冯晓腊，张睿敏，熊宗海，劳骥民
（中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074）
[摘要]在武汉中心工程中，由于建筑功能和结构设计需要，造成基坑内出现深度差异，产生了多级柔性支护体系下超深坑中坑的现象。针对深厚软土工程坑中坑问题，总结了多种形式的坑中坑支护形式，对其设计方法开展了研究，进行了选型优化。通过有限元模拟坑中坑变形及位移，对坑中坑结构多级稳定性进行了分析研究，验证了多级柔性支护体系下坑中坑悬臂支护设计的稳定性，并总结稳定性规律。应用表明，多级无支撑支护技术可取得较好的经济效益、缩短地下工程工期。
[关键词]深基坑；支护；坑中坑；稳定性；有限元分析
[中图分类号]TU753 [文章编号]1002 -8498( 2016) 07 -0045 -05
随着我国400m级摩天大楼的发展，建筑高度不断增加，基坑开挖深度也随之增大，特别是在含有深厚软土地质的地区，超深基坑支护设计成为当前工程界的技术难点之一。例如，上海金茂大厦，建筑高度420. 5m，基坑含深厚软土层，采用了地下连续墙结合灌注桩挡土墙+内支撑的支护体系；上海环球金融中心，建筑高度492m，基坑含深厚软土层，采用了地下连续墙支护、坑中坑部分采用钻孔灌注排桩+1道钢支撑的支护形式；上海中心大厦，建筑高度632m，基坑含深厚软土层，其主楼基坑采用地下连续墙+环形支撑的支护形式，裙楼区采用两墙合一的地下连续墙支护。由上可知，地下连续墙支护结构目前已经相对成熟，但由于工程造价高昂，且施工过程中需要换撑施工，使其在超深基坑工程中推广应用受到限制。
本文开展了多级柔性支护体系下超深坑中坑支护结构的研究，总结了多种形式的坑中坑支护形式。结合武汉中心工程，考虑其破坏形式，分析坑中坑支护结构稳定性，归纳出稳定性规律，发展了基坑多级支护技术，成功应用于工程实践。
1 坑中坑支护结构体系
一般情况下，坑中坑的开挖深度不太大、平面形状也各不相同，但是由于坑中坑开挖土层一般比较软弱，故应因地制宜选择经济合理、安全可靠的支护形式。目前，坑中坑支护结构体系有通过土体自身稳定性进行支护的，如放坡；有通过改良土体的强度进行支护的，如重力式挡墙及加固措施；有通过必要的支护结构来支挡土体的，如利用复合土钉墙和支护桩进行支护。对于受地下水影响的区域，坑中坑支护结构必须配备必要的截（排）水、止水、降水等措施，如设置截（排）水沟、止水帷幕、满堂封底、降水井或综合采取多种措施等。
2 工程实例
2.1 工程概况
武汉中心工程位于武汉王家墩CBD中轴线南部的起始端，是集办公、酒店、商业、会议等功能为一体的武汉CBD首个地标性国际SA级商务综合体。工程占地面积28 100m2，地下4层，地下建筑面积82315m2，裙楼地上4层，塔楼88层，总建筑高度438m，地上建筑面积271770m2。基坑内外环境如图1所示。
基坑总开挖面积约31 600m2，呈不规则多边形，场区自然地面相对标高约-1.200m，塔楼区域大面积开挖深度为19.00m，非塔楼区域大面积开挖深度为17.30m，坑中坑开挖深度为25.50m。基坑坑中坑位于武汉中心外围大基坑的正南角处，呈不规则矩形。坑中坑最深处相对于塔楼基底开挖深度为6.5m，开挖面积约为860m2，其相对于其他各侧围护结构距离如下：北侧101m，东侧36.6m，东南侧40.7m，南侧33.9m，西倾0 30.3m。
从基坑的开挖深度看，基坑开挖至基底时，相对隔水层已经被揭穿，整个基坑坑中坑位于地层的承压含水层中，其相应坑壁内的土层主要为：粉质黏土夹粉土、粉砂，粉细砂夹粉质黏土，粉细砂。
场地地势较为平坦，地貌上属长江I级阶地。基坑坑壁范围内主要地层分布情况及支护设计参数如表1所示。
2.2坑中坑支护结构设计及优化
本工程坑中坑基底埋深达25.5m，主坑与坑中坑高差达6.5m，属超深坑中坑。由于基坑西侧及南侧原外围大基坑设计方案中有被动区留土，因此根据相关工程设计经验和本工程的岩土工程条件，选择“支护桩+1层钢筋混凝土内支撑支护”的支护结构，坑内设满堂高压旋喷桩加固封底，坑外设置“悬挂”高压旋喷桩止水帷幕兼加固体，局部深度较浅区域采用高压旋喷桩重力式挡墙支护。
基坑与地下环廊同槽施工后，距离原基坑边40m范围内的环廊区土方大面开挖至- 10.000m标高，原基坑西侧及南侧的逆作区施工改为顺作施工，原SMW工法桩相应破除，且原设计的二级钻孔灌注桩以下的被动区留土取消，由此导致基坑西侧及南侧以及坑中坑的工况发生变化，需要对西侧及南侧外围大基坑支护结构及坑中坑支护结构进行优化。其中，坑中坑支护结构优化考虑以下因素。
1)原坑中坑西侧及南侧被动区留土取消，使得作用在坑中坑支护结构上的主动土压力大大减小。
2)超深降水能够使坑中坑深度范围内理论上本无任何黏聚力的粉细砂在低含水量的状态下出现一定的黏结作用，增强土体的强度及稳定性，有利于支护结构的安全性。
综合以上分析，对坑中坑支护结构选型进行了优化，取消了内支撑结构，即采用悬臂支护桩支护，其余与优化前相同。
3 坑中坑多级稳定性分析
本基坑特殊之处在于外围大坑支护结构不仅受到深厚软土的影响，还受高水头承压水的影响，相应支护结构对土方开挖卸载敏感性非常强，因此必须分析坑中坑开挖对外围大坑支护结构的影响。超深坑中坑工程自身具有很强的空间特性，因此分析坑中坑土方开挖对外围大坑支护结构的影响范围非常重要。
在研究坑中坑开挖对外围大坑支护结构受力变形性状造成的影响时，引入参数距离比X= B/H，其中B为坑中坑与外围大坑支护结构的相对距离，H为坑中坑的开挖深度，通过控制单因子变量的方法进行分析。定义东侧、北侧浅层局部卸土典型剖面为剖面I，东侧、北侧浅层水平锚管典型剖面为剖面Ⅱ，南侧典型剖面为剖面Ⅲ，西侧典型剖面为剖面Ⅳ，西南侧角部混凝土支撑典型剖面为剖面V。
坑中坑开挖深度为6. 5m，令H=6.5m为不变量，坑中坑与外围支护结构相对距离B变量，通过改变B的取值，分析各典型剖面支护结构水平位移6、最大位移出现位置h、被动区抗力安全系数k t k、被动区抗力合力E p t k、被动区土压力合力E p、支护桩弯矩Mk的变化，来确定坑中坑开挖的影响范围。根据X=B/H =1～10的计算结果，上述各参数变化关系如图2，3所示。
图2及图3分别表示了0~10倍坑中坑深度范围内，外围大坑支护结构的最大水平位移和最大水平位移在围护墙上位置的变化情况。图中曲线明显随着距离比B/H的增大呈递减的趋势变化。
图2中，最大水平位移具有明显的变化规律，B/H =0～3区段曲线的曲率变化很大，随着B/H增大，位移明显减小；在B/H =3～7区段，曲线的曲率变化放缓趋于平稳状态；在B/H≥7区段，各剖面围护墙的位移变形曲线基本为直线。由于剖面Ⅲ和剖面Ⅳ支护结构相同，不同的是剖面Ⅳ的土层多了黏土层，且淤泥质粉质黏土较剖面Ⅲ厚2. 5m，总的来说剖面Ⅳ的土层性质较差。图中明显可以看出，剖面Ⅳ的位移比剖面Ⅲ的要大，因此，可以说明地处土层性质较差的外围大坑支护结构对坑中坑开挖的敏感性要大。
图3中，各曲线总体的变形趋势都是随着B/H的增大，最大水平位移的位置朝着桩顶位置移动，并到某- B/H值时区域稳定不变，但当B/H≥7时所有曲线全趋于稳定不变。除剖面V支护结构采用桩撑支护外，其余各剖面均采用桩锚支护，从图中可以看出采用桩撑支护结构的收敛速度明显较桩锚支护结构的慢。
被动区抗力合力E p t k与B/H关系如图4所示，被动土压力合力E p与B/H关系如图5所示，被动区抗力安全系数k t k与B/H关系如图6所示。
同样，图4～6所示曲线具有明显的变化规律，即3个图中曲线变化具有明显变化的区段，即B/H =0～3,B/H =3～7,B/H≥7.B/H =0～3内曲线曲率随着B/H的增大变化显著；B/H =3～7内曲线曲率随着B/H的增大变化较为平稳；B/H≥7内曲线曲率随着B/H的增大基本不变，呈直线。
图4中，由于两类支护结构和有效开挖深度的不同，造成了不同的两类曲线变化。剖面I，Ⅱ支护结构均采用SMW桩支挡浅层土体，中部采用被动区留土反压，下部采用桩锚支护结构，为多级柔性支护结构；剖面Ⅲ、剖面Ⅳ和剖面V则采用外围浅层土体大放坡结合桩锚或桩撑的支护结构，为普通组合支护结构；且2种支护结构类型所对应的有效开挖深度不同，前者有效开挖深度为5. 5m，后者有效开挖深度为8. 5m。多级柔性支护结构的被动区抗力合力E p t k值较小，且变化平稳；普通组合支护结构体系被动区抗力合力E p t k值较大且在B/H=0~3时变化较大。
图5中，B/H =0～3内曲线反映被动土压力合力E p随着B/H的增大而增大；当B/H =3～7时，E p变形区域稳定；当B/H≥7时，E p基本不变。拥有相同支护结构的剖面Ⅲ，Ⅳ，由于剖面Ⅳ土层性质相对差一些，E p反而较大，说明软土层越厚，支护结构所反映的敏感性越强。
图6中，被动区抗力安全系数k t k=E p/E p t k与E p和E p t k的变化趋势有关，E p随着B/H的增大从较。陕增大到平稳，E p t k随着B/H的增大从较快减小到平稳或平稳变化，因此被动区抗力安全系数k t k与被动土压力合力E p的变化趋势相同。
支护桩弯矩与B/H关系如图7所示。
图7中，每个剖面曲线反映的变化规律大致相同，都是随着B/H的增大呈递减趋势，曲线近似“勺”形，且当B/H≥7时，正、逆工况的桩身弯矩曲线基本呈直线，且两工况的弯矩值基本相等。同时，普遍情况下逆工况的桩身弯矩较正工况的小，且在B/H =0～3区段内曲线曲率变化大。
通过对B/H =7时与不考虑坑中坑的外围大坑支护结构的计算结果对比，可以得出本基坑工程中，当B/H≥7，坑中坑的开挖对外围大坑支护结构基本没有影响，即B/H =7可作为次影响区和稳定区的明确分界点。
4坑中坑多级稳定性的规律
1)随着距离比B/H的增大，支护结构的水平位移δ、最大位移出现位置h、支护桩的弯矩M k呈递减趋势变化；被动区抗力安全系数k t k、被动区土压力合力E p呈递增趋势变化。因此，可以得出坑中坑距离外围大坑支护结构越远，对其影响越小，相应大坑支护结构的安全性越高。
2)相同支护结构，所处的土层性质不同，外围大坑支护结构对坑中坑开挖的敏感度不同，土层性质较差地区的支护结构敏感度较高，相对稳定性较差。
3)从不同曲线随距离比B/H变化来看，可以大致分为3个区间，即B/H =0～3为主影响区域，B/H=3～7为次影响区域，B/H≥7为稳定区域。采用被动区抗力安全系数k t k来划分各影响区域，如图8所示。
5坑中坑多级稳定性的数值模拟分析
通过上述基于本基坑工程的坑中坑多级稳定性分析，可以确定当坑中坑位于距离外围大基坑3倍坑中坑深度范围内时，对外围大坑支护结构的影响最大。本工程坑中坑大部分处于次影响区，局部位于稳定区，由于剖面Ⅳ西侧的B/H=4.7最小，相对来说对外围大坑支护结构的影响最大，选择由PLAXIS对选取剖面Ⅳ进行有限元数值模拟分析。计算过程及结果如图9所示。
通过上述分析，可得坑中坑围护体系最大水平位移为14. 53 mm，竖向最大位移为24. 61mm，相应总体位移为28. 59 mm，坑底隆起为32. 42 mm，均满足规范位移δ≤40mm的要求。与地下环廊同槽施工后西侧及南侧外围大坑围护体系最大水平位移为30. 79mm，竖向最大位移为15. 20mm，相应总体位移为33. 59mm，坑底隆起为32. 91mm，均满足规范位移6≤40mm的要求。通过以上分析，说明了坑中坑的开挖对外围大坑支护结构的影响不大，即坑中坑采用刚性支护桩、柔性坑外加固及坑内满堂加固“刚柔”相结合的支护结构取得了好的支护效果。
6 结语
1)对于超深坑中坑，定义B为坑中坑支护结构边与外围基坑的距离、日为超深坑中坑的开挖深度，当B/H =0～3时，坑中坑对外围大基坑的作用位于主影响区域；当B/H =3～7时为次影响区域；当B/H≥7时为稳定区域。这表明坑中坑的开挖深度和距离外围大坑的相对关系，对支护体系的受力、变形和稳定性有一定影响。总结出坑中坑距离外围大坑支护结构越远，对其影响越小，相应大坑支护结构的安全性越高。
2)坑中坑在条件适当时，采用柔性支护，减少了1层内支撑造价，缩短了工程工期，加快了施工速度，减少了施工成本，获得了较好的经济、社会效益。
3)在缺乏针对坑中坑的设计规范和理论情况下，采用常规理论对坑中坑支护结构进行计算，并用有限元软件进行模拟分析，能够很好地反映坑中坑支护结构的变形和位移。
4)坑中坑支护设计未考虑工程桩与支护桩的协同作用，这种协同作用可作为今后进一步研究的方向。
