美蘭機(jī)場隧道明挖基坑支護(hù)優(yōu)化研究

王永林，鐘曙亮，石鈺鋒

（1.中鐵十七局集團(tuán)有限公司，山西太原　030032；2.南昌市重點(diǎn)工程管理辦公室，江西南昌　330038；3.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌　330013）

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美蘭機(jī)場隧道明挖基坑支護(hù)優(yōu)化研究

王永林1，鐘曙亮2，石鈺鋒3

（1.中鐵十七局集團(tuán)有限公司，山西太原030032；2.南昌市重點(diǎn)工程管理辦公室，江西南昌330038；3.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013）

摘要針對美蘭機(jī)場隧道明挖基坑原支護(hù)設(shè)計(jì)耗材多、投資大，施工空間小、效率低等缺點(diǎn)，提出一種上部采用拉力分散型錨索，下部采用鋼管內(nèi)支撐的綜合支護(hù)方案，并采用有限元軟件ABAQUS建立二維數(shù)值模型模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后基坑施工過程，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)及地表變形規(guī)律。結(jié)果表明：優(yōu)化前后坑底隆起值變化不明顯；優(yōu)化后臨近土體沉降量和圍護(hù)樁頂水平位移值都有所增大，但均在安全范圍內(nèi)。將優(yōu)化后的方案運(yùn)用到工程試驗(yàn)段中，克服了原支護(hù)方案的缺點(diǎn)。監(jiān)測結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值分析結(jié)果。關(guān)鍵詞深基坑；內(nèi)支撐優(yōu)化；數(shù)值分析；監(jiān)測對比

近幾十年來，基坑工程不斷呈現(xiàn)出大、深、復(fù)雜等特點(diǎn)。由于地質(zhì)條件、周邊環(huán)境等工程條件不同，基坑施工方式也不盡相同，其中明挖法是最常見的方式之一。在明挖過程中，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及周圍地表變形一直備受關(guān)注。目前國內(nèi)學(xué)者對基坑支護(hù)變形問題進(jìn)行了諸多研究［1-8］，同時(shí)也有不少學(xué)者針對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了研究。徐楊青［9］論述了深基坑工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)原理，提出了幾種設(shè)計(jì)思想和優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要途徑和方法；趙洪波等［10］通過將支持向量機(jī)與微粒群算法結(jié)合，提出了基坑支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化的新方法，并詳細(xì)敘述了其實(shí)施過程；馮玉國等［11］針對深基坑支護(hù)方案優(yōu)化中各指標(biāo)的不相容性和信息不完全性，提出基于灰色物元分析的深基坑支護(hù)方案優(yōu)化模型；林楓［12］結(jié)合工程實(shí)例，對基坑圍護(hù)體系的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了比選優(yōu)化，分析了優(yōu)化前后支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。

本文針對美蘭機(jī)場隧道明挖基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中耗材多、投資大、施工空間小、效率低等特點(diǎn)，提出一種上部采用拉力分散型錨索，下部采用鋼管內(nèi)支撐的綜合支護(hù)方案；利用ABAQUS有限元分析軟件建立二維數(shù)值模型模擬開挖過程，分析優(yōu)化前后支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形規(guī)律；并將該方案運(yùn)用到實(shí)際工程中，取得了較好效果，可供其他類似工程參考。

1　工程概況

美蘭機(jī)場隧道位于海南省海口市美蘭機(jī)場范圍內(nèi)，全長4. 6 km（包括美蘭機(jī)場車站長536 m），隧道采用明挖順作法施工，是目前國內(nèi)最長的明挖隧道?；娱_挖最大深度19. 33 m，最大寬度43. 96 m，緊鄰機(jī)場路、導(dǎo)航塔及其它機(jī)場設(shè)施，地表沉降要求高。巖性自上而下分別為粉質(zhì)黏土、中粗砂、黏土、中粗砂、貝殼碎屑巖、玄武巖，主要以砂層為主，厚度6～10 m，具體參數(shù)見表1。地下水主要以微承壓水為主，地下水位高。全隧預(yù)測最大涌水量65 000 m3/d。砂層厚、地下水位高導(dǎo)致基坑開挖難度大，施工困難。

表1　土層物理力學(xué)參數(shù)

2　基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

2. 1原方案

原設(shè)計(jì)方案見圖1。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+止水旋噴樁。鉆孔灌注樁的直徑為1. 0 m，樁間凈距0. 2 m；旋噴樁直徑800 mm，旋噴樁設(shè)于鉆孔灌注樁之間，旋噴樁與鉆孔灌注樁咬合15 cm，與鉆孔灌注樁共同形成止水帷幕?；觾?nèi)部橫向由4道φ609 mm（壁厚16 mm）鋼管支撐和I56a雙拼工字鋼圍檁組成，橫向間距4～5 m，縱向間距4 m。

圖1　原基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

原設(shè)計(jì)方案存在不足：①受鋼支撐體系影響，開挖和出砟比較困難，同時(shí)加大了工程成本，很難滿足工期要求；②對鋼材的需求量較大（全隧約需4萬t），而海南島內(nèi)原材料相對匱乏，全部從內(nèi)地運(yùn)進(jìn)，成本高，若不能及時(shí)運(yùn)到工地，則會(huì)影響施工工期；③受多層鋼支撐影響，混凝土襯砌要分地板、邊墻和拱部3次澆筑完成，不能使用整體臺車，造成工序顯著增加，且對混凝土的整體性與受力均有不同程度的影響。

2. 2優(yōu)化方案

針對上述問題，對原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后方案見圖2。即鋼支撐由樁錨代替（即第1、第2排鋼支撐由預(yù)應(yīng)力錨索代替），錨索采用一樁一錨，為拉力分散型錨索。錨索設(shè)計(jì)參數(shù)見表2、表3。全隧共有3 086 m可采用樁錨綜合方案。若該方案能成功實(shí)施，不僅能大大節(jié)約投資成本，加大作業(yè)空間，而且可減少作業(yè)工序，方便施工，確保工期。

圖2　優(yōu)化后基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

表2　錨索分段設(shè)計(jì)參數(shù)

表3　基坑錨索設(shè)計(jì)參數(shù)

3　有限元模擬與分析

為確定樁錨方案的可行性及錨固體與巖土體的摩阻強(qiáng)度，驗(yàn)證錨索設(shè)計(jì)參數(shù)以及施工工藝的合理性，首先選取典型斷面建立二維數(shù)值模型模擬開挖過程，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形規(guī)律，同時(shí)選擇DK17 + 000—DK17 + 290段作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場施工。

3. 1數(shù)值計(jì)算模型

研究基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬14 m，深15 m，圍護(hù)樁長24. 3 m，第1道錨索距冠梁頂1. 5 m，第2道錨索距第1道錨索4 m，錨索與水平線夾角15°。鋼管支撐距第2道錨索4 m。運(yùn)用有限元軟件ABAQUS建立數(shù)值模型進(jìn)行分析，見圖3。

3. 2計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基坑周圍土層具體參數(shù)見表1。由于圍護(hù)樁間距較小，且中間又有旋噴樁咬合，將圍護(hù)樁簡化等效成板樁，板樁彈性模量按下式計(jì)算。

式中：Ep為樁的彈性模量；Es為土體等效彈性模量；u為樁中心間距，d為樁徑。

圍護(hù)樁采用C40混凝土，經(jīng)計(jì)算等效為板樁，彈性模量為32. 5 GPa，泊松比為0. 33，錨索、鋼管支撐采用線彈性梁單元模擬，彈性模量分別為195，210 GPa，泊松比分別為0. 33，0. 22。在工程開挖前15 d采取降水措施，數(shù)值模擬不考慮地下水的影響。

3. 3邊界條件及施工過程模擬

模型上邊界為自由邊界，左右邊界約束水平位移，底部邊界約束水平和豎向位移。樁與土體之間采用面面接觸，法向?yàn)橛步佑|，切向?yàn)閹靷惸Σ粒Σ料禂?shù)為0. 2。根據(jù)錨索、鋼支撐與板樁實(shí)際連接特點(diǎn)，此處將三者之間的連接設(shè)置為綁定約束。

優(yōu)化后施工步驟：①計(jì)算樁土結(jié)合模型的自重應(yīng)力場，輸出節(jié)點(diǎn)應(yīng)力作為初始應(yīng)力文件保存；②導(dǎo)入節(jié)點(diǎn)初始應(yīng)力，計(jì)算自重應(yīng)力場平衡；③激活板樁梁單元；④鈍化第1層土體單元；⑤激活第1層錨索單元；⑥鈍化第2層土體單元；⑦激活第2層錨索單元；⑧鈍化第3層土體單元；⑨激活鋼管支撐單元；⑩鈍化第4層土體單元，施工完成；○11對結(jié)果進(jìn)行查看分析。優(yōu)化前施工步驟與優(yōu)化后相似，將⑤、⑦步改為激活鋼支撐，不再贅述。

3. 4計(jì)算結(jié)果與分析

3. 4. 1基坑豎向變形與樁后地表沉降

由圖4可以看出，基坑開挖完成后，由于卸荷效應(yīng)基坑底部隆起顯著，優(yōu)化前后最大隆起值分別為39. 28，38. 53 mm，相差并不明顯。優(yōu)化前后樁后地表沉降曲線均呈“勺”形，但隨著基坑開挖深度的增加，變化趨勢明顯不同（圖5）。由于錨索支護(hù)屬于柔性支護(hù)，鋼管支撐屬于剛性支護(hù)，當(dāng)基坑開挖至深3，7 m時(shí)優(yōu)化前鄰近樁附近的土體有隆起現(xiàn)象，可能是由于基坑開挖初期樁體隆起帶動(dòng)了鄰近地表略微隆起。優(yōu)化后鄰近樁體地表有明顯下沉，其原因可能是柔性支護(hù)樁體向基坑內(nèi)發(fā)生懸臂傾斜，使得鄰近土體下沉。開挖完成后，樁后地表沉降最大值分別為：優(yōu)化前8. 5 mm，優(yōu)化后12. 8 mm。優(yōu)化后鄰近土體沉降變大，但都在安全、可控范圍內(nèi)。

圖4　優(yōu)化前后土體豎向變形云圖

圖5　優(yōu)化前后樁后地表沉降曲線

3. 4. 2樁體水平位移

支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后樁體水平位移云圖見圖6。優(yōu)化前后樁體水平位移變化曲線見圖7。

圖6　優(yōu)化前后樁體水平位移云圖

由于基坑開挖后基坑內(nèi)外土體存在高差對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生土壓力，使樁體向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生側(cè)移。由圖6可見，支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后樁體的最大水平位移均出現(xiàn)在基坑底部偏上。由圖7可見，優(yōu)化前后開挖深度不大時(shí)樁體均呈懸臂形，當(dāng)基坑開挖深度超過3 m后樁體呈“弓”形；優(yōu)化前后樁體最大水平位移分別為17. 98，32. 73 mm，表明優(yōu)化后的支護(hù)結(jié)構(gòu)對樁體水平位移極為不利，在施工中應(yīng)該引起注意。

3. 4. 3模擬計(jì)算值與實(shí)測值的對比

將優(yōu)化后的方案用于施工，并對樁體的水平位移進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果和模擬計(jì)算結(jié)果對比如圖8。由圖可知：監(jiān)測值與模擬計(jì)算值較接近。監(jiān)測值略大于模擬計(jì)算值，原因可能是建模過程中對實(shí)際施工過程進(jìn)行了部分簡化，并未考慮車輛等移動(dòng)荷載的作用。在整個(gè)試驗(yàn)段開挖過程中，樁體變形以及樁后地表沉降均在預(yù)警值范圍之內(nèi)?？梢娫搩?yōu)化方案可行。

圖7　優(yōu)化前后樁體水平位移變化曲線

圖8　樁體水平位移的模擬計(jì)算值與實(shí)測值對比

4　結(jié)論

1）在該深基坑工程中，優(yōu)化前后樁后地表沉降曲線均呈“勺”形，雖然優(yōu)化后最大沉降比優(yōu)化前最大沉降略大（4. 3 mm），但地表沉降均在合理范圍內(nèi)，且采用優(yōu)化后方案可節(jié)約投資成本，加快施工進(jìn)度，確保工期。

2）優(yōu)化前后樁體水平位移曲線在開挖深度不大時(shí)呈懸臂形，開挖深度超過3 m后呈“弓”形，上錨下?lián)尉C合支護(hù)下樁體水平位移明顯大于鋼管支撐支護(hù)下樁體水平位移，說明柔性支護(hù)下樁體水平位移較大，設(shè)計(jì)及施工過程中均需加以注意。

3）樁體水平位移的模擬計(jì)算值與現(xiàn)場實(shí)測值吻合較好，表明該方案可行。建議應(yīng)用到其他開挖段。

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（責(zé)任審編葛全紅）

Optimization Study on Foundation Pit Support of Meilan Airport Tunnel

WANG Yonglin1，ZHONG Shuliang2，SHI Yufeng3
（1. China Railway 17 Bureau Group Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030032，China；2. Nanchang Key Project Management Office，Nanchang Jiangxi 330038，China；3. College of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangxi 330013，China）

AbstractAs for the foundation pit support of M eilan Airport tunnel，there are problems including over-consumed materials，large investment，limited construction space and low efficiency. T o solve these problems，the support was optimized，top-supporting with tension-distributed anchoring cable and inner-supporting with steel pipes. W ith ABAQUS，a two-dimensional finite element model was built to simulate the construction，analyze the deformation of structure and foundation. T he results show that with optimized support the upheaval is not significant while the settlement and horizontal displacement at retaining top increase within the allowable range. T he optimized program applied to the trial section solved the mentioned problems. T he monitoring results validated the numerical simulation.

Key wordsDeep foundation pit；Inner support optimization；Numerical analysis；M onitoring and comparison

中圖分類號TU753；U455. 4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 28

文章編號：1003-1995（2016）05-0126-05

收稿日期：2015-12-10；修回日期：2016-03-20

作者簡介：王永林（1984—），男，工程師。