一 ” ’： Ｕ ㈨ ４Ｄ．Ⅲ。 ｍ Ｉ Ｔ－５５２３￣４２Ｔ￣ｅ１ ＋＋Ｏ０￣０Ｏ： ，… 。 ㈨ ∞ Ｉ Ｅ％ｍⅧｌ ＿。■。 ¨．… Ⅷｔ 图８坑底土体竖向隆起值 Ｉ ￣５ １ ｒ４ｏｅ：＊：ｏ： ／ 脚矾 １ １ ｑ图９排水暗渠向基坑方向移动的位移 ／豫＼ 警 Ｉ一￥ 。ｅ 。 ｆＨ ＿１ ””“ “ ６ Ｈ ””“ ” 。 “ 。 ” ’ 。 。 。 ■ ■ ““” ” ” Ｉ 一４ Ｉ ２，Ｉ 。＋ＯＯ３ 图Ｉ『Ｉ环梁承受的最大轴力 ／呵 ７ 誊 一 一～ ＼ 奴 图１１环梁承受的最大弯矩 图Ｉ２ Ａ、Ｂ两基坑环撑全拆除时交界处连系梁所受轴力 叶 叶“ “咄 叶 图１３ Ａ、Ｂ两基坑环撑全拆除时 交界处连系梁所受的弯矩 从以上计算得到的 表结果分析可知： （１）基坑开挖至皋坑底基坑罔护结构的最大位 移为６．１７ ｍｉｎｉ，拆除Ａ基坑支撑时位移增Ｋ至 ８．０３一ｎｍ，拆除Ｂ基坑支撑时位移增长至８．２８－ｎｎ ， 全部支撑拆除时荩坑的位移为８＿２９ Ｉ］ｌｌｌ１．由此可知 位移增长量较小，基坑支撑拆除时不会带来支护 受力大的变动．基坑基本处在稳定状态 （２）基坑开挖至基坑底时，土体隆起量最大值 一１ 一 ｑ 广州建筑ＧＵＡＮＧＺＨＯＵ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ ２０１７年第４期 为２１．１４ ｍｍ．处于正常范围以内。 （３）基坑施工过程中会对临近的排水暗渠带来 影响．排水暗渠向基坑方向移动的最大位移为 做好施工技术交底，按照专项施工方案进行支撑 的拆除，不得随意变动拆撑顺序。同时要做好基 坑的施工组织工作，缩短总体施工时间，尽快实 现基坑回填．即在施工时应尽量减少坑底暴露时 间。对垫层浇注、底板钢筋绑扎和混凝土浇注的 ５．９６ ｍｍ，位移量不足以对排水暗渠的结构及Ｔ作 性能造成影响。 （４）由计算可得环形支撑的最大轴力为 ４ １２９．１７ ｋＮ，最大弯矩为１ ３８０．４２ ｋＮ・Ｉｎ。可见环 时间也需严格控制，基坑开挖到底时应加快施工 进度．尽量缩短基坑施工与后续主体结构施工的 形截面承受的弯矩有较大的富余。 （５）Ａ、Ｂ基坑主要通过环撑实现力的平衡， 间歇期，尽早浇筑底板和主体结构。 因此当环撑率先拆除后。再拆角撑时，中间联系 梁的受力并未出现大的变化。 （６）交界处连系梁的受力随着Ａ、Ｂ基坑支撑 的拆除而变化，最不利情况下，连系梁所受最大 轴力为９７２．５８ ｋＮ．最大弯矩为４６９．６５ ｋＮ・ｍ．受 参考文献 【１】王建中，周光熙．对基坑环形支撑系统的几点探讨Ⅲ． 岩土工程界，２００８（９）：３７—４０． 【２】刘敏星，李海兵，王庆忠，杨剑南．深基坑环形支撑体系 施工技术叭施工技术，２０１６（ｓ１）：１３１－１３４． 力结果不会对连系梁造成破坏。 【３］段景章，秦序柱，李建军．基坑环梁支护结构的综合应用 Ｕ】．施工技术，２００６（７）：１８—２１． 【４】中国土木工程学会土力学及岩土工程分会．深基坑支护 ４结论与建议 本文是在基坑开挖前，按照设计图纸及基坑 技术指南【Ｍ】．北京：中国建筑工业出版社，２０１２． 【５】金国龙，黄春美．圆环形支撑基坑支护体系设计分析 Ｕ】．地下空间与工程学报，２０１３（ｓ１）：１６９４－１７００ 【６】丁勇，李倩，顾仲文．直径１２０ ｍ双环内支撑在涌金 广场基坑围护工程中应用叫．施工技术，１９９９（１）：１６— １７． 施＿Ｔ方案对其进行施工工况的一系列的模拟分析． 目的是为了进一步优化设计和指导现场施工．验 证施工方案的合理性。建模过程中对土体、支护 结构、周边环境等进行了适当的简化和假设。为 确保本基坑施ｌＩ的正常进行，给出注意事项和建 议如下： 【７】尹骥，管飞，李象范．直径２１０ ｍ超大圆环支撑基坑设 计分析刚．岩土工程学报，２００６（ｓ１）：１５９６—１５９９． ［８１翁其平．上海世博演艺中心基坑工程设计与实践Ｕ Ｊ＿地 下空间与工程学报，２００９（ｓ２）：１６９１—１６９５． （１）基坑土方开挖的顺序及方法对支护体系的 稳定有着重要的影响，施工时应根据设计要求制 定切实可行的施工方案。严禁超挖或不对称开挖。 （２）基坑施＿Ｔ过程中，基坑周边严禁堆载重型 【９］顾倩燕，朱宪辉，田振，费永成．超大直径圆形薄壁地下 连续墙围护结构研究Ｕ】．地下空间与工程学报，２００５ （４）：５３４—５３７． 材料，材料自身的重量对围护结构和支撑内力影 响较大。对于用地十分紧张的情况下，建议堆放 【１０】周健，罗筱波．圆形支护结构的拱效应等效支撑计算方 法Ｕ】．岩土力学，２００３（２）：１６９—１７２． 至基坑角部，但还是要保持一定的安全距离。 （３）环形支撑破坏关键因素在于支撑节点处的 破坏，设计时应加大环形支撑节点处的配箍率， 【１ １１陈志平，黄学龙，韩映忠盾构隧道施工对其下地铁隧 道的影响分析ｍ．广州建筑，２０１６（５）：３３—３８． 保证节点处的刚度满足设计要求。 （４）鉴于基坑施工过程及场地的复杂性，为确 保基坑的变形控制在允许范围内。建议加强对深 基坑支护结构受力及变形的监测工作，尤其是增 加并加强支撑节点处的监测。 （５）支撑拆除时应制定专项施工方案，拆除前 １４一
