建筑技术丨深基坑多道支撑之间的影响及支护效果分析

1  工程概况

南沙横沥地下空间某基坑开挖深度13.7 m，宽度24 m，安全等级为二级，采用25 m直径1 000 mm@1 200 mm灌注桩基坑支护，基坑外侧采用直径850@600 mm的三轴搅拌桩作为止水帷幕，深入基坑底6.3 m。坑内采用三轴搅拌桩裙边加固，加固宽5 m，深4 m，设置3道支撑，截面如图1所示。

图1  基坑截面示意/m

地层自上而下依次为填土，淤泥质粉质粘土，细砂，淤泥质粉质粘土，粘土等，地质参数见表1。地下水埋深1.5 m。

表1  地质参数

2  支撑方案设计

结合工程实践，混凝土支撑混凝土强度等级为C30，断面为800 mm×800 mm，间距8 m，钢支撑直径为800×16 mm、直径为800×20 mm两种，间距4 m。第一道支撑统一为混凝土支撑，第二道、第三道为钢支撑或混凝土支撑，共计4种支撑组合方案，具体见表2。

表2  各支撑组合方案参数  mm

其中按照JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》4.1.10条计算，刚度对比见表3。

表3  支撑刚度对比

3  结果对比

3.1  4种方案对比

采用理正深基坑按照“增量法”进行建模计算，其中钢支撑分别设置预加轴力为0 %、10 %、20 %、40 %、60 %、80 %、100 %共7种工况。4种方案计算结果见表4。

表4  4种方案计算结果对比

（1）对比4种方案第一道支撑，都是800 mm×800 mm的混凝土支撑，结果都是172 kN/m；对比方案一、方案三第一道和第二道支撑，都是800 mm×800 mm的混凝土支撑，第二道支撑都是629.7 kN/m。可以得出结论在支护形式和地层条件一定时，上部支撑的受力不受下部支撑的形式、预加轴力的变化影响。

（2）对比方案三和方案四，方案一和方案二，第一道和第三道支撑一致，第二道支撑不一致，结果第三道支撑受力也随第二道支撑的变化而变化，可以得出结论，下部支撑的受力受上部支撑的不同而发生变化。

（3）对比方案一、方案三，第一道、第二道支撑相同，为混凝土支撑，第三道分别的800 mm×800 mm的混凝土支撑，直径800×20 mm的钢支撑，线刚度比为104.2 %，线刚度相近，计算出的支撑轴力、基坑变形也基本一致。其中钢支撑可以通过施加预加轴力，减小基坑变形。

3.2  钢支撑预加轴力对结果的影响

以方案四为例，分析不同预加轴力对钢支撑最终轴力和基坑变形的影响（图2），以混凝土支撑+钢支撑+无预加轴力为对照，对照分析见表5。

图2  不同预加轴力对比分析

表5  不同预加轴力对比分析

（1）随着预加轴力的增加，基坑最大变形减少，减少速率是预加轴力增加速率的0.42倍，虽然变形的减小速率小于预加轴力增加的速率，但在同样的材料条件下，可减小基坑的变形，对控制基坑、周边环境的安全及降低工程造价具有积极意义。

（2）随着预加轴力的增加，支撑轴力逐渐增加，但增加速度是预加轴力增加速度的0.52倍。参照JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》4.9.9条规定，预加轴向压力预加力值宜取支撑轴向压力的标准值的0.5~0.8倍，还需要将预加轴力带入计算模型，获取最终的支撑内力，复核支撑受力以及腰梁的受力。

3.3  钢支撑预加轴力必要性和有效性

以本案例中直径800×20 mm的钢支撑为例，支撑长24 m，刚度k=416.7MN/m²，最大预加轴力F=863.4 kN/m（方案三，100 %预加轴力）；施加轴力变为2.07 mm；最大轴力F=1 313.9 kN/m；最大轴力变形为3.15 mm。

3.3.1  必要性

钢支撑自身、钢支撑与围檩、围檩与支护结构之间不可避免存在施工间隙。据不完全统计，间隙可达5~10 mm。该间隙远大于钢支撑在受力过程中的压缩变形（3.15 mm）。

根据受力分析可知，只有钢支撑、围檩、支护结构之间无间隙才能传递基坑外的土压力，而这一过程都是以支护结构变形为代价的，所以施加预加轴力对控制基坑变形具有积极意义。

3.3.2  有效性

根据现场量测，施加预加轴力的千斤顶卸压回油后，钢支撑的活络头产生0.5~1.0 mm的压缩非弹性变形。如果按照1 mm计算，造成的预加轴力损失为426.7 kN，损失占比49.4 %。

如果支撑长度更短，刚度更大，则预加轴力的损失占比更高，所以基坑设计时应充分考虑预加轴力损失对基坑受力、变形等影响，同时明确预加轴力为有效预加轴力还是千斤顶施加的预加轴力，以便精确控制基坑安全。

4  结论

依托多道支撑的深基坑的工程案例，分析钢支撑、混凝土支撑的多种不同组合方案及不同的预加轴力，各支撑最终轴力的变化。主要结论如下。

（1）下一层支撑的形式和预加轴力的变化，对上一层支撑的轴力基本无影响，而上一层的支撑形式和预加轴力的变化下，对下一层支撑的轴力有较大影响。

（2）钢支撑和混凝土支撑在线刚度相近时，计算出的支撑轴力、基坑变形也基本一致，但钢支撑可以通过施加预加轴力减小基坑变形。

（3）随着预加轴力增加，支撑的最终轴力增加，基坑的最大变形随之减小，但增加、减小的速度及预加轴力增加的速度不同。

（4）鉴于钢支撑最终轴力随着预加轴力的增加而增加，现行规范取支撑轴向压力标准值的0.5~0.8倍的方法过于武断，还需要将预加轴力带入计算模型，获取最终的支撑内力，复核支撑受力及腰梁受力是否满足条件。

（5）结合钢支撑受力特点，分析了钢支撑施加预加轴力的必要性和有效性。