某基坑支護方案設(shè)計及施工數(shù)值模擬研究

何德海

（建材天水地質(zhì)工程勘察院有限公司，甘肅 天水 741000）

0 引言

基坑支護是指為保護地下主體結(jié)構(gòu)施工和基坑周邊環(huán)境的安全，對基坑采取的臨時性支擋、加固、保護和地下水控制措施[1]。近些年隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，高層建筑及地鐵車站建設(shè)大量涌現(xiàn)，多數(shù)基坑施工條件較苛刻，會受到相鄰建（構(gòu)）筑物沉降控制要求限制，施工風(fēng)險較大，稍有不慎極易釀成事故，如2005年北京地鐵10號線某處車站基坑發(fā)生坍塌，四周圍護樁全部傾倒，造成巨大經(jīng)濟損失[2]。

為保證基坑施工安全，眾多學(xué)者對于基坑支護進行了深入研究。

1）基坑沉降及位移 孫鈞[3]以地下連續(xù)墻基坑為研究對象，通過實際工程監(jiān)測與理論分析，總結(jié)基坑開挖引起坑外地表沉降的原因。侯學(xué)侯淵等[4]認(rèn)為地表沉降曲線可分為“三角形”“拋物線形”。徐中華[5]在分析大量基坑實測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上得出:圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移值介于（0.25%～0.55%）H，基本位于開挖面附近。徐娜等[6]在分析現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn):地下連續(xù)墻水平位移最大值約為基坑深度的0.35%；墻后土體沉降曲線呈“√”形狀。

2）數(shù)值模擬 朱彥鵬等[7]采用FLAC3D軟件對蘭州地鐵某基坑施工過程進行模擬后得出:樁體水平位移最大值出現(xiàn)的位置不斷向下移動，在施加鋼支撐后，鉆孔灌注樁的水平位移曲線呈兩端變形小、中間變形大的特點。周勇等[8]則采用Midas有限元軟件研究車站深基坑在降低水位條件下的滲流穩(wěn)定性，其結(jié)果顯示:在降水條件下開挖基坑，隨著不斷向下開挖，鉆孔灌注樁水平位移呈中間增幅大、兩端增幅小的特點，樁體最大水平位移通常出現(xiàn)在（1/2～2/3）H處。

3）本構(gòu)模型 劉帥君[9]采用多種模型對基坑降水開挖進行數(shù)值分析后得出:修正劍橋模型計算得出的地表沉降和圍護結(jié)構(gòu)水平位移值更合理。董林偉[10]也認(rèn)為修正劍橋模型可較好地克服因屈服面有棱角而引起的數(shù)值計算變復(fù)雜和收斂變慢的問題。王清等[11]以修正劍橋模型為基礎(chǔ)，增加了接觸單元和桿單元，模擬計算了基坑開挖引起的地表沉降、坑底隆起和圍護結(jié)構(gòu)的水平位移，并與現(xiàn)場實測結(jié)果進行比較，在一定程度上印證了該模型在基坑工程中的適用性。

在實際工程中，基坑工程支護是否合理可靠至關(guān)重要。本文以甘谷雄飛·像山明珠2棟高層建筑基坑支護為例，通過數(shù)值模擬驗證基坑設(shè)計方案的可行性。

1 工程概況

擬建雄飛·像山明珠項目為2棟高層建筑，位于甘肅省天水市甘谷縣成關(guān)鎮(zhèn)西環(huán)路北側(cè)。1號樓地下2層，地上13層，建筑高度47.50m；2號樓地下2層，地上18層，建筑高度55.10m；高層建筑帶有3層裙房；總建筑面積21 062.25m2。1號樓為鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；2號樓為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)；裙房及地下車庫均為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

1.1 工程環(huán)境條件

基坑平面布置如圖1所示，基坑南北最長約80m，東西最寬約45m，基底開挖標(biāo)高-10.500m，受地形影響，實際開挖深度6.1～10.5m，基坑周邊情況如下。1）北側(cè) AB段建筑外墻線距離3層磚房約5.8m。2）南側(cè) FG段建筑外墻線距已建道路約4.20m。3）西側(cè) GH、HA段建筑外墻線距規(guī)劃道路約5.0m，距18層住宅樓約10.0m。

4）東側(cè) BC段建筑外墻線距3層磚房約3.50m和1層磚房（上加1層彩鋼房）約4.60m；CD段建筑外墻線距1層磚房（上加1層彩鋼房）最近處約5.0m；DE段建筑外墻線距圍墻約6.0m；EF段建筑外墻線距2層磚房約1.50m。

1.2 工程地質(zhì)概況

該項目場地整體地形平坦，地面標(biāo)高介于1297.990～1 300.230m，地面最大高差2.24m。場地地貌單元屬小沙溝河洪積扇和渭河南岸Ⅱ級階地的復(fù)合部位。根據(jù)擬建場地勘察報告，勘測范圍內(nèi)地層主要由雜填土層、砂土夾圓礫層、粉質(zhì)黏土層、圓礫層組成。場地內(nèi)的地下水類型為潛水，主要賦存于第4層圓礫中，受大氣降水和地表水下滲補給，向西北方向徑流；地下水埋深30.15～31.80m，因此可不考慮地下水對基坑支護結(jié)構(gòu)的影響。土層分布范圍及特性如表1所示。

表1 土層分布范圍及特性

2 基坑支護方案設(shè)計

由圖1可知，基坑平面呈不規(guī)則形狀，且周圍存在已建民居。為在基坑開挖時不引起周圍已有建筑物過大沉降，同時為節(jié)約成本，基坑支護設(shè)計將采取“因地制宜”的設(shè)計理念，視基坑周圍具體情況采取對應(yīng)措施進行加固。支護結(jié)構(gòu)設(shè)計使用PKPM施工軟件4.0和理正深基坑7.0計算，最終設(shè)計結(jié)果如下。

1）基坑支護北側(cè)AB段、東側(cè)DE段和西側(cè)GH、HA段有一定放坡條件，采用土釘墻支護結(jié)構(gòu)?；ü芡玲斁耘c水平向15°夾角斜向下打入土中，花管土釘長6m，AB和DE段直徑0.05m，GH、HA段直徑為0.048m。

其中AB段邊坡坡度1∶0.3，共3排土釘，第1排土釘設(shè)置在距坡頂以下約2.5m處，其余土釘分別位于距上一排土釘1.50m和1.44m處；DE段邊坡坡度1∶0.4，第1排土釘位于坡頂以下約2.0m處，其余土釘與上一排土釘?shù)呢Q向距離分別為 1.53，1.40，1.47m。

GH段邊坡坡度為1∶0.4，共4排土釘，第1排土釘設(shè)置在坡頂以下約2.5m處，其余土釘與上一排土釘?shù)呢Q向距離分別為1.48，1.46，1.48m；HA段邊坡坡度仍為1∶0.4，共3排土釘，其余土釘與上一排土釘距離分別為1.36，1.58m。

2）基坑?xùn)|側(cè)BC、CD、EF段基坑附近主要毗鄰已有建筑物，不具備放坡條件，故采用拉錨式鋼管樁支護結(jié)構(gòu)。

此處開挖深度6.1m，基坑側(cè)壁采用Q235 140mm×4mm錨拉式雙排鋼管樁支護結(jié)構(gòu)，鋼管樁壁厚不小于4.0mm，長10m，嵌固深度3.90m，外露6.10m。樁端進入砂土夾圓礫層；BC段樁排距和樁間距均為0.5m，CD段樁排距為0.5m、樁間距為0.8m，鋼管樁樁身內(nèi)外采用32.5R水泥漿灌注，水灰比0.5。鋼管支護樁樁頂通長設(shè)置300mm×200mm冠梁，前排樁和后排樁設(shè)置300mm×20mm連梁，使各支護樁連接在一起形成整體。

BC、CD段在樁頂以下-3.0m處選用1根 28的HRB400級鋼筋作1排預(yù)應(yīng)力錨桿，長9.0m，其中BC段水平間距1.5m，CD段水平間距1.6m，入射角均為15°；選用1根［18a作為腰梁與預(yù)應(yīng)力錨桿連接。

基坑?xùn)|側(cè)EF段仍采用拉錨式鋼管樁支護結(jié)構(gòu)。開挖深度-8.0m，基坑側(cè)壁采用Q235 140mm×4mm拉錨式雙排鋼管樁支護結(jié)構(gòu)，鋼管樁壁厚不小于4.0mm，長13m（樁端進入砂土夾圓礫層），嵌固深度6.50m，外露6.50m，樁排距為0.5m，樁間距為0.6m，鋼管樁樁身內(nèi)外采用32.5R水泥漿灌注，水灰比0.5。鋼管支護樁樁頂通長設(shè)置300mm×20mm冠梁，前排樁和后排樁設(shè)置300mm×200mm梁，使各支護樁連接在一起形成整體。

在樁頂以下-2.0，-4.0m處分別選用1根 28的HRB400級鋼筋制作2排預(yù)應(yīng)力錨桿，長度均為9.0m，水平間距均為1.80m，入射角15°；選用1根［18a作為腰梁與預(yù)應(yīng)力錨桿連接。錨桿采用機械鉆孔，成孔直徑130mm，注漿材料用水泥漿，水灰比為1∶0.5，注漿壓力為0.6MPa。

樁外側(cè)噴射80mm厚C20混凝土面層，噴射混凝土骨料最大粒徑不大于16mm，水灰比宜為1∶0.5?；炷磷o面鋼筋網(wǎng)為單層雙向設(shè)置，網(wǎng)片鋼筋采用 6.5HPB300級鋼筋，間距250mm×250mm，接頭宜綁扎搭接，搭接長度不小于200mm，鋼筋網(wǎng)伸至坑底。

3）基坑南側(cè)fg段 考慮到基坑開挖將影響西環(huán)路的穩(wěn)定性且放坡空間較小，宜采用樁錨支護結(jié)構(gòu)。

基坑南側(cè)邊坡采用1排預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)+排樁支護體系進行支護。支護樁樁徑800mm，樁間距2.0m，支護樁樁長13.0m，支護樁樁頂通長設(shè)置800mm×500mm冠梁，使各支護樁連接在一起形成整體。

在樁頂以下2.50m處設(shè)置1排預(yù)應(yīng)力錨桿，長度15.0m，預(yù)應(yīng)力錨桿孔徑130mm，自由長度5.0m，水平間距2.0m，入射角15°；錨桿桿體為 28鋼筋錨桿，選用1根［18a作為腰梁與預(yù)應(yīng)力錨桿連接。

4）基坑南側(cè)Ff、gG段有一定放坡條件，但基坑深度較大，采用復(fù)合土釘墻支護結(jié)構(gòu)，如圖2所示。邊坡坡度1∶0.3；花管土釘與預(yù)應(yīng)力錨桿交替布置，共5排。第1層土釘距坡頂豎向距離為1.77m，其后每層土釘（或預(yù)應(yīng)力錨桿）與上層土釘（或預(yù)應(yīng)力錨桿）的豎向距離分別為1.50，1.45，1.48，1.52m。

3 基坑開挖數(shù)值模擬研究

3.1 模型參數(shù)

上述基坑支護方案均經(jīng)過計算軟件驗算得出，現(xiàn)對基坑開挖過程進行數(shù)值模擬分析，數(shù)值計算所需參數(shù)如表2，3所示。

為消除邊界效應(yīng)影響，選取合適的模型尺寸至關(guān)重要。吳桐等[12-14]認(rèn)為開挖影響范圍為基坑開挖深度的2～3倍較為合理，故基坑模型最終尺寸確定為186m（長）×113m（寬）×35m（高）。基坑周圍的建筑物自重采用在建筑物樁基或淺基礎(chǔ)上添加豎向軸力或均布力的方式模擬，不考慮建筑物本身剛度的影響。模型土體采用3D實體單元模擬；土釘、預(yù)應(yīng)力錨桿、鋼腰梁、鋼管灌注樁及混凝土樁均采用1D植入式桁架單元模擬；基坑內(nèi)側(cè)噴射混凝土層采用2D板單元模擬。

基坑在開挖前首先進行初始地應(yīng)力平衡，隨后激活各個樁構(gòu)件（模擬打樁過程）。緊接著分層開挖基坑土體并分層施作相應(yīng)的支護結(jié)構(gòu)，直至基坑開挖到預(yù)定深度。模型建成后的基坑平面如圖3所示。

3.2 結(jié)果分析

在實際工程中，考慮到所有支護結(jié)構(gòu)最終會被噴射混凝土層覆蓋，所以本次數(shù)值模擬主要研究基坑內(nèi)側(cè)噴射混凝土層頂部的位移結(jié)果，并以此判斷實際工程中基坑支護效果。

表2 土體物理力學(xué)參數(shù)

表3 支護結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

圖3 數(shù)值模擬基坑平面

圖2 Ff與gG段復(fù)合土釘墻剖面

由第1層土開挖后基坑總位移云圖可以看出，首層土體開挖結(jié)束后基坑內(nèi)底部土體產(chǎn)生上拱，最大隆起位移約7.6mm，這是由于上部土體開挖卸荷所致。

同樣在基坑開挖結(jié)束后地面也發(fā)生隆起現(xiàn)象，最大隆起位移為60mm。開挖引起的土體位移主要集中在基坑周邊，對于遠離基坑周圍的土體基本沒有影響。

現(xiàn)實中考慮到基坑開挖后放置時間較長，應(yīng)在施工過程中及基坑放置期間加強周邊地面及基坑頂部的沉降位移觀測，隨時掌握沉降位移發(fā)生量及變化趨勢，發(fā)現(xiàn)異常情況立即停止，查清原因后及時解決。實際工程中基坑位移監(jiān)測報警值如表4所示。數(shù)值模擬計算完成后提取相應(yīng)的位移云圖與表中預(yù)警值進行比對，以驗證實際工程中的支護結(jié)構(gòu)是否安全合理。

表4 基坑支護結(jié)構(gòu)監(jiān)測報警值

由基坑內(nèi)側(cè)噴射混凝土層水平位移云圖可知，噴射混凝土層頂部最終的收斂位移均非常小，水平收斂位移普遍在13mm以內(nèi)，遠小于表4中的墻（坡）頂水平位移監(jiān)測報警值。

水平收斂位移最大值位于BC段雙排鋼管樁的下部，最大位移約24.7mm，仍小于土釘墻或支護樁的水平位移報警值。所以，通過數(shù)值計算結(jié)果分析得出:基坑開挖所采取的支護措施，在控制水平收斂方面合理有效。

由基坑內(nèi)側(cè)噴射混凝土層豎向位移云圖可知:基坑噴射混凝土層頂部豎向位移數(shù)值普遍在5.6～15.6mm，滿足表4中的有關(guān)要求。豎向位移最大值在DE（土釘墻）段靠近坑底位置，最大值約22.2mm，仍滿足土釘墻或支護樁的豎向位移要求。

綜上所述，在該基坑支護方案條件下，噴射混凝土層頂部的水平、豎向位移均滿足安全施工要求。

4 技術(shù)創(chuàng)新

由以上基坑支護方案可知:基坑?xùn)|側(cè)存在建筑物地段采用鋼管樁+錨索支護結(jié)構(gòu)，但如何選擇合理的材料填充鋼管樁內(nèi)部值得研究與探討。一般來說，鋼管樁內(nèi)部常見的填充材料為混凝土或水泥漿，而水泥漿的流動性顯然更好?？紤]到砂土夾圓礫層是基坑開挖面的主要土層，并且黏聚力極低，較松散。選擇水泥漿填充正好可利用其良好的流動性，在增強鋼管樁剛度的同時也可加固松散地層（在鋼管周圍鉆孔使水泥漿易于流入土層），提高土層的自穩(wěn)能力。因此，相較混凝土來說，采用水泥漿填充顯然是更好的加固方法。

5 結(jié)語

1）本基坑開挖工程在考慮基坑周圍建筑情況及經(jīng)濟技術(shù)等方面的要求后，根據(jù)不同支護要求采取分段獨立設(shè)計的方法，完成了基坑支護設(shè)計。并針對砂土夾圓礫層黏聚力極低、較松散的特殊情況，將填充料由混凝土改為水泥漿，不僅增加了鋼管樁的剛度，同時也增強了松散地層的自穩(wěn)能力。

2）通過Midas有限元軟件模擬基坑開挖過程，主要研究基坑內(nèi)側(cè)噴射混凝土層頂部的水平收斂位移及豎向位移，水平收斂位移普遍在13mm左右，豎向位移普遍在5.6～15.6mm，滿足監(jiān)測報警值要求。因此，本工程所采取的支護措施安全有效。