摘要
为解决周边环境条件异常复杂、无锚索施工空间、紧邻对变形异常敏感的多层建筑物的自重湿陷性黄土地区开挖尺寸小深度大的顶管工作井的难题，以西安市东郊某直径10.0 m，深度24.50 m的深基坑为代表，采用钢筋混凝土环形围檩替代传统的内支撑来抵抗土压力，既不影响狭窄空间的土方开挖，又很好的控制了围护结构的变形，保护了周边环境的安全。数例工程实践表明，在直径小于12 m，深度不大于25 m的圆形深基坑中，采用钢筋混凝土环形围檩体系，支护费用低、围护结构变形很小、周边环境安全可靠、土体中无锚杆（索）残留，对邻近地下空间后期开发利用无影响。项目的顺利实施为自重湿陷性黄土地区类似深基坑开挖提供了一种解决问题的思路，具有一定的借鉴意义。
顶管工艺在市政给排水、电力通信、天然气、热力等各类管道（线）、穿越箱涵及地下综合管廊等非开挖敷设施工中的应用已非常广泛。随着顶管设备施工能力的不断提高（目前在西安市地下综合管廊中已经有截面尺寸7.25 m×4.2 m的矩形顶管穿越市区河流的实例），传统的造价高、工艺复杂、风险大的盾构和地下浅埋暗挖工艺逐渐开始被更经济、安全、高效的顶管工艺替代。
目前，随着城市地下空间开发向纵深发展，以及避让埋深越来越大的地下各类建（构）筑物、排水管道等，规划的顶管线位越来越深，在西安地区，深度超过20 m的顶管工作井已经比较常见。顶管工作井相较于常规深基坑，其尺寸比较小，且多位于闹市区，或道路红线内，施工场地往往十分狭窄，周边环境对变形也比较敏感。考虑到避让地下各类设施及管线、地下空间后期开发利用、控制变形等综合因素，锚索往往无法实施，因而内支撑体系的优势就体现出来了。
圆形基坑具有明显的空间效应，环形围檩替代传统的内支撑体系，各构件均受压，较小的弯矩也仅由其自重及平面变形引起，充分利用了混凝土抗压承载力高的特
西安市位于典型的黄土地区，城区东部和南部塬上风积黄土具有强烈的湿陷性，有些区域常常达到自重湿陷IV级。原状黄土是典型的非饱和土，其结构性很强，黄土裂隙竖向发育，导致作用在支护结构上的实际土压力较规范采用的朗肯土压力理论计算得出的数值小得
通过研究，西安黄土地区直径不超过12 m，深度小于25 m，采用钢筋混凝土环形围檩作为内支撑的圆形深基坑设计、施工及监测资料，本文拟在湿陷性黄土地区开挖顶管工作井的各类项目基础上，研究其共性，以一深度24.50 m，直径10 m的圆形顶管工作井深基坑开挖设计为例，介绍一种控制变形好、造价低、尽可能提供最大的施工空间的设计思路，以期在类似项目中参考。
根据西安市幸福林带管线迁改方案，长乐东路东西方向穿越幸福林带范围内的6回110 kV线路做永久改迁。其中2号工作井直径10 m，基坑开挖深度24.50 m，自然地面高程424.62 m，基坑底部高程400.12 m，为本文主要研究对象。
拟建场地地层自上而下分别为：全新统人工填土（Q
勘察期间实测稳定地下水位埋深20.00~23.40 m，高程395.40~403.03 m。地下水类型为潜水，主要赋存于中更新统黄土、古土壤、粉质粘土层及其中的砂层中，含水层的厚度>50
2号顶管工作井位于幸福路以东长乐东路以北，紧邻高4层的黄河宾馆和8层的黄河温泉小区1号楼，黄河宾馆与2号工作井最近距离为2.87 m，采用8.50 m长的灰土挤密桩复合地基，处理后的地基承载力特征值为200 kPa。基础主梁宽2.4 m，间距4.50~6.20 m之间，基础埋深3.40 m。黄河温泉小区1号楼，地下一层，地上七层，为框架剪力墙结构，与2号工作井最近距离2.39 m，靠近顶管工作井一侧基础埋深7.70 m，基础下设2.0 m厚3∶7灰土垫层，垫层底标高-9.70 m。
深基坑支护设计遵循“分层开挖、分段开挖、先撑后挖、先支后拆、严禁超挖、动态设计、信息法施工”的基本原则。施工临时荷载按30 kPa计取，黄河宾馆基底荷载按60 kPa计取，黄河温泉小区基底荷载按120 kPa计取。根据项目岩土工程勘察报告建议，并结合地区类似地层基坑工程经验，经类比分析后，综合确定本工程基坑支护设计计算采用的主要岩土参数指标如
| 层号 | 土层名称 | 重度γ/（kN· | 抗剪强度 | 压缩模 量Es/ MPa | 变形模 量E0/ MPa | 层厚/ m | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
c/ kPa | φ/ （°） | ||||||
| ①1 | 杂填土 | 18.0 | 5.0* | 10.0* | 6.0* | 1.2 | |
| ①2 | 素填土 | 16.5 | 10.0 | 15.0 | 5.50 | 1.3 | |
| ② | 黄土 | 15.3 | 29.6 | 24.4 | 6.90 | 8.6 | |
| ③ | 古土壤 | 16.3 | 32.2 | 24.4 | 8.80 | 4.8 | |
| ④ | 黄土 | 16.3 | 33.5 | 22.0 | 9.00 | 14.6 | |
| ⑤ | 粉质粘土 | 19.3 | 42.6 | 23.4 | 8.14 | 17.4 | |
| ⑥ | 中粗砂 | 21.0 | 0.0 | 33.0 | 22.0* | 7.1 | |
带“*”号的为地区经验值。
2号顶管工作井基坑开挖深度24.50 m，采用钢筋混凝土围护桩+钢筋混凝土环形围檩支护，桩长38 m，桩径0.9 m，桩间距1.5 m，沿竖向布置6排钢筋混凝土环形围檩替代传统内支撑。1~4道围檩宽800 mm，高600 mm，主筋配筋率约1.54%，5~6道围檩宽1000 mm，高800 mm，主筋配筋率约1.25%，桩顶设置钢筋混凝土冠梁。为防止桩间土垮塌、降低顶管破桩进洞风险、抵御可能的地下水位因变幅升高等不利情况，在围护桩之间设置2排高压旋喷桩，桩径0.5 m，桩间距0.4 m，高压旋喷桩深入基底2.0 m以下。开挖至基底附近若出现地下水，可采用集水坑明排措施。基坑开挖到底后顺做主体结构，为节省空间，采用单侧支模技术，要求围护桩施工偏差及变形累计值不大于100 mm。基坑支护体系的平面布置及剖面见
图1 围护结构平面布置
Fig.1 Plan view of the enclosure
图2 围护结构剖面
Fig.2 Sectional view of the enclosure
在围护结构分析计算中，有研究
变形分析基于岩土领域通用有限元软件Midas GTS NX进行。
模型材料参数设置原则如下：
（1）建模过程中不考虑地下水及渗流的影响。
（2）采用弹塑性摩尔—库伦模型。
（3）土体采用3D实体单元，运用四—六面体混合网格进行模拟。
（4）由于基坑支护结构中采用的支护结构构件较多，为简化有限元计算过程，将支护桩结构使用2D板单元模拟，板单元厚度采用刚度等效法确定，桩径900 mm，桩间距1500 mm，具体如
图3 等效替换示意
Fig.3 Equivalent substitute diagram
等效刚度法：（D+d）
（5）支护结构冠梁及围檩采用1D梁单元模拟，坑顶部混凝土面层采用2D板单元模拟；
（6）边界条件为自动地面支撑。
基坑平面净尺寸为10 m，基坑深度为24.50 m，为尽可能减小边界条件对计算结果的影响，考虑基坑开挖水平及竖向变形主影响区，本次有限元模型尺寸选用75 m×75 m×60 m，邻近基坑处网格间距取1 m，边界处网格间距取3 m，为避免网格质量导致计算精度不高，长度比率取1，采用Midas GTS NX有限元软件建立基坑支护结构模型如
图4 围护结构模型
Fig.4 Model of the enclosure
图5 基坑有限元模型网格划分
Fig.5 Mesh division of the pit finite model
通过施工阶段时程控制分析，计算位移自动收敛，获得计算结果。围护结构水平位移云图及竖向位移云图见
图6 围护结构水平位移云图
Fig.6 Cloud diagram of horizontal displacement of the enclosure
图7 围护结构竖向位移云图
Fig.7 Cloud diagram of vertical displacement of the enclosure
计算结果分析：根据数值计算结果可以看出，基坑开挖完成后支护结构最大水平位移0.24 mm，最大竖向位移为2.8 mm，有限元数值计算结果满足规范规定的一级基坑监测预警值要求，且变形控制很好，模拟结果表明顶管工作井支护结构满足安全稳定性要
考虑到围护体系尺寸及形状效应，采用理正深基坑整体协同模块较理正深基坑单元计算更加符合工程实际情况。理正深基坑软件整体协同计算模型支护结构及土层参数同前述Midas GTS NX数值模拟计算，基坑开挖尺寸为10.0 m，开挖深度为24.50 m，计算模型见
图8 围护结构三维图
Fig.8 3D view of the enclosure
| 规范与规程 | 《建筑基坑支护技术规程》 (JGJ 120-2012) |
|---|---|
| 内力计算方法 | 增量法 |
| 支护结构安全等级 | 一级 |
| 支护结构重要性系数γ0 | 1.10 |
| 基坑深度h/m | 24.50 |
| 桩材料类型 | 钢筋混凝土 |
| 混凝土强度等级 | C30 |
| 桩直径/m | 0.90 |
| 桩间距/m | 1.50 |
| 冠梁宽度/m | 1.00 |
| 冠梁高度/m | 0.80 |
| 围檩1~4宽度/m | 0.80 |
| 围檩1~4高度/m | 0.60 |
| 围檩5~6宽度/m | 1.00 |
| 围檩5~6高度/m | 0.80 |
|
水平侧向刚度/(MN· | 50.00 |
| 超载值1/kPa | 120.00（条形） |
| 超载值2/kPa | 60.00（条形） |
| 超载值3/kPa | 30.00（条形） |
以具有代表性的Z1号桩为例，提取桩身弯矩、位移及剪力包络图如
图9 弯矩、位移及剪力包络图
Fig.9 Envelope diagram of bending moment, displacement and shear force
| 桩顶最大位移/mm | 0.233 |
|---|---|
| 基坑底最大位移/mm | 7.537 |
| 桩底最大位移/mm | 0.709 |
| 弯矩（基坑侧）/（kN•m） | 768.276 |
| 弯矩（挡土侧）/（kN•m） | -988.749 |
| 剪力最大值/kN | 796.565 |
| 最大弯矩处轴力/kN | 162.202 |
| 扭矩/（kN•m） | 0.043 |
图10 周边地表计算沉降
Fig.10 Calculated surface subsidence in the surrounding
图11 基坑稳定性验算
Fig.11 Checking calculation of pit stability
计算方法：瑞典条分法；应力状态：有效应力法；圆弧半径R=35.555 m，圆心坐标X=-5.441 m，圆心坐标Y=20.485 m。
整体稳定安全系数Ks=1.76>1.35，满足规范要求。
由以上数据可知，理正深基坑软件整体协同计算结果满足规范规定的一级基坑监测预警值要求，且变形控制良好，模拟结果表明顶管工作井支护结构满足安全稳定性要
根据《西安市幸福林带建设工程长乐路6回110 kV电力改迁顶管工程监测报告》，为监测2号工作井的变形情况，在支护结构顶部设置水平位移监测点及竖向位移监测点各4个，深层水平位移监测点2个，周边环境沉降观测点11个。监测点平面布置如
图12 基坑监测点平面布置
Fig.12 Layout arrangement of pit monitoring points
截至2020年1月5日，2号顶管工作井基坑支护结构施工完毕，基坑开挖至设计标高。监测成果统计见
| 监测项目 | 累计变化量 | 预警情况 | |
|---|---|---|---|
| 点 号 | 最大值/mm | ||
| 结构顶部水平位移 | WS24 | 8.20 | 无 |
| 结构顶部竖向位移 | ZS21 | -5.74 | 无 |
| 深层水平位移 | SD21 | 6.95 | 无 |
| 净空收敛 | 2SLA2 | -8.00 | 无 |
由监测成果可以看出：
（1）支护结构顶部水平位移累计最大值为监测点WS24，位移量8.20 mm；支护结构顶部竖向位移累计最大值为监测点ZS21，沉降量为-5.74 mm；深层水平位移累计最大值为监测点SD21，位移量为6.95 mm（-3.5 m处）；净空收敛累计最大值为监测点2SLA2，收敛值为-8.00 mm。
（2）监测数据表明支护结构顶部水平位移、竖向位移、深层水平位移变化速率及累计变化量均较小，按照现行国家、行业及地方相关规范要求，均未达到一级基坑的预警
根据深层水平位移监测点布置位置，提取Midas计算模型相应点，数值计算值及监控量测实测值对比见
图13 深层水平位移监测值与计算值
Fig.13 Monitored values vs calculated values of deep horizontal displacement
根据支护结构顶部竖向位移监测点布置位置，提取Midas计算模型相应点，计算值与监控量测实测值对比见
图14 基坑顶部竖向位移监测值与计算值
Fig. 14 Monitored values vs calculated values of vertical displacement at the top of the pit
由
（1）原状黄土是典型的非饱和土，其结构性很强，裂隙竖向发育，作用在支护结构上的实际土压力较规范采用的朗肯土压力理论计算得出的数值小的
（2）现行国家及行业规
（3）采用钢筋混凝土环形围檩作为内支撑体系，此种体系里的内力主要是压应力，充分发挥了混凝土抗压强度高的优势，提高了材料的利用率，控制变形很
深基坑支护设计必须考虑土的性质对荷载和抗力的影响，饱和软土工程性质最差，其次是普通砂土、粉土及粉质粘土，黄土因其特殊的结构和非饱和特性，其作用在支护结构体系上的土压力是远小于一般土的，在设计计算时要考虑这种因素，避免造成太大浪费。
围护桩加环形围檩的支护形式不只在湿陷性黄土地区有明显优势，在其他地区也有其优势，控制变形好、造价低、施工速度快，支护体系以外土体中无锚杆等残留，对地下空间后期开发利用无影响，无支撑面积最大，出土空间大，出土速度快，尤其是面积小而深的基坑更适用，相对于其他支护形式，降低了工程造价，具有良好的社会效益和经济效益。
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