北京市某基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案選型分析

吳麗萍，程凡偉

（長春工程學(xué)院，吉林 長春 130000）

自二十一世紀(jì)以來，我國的經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，高層建筑物日益增多，土地資源愈來愈匱乏，場地施工空間越來越狹小，導(dǎo)致很多建筑機(jī)械無法正常運(yùn)行，地下空間的開發(fā)與利用離不開對土體的支護(hù)[1-2]。因此，對層數(shù)為17～40 層且高度在50 ～100 m 的商業(yè)住宅或?qū)訑?shù)在40 層以上且高度超過100 m 的商業(yè)住宅的超大深基坑施工技術(shù)提出了更嚴(yán)格的要求，在施工中不僅需要保證工程項(xiàng)目按進(jìn)度計(jì)劃實(shí)施，還需要考慮施工方案中的某個(gè)施工工藝的技術(shù)安全性，在執(zhí)行過程中所用的勞動(dòng)力費(fèi)用、建筑機(jī)械費(fèi)用和材料費(fèi)用。如今在建筑行業(yè)中大多數(shù)采用招投標(biāo)的形式選擇一個(gè)既能保證施工安全且經(jīng)濟(jì)效益最高的施工方案。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于北京市海淀區(qū)，其擬建項(xiàng)目包括2 個(gè)地塊，用地面積為59 060.26 m2?；诱嫉孛娣e為51 282.28 m2，周長為1 105.8 m，支擋結(jié)構(gòu)共有4 個(gè)剖面, 基坑的深度為7 ～10.5 m，基坑安全等級(jí)為二級(jí)。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地勘察，在不擾動(dòng)或者基本不擾動(dòng)原位土層的情況下對土層做標(biāo)準(zhǔn)貫入、十字板剪切、靜載等試驗(yàn)。根據(jù)沉積年代和成因類型等條件，本工程項(xiàng)目勘察最大勘探的深度達(dá)到35 m 范圍內(nèi)的土層，分為人工填土、第四系新近沉積層、一般第四系地層，按地層特性把土層分為9 層。

2.2 水文地質(zhì)條件

現(xiàn)場勘測深度達(dá)到21 m 時(shí)共揭露4 層地下水，第一層地下水的類型為潛水，后三層為承壓水。其初見水位埋深分別為2～3 m、9～10.7 m、13.3～15.7 m、18～20.7 m。該區(qū)域近幾年最高穩(wěn)定水位標(biāo)高41 m,水位變化幅度約1～2 m。

3 設(shè)計(jì)方案選型

3.1 常見的支護(hù)形式

通常根據(jù)基坑深度、基坑的周邊環(huán)境以及水文地質(zhì)條件等因素把基坑的安全等級(jí)劃為3 個(gè)等級(jí)。根據(jù)基坑的安全等級(jí)，采用不同支護(hù)方式，常見的支護(hù)形式有支擋式結(jié)構(gòu)、土釘墻、重力式水泥土擋墻、放坡、水泥土插型鋼等[3]。

（1）支擋式結(jié)構(gòu)包括護(hù)坡樁+錨索、護(hù)坡樁+支撐、單排護(hù)坡樁、雙排護(hù)坡樁、地連墻等，在這些支護(hù)結(jié)構(gòu)中，比較常見的是錨拉式和支撐式，共同的優(yōu)點(diǎn)是擋土墻的本身強(qiáng)度較高，抵抗外力的變形的能力強(qiáng)，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，一般情況下不會(huì)產(chǎn)生傾覆。樁頂?shù)乃轿灰?、豎向位移等變形較小。通常用于地下室層數(shù)大于或等于2 層的基坑支護(hù)中, 基坑的深度通常為8～22 m，適用較差的土層。但是它們共同的缺點(diǎn)是造價(jià)高、施工工期長。

（2）土釘墻包括單一土釘墻、預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻、水泥土樁垂直復(fù)合土釘墻等。其中單一土釘墻是土釘墻中最常見的支護(hù)形式，其優(yōu)點(diǎn)是擋土墻穩(wěn)定可靠、造價(jià)較低、支護(hù)效果較好。缺點(diǎn)是對土質(zhì)條件要求比較高，適用于地下水位的標(biāo)高低于土釘?shù)锥说臉?biāo)高或者在基坑開挖前經(jīng)過降水的非軟土基坑，還要考慮周邊建筑物是否在土體的滑動(dòng)面上，若建筑物在基坑潛在的滑動(dòng)面上，則不宜采用土釘墻支護(hù)。

（3）水泥土重力式。此支護(hù)形式的優(yōu)點(diǎn)：①施工時(shí)不會(huì)對周邊環(huán)境造成污染；②水泥土土柱狀加固擋土墻不需要設(shè)置內(nèi)支撐，不會(huì)因空間狹小導(dǎo)致土方開挖及施工效率低；③因重力式擋墻是將水泥漿和原狀土強(qiáng)制攪拌并相互搭接，所以擋土墻不僅有擋土的作用，還有止水的效果；④因?yàn)樗嗟膿饺肓坎桓?，所以造價(jià)相對較低。缺點(diǎn)是施工速度較慢，適用于較厚的回填土、淤泥、淤泥土質(zhì)的地層，通常適用于基坑深度不大于7 m 的工程。

（4）SMW 工法：優(yōu)點(diǎn)：①不需要鉆孔，不存在孔壁的淤泥質(zhì)土坍塌現(xiàn)象，降低了臨近建筑物的影響；②SMW 工法的樁體相互搭接，因此具有較好的截水性；③適用填土、淤泥質(zhì)土、黏性土、粉土等土層；④與其他支護(hù)形式相比，成樁速度快，工期縮短將近一半；⑤從經(jīng)濟(jì)方面考慮，絕大多數(shù)的型鋼是可以回收的，降低了工程的造價(jià)。缺點(diǎn)是對施工工藝要求較高。

3.2 支護(hù)方案選型

根據(jù)各種基坑支護(hù)類型優(yōu)缺點(diǎn)概述，再結(jié)合該項(xiàng)目的地質(zhì)條件、基坑周邊是否存在建筑物、地下管線等因素。項(xiàng)目選擇了兩個(gè)支護(hù)方式方案，分別是樁錨+高壓旋噴、SMW 工法+錨索。

3.2.1 方案一

樁錨+止水帷幕設(shè)計(jì)參數(shù)：護(hù)坡樁樁徑為0.8 m，樁長為18 m，樁間距為1.3 m，護(hù)坡樁嵌入深度為7.5 m,護(hù)坡樁和冠梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25；設(shè)有3 道錨索，錨索孔的直徑為150 mm:MS-01 的自由端長度為10 m，錨固長度為15 m，鎖定值為230 KN,MS-02 的自由端長度為8.0 m，錨固長度為18 m，鎖定值為230 KN，MS-03 的自由端長度為10 m，錨固長度為15 m，鎖定值為330 KN；止水帷幕采用高壓旋噴止水帷幕，旋噴樁樁徑1 000 mm，樁間距為1 300 mm，樁長為1 650 mm。

3.2.2 方案二SMW 工法+錨索設(shè)計(jì)參數(shù): 采用Φ650@400 的三軸水泥土攪拌樁+H500×200×10×16 的型鋼,其中樁長為18 m,水泥摻入量20%,嵌入深度為7.5 m;型鋼布置形式為插二跳一。設(shè)有3 道錨索,錨索孔的直徑為150 mm:MS-01 的自由端長度為10 m,錨固長度為15 m, 鎖定值為230 KN,MS-02 的自由端長度為7.0 m,錨固長度為19 m,鎖定值為230 KN,MS-03 的自由端長度為10 m,錨固長度為15 m,鎖定值為330 KN。

4 方案比選

4.1 數(shù)值模擬

4.1.1 MIDAS GTS NX 概述

MIDAS GTS NX 是一款關(guān)于巖土和隧道結(jié)構(gòu)的有限元分析軟件，該軟件包括非線性彈塑性分析和施工階段分析等，在基坑支護(hù)建模中,為了模擬土方分層開挖對周邊建筑物以及地下管線的影響，采用的是施工階段分析，MIDAS GTS NX 的建模步驟：①先利用CAD 畫好幾何模型; ②導(dǎo)入dwg 格式的CAD 幾何模型;③設(shè)置材料參數(shù);④生成并劃分實(shí)體;⑤生成網(wǎng)格單元;⑥增加自動(dòng)約束及自重;⑦設(shè)置分析階段;⑧分析工況及求解。

4.1.2 本構(gòu)模型的選擇

由于巖土體材料的彈性模量、黏聚力、泊松比等其他物理參數(shù)存在一定的差異性，因此人們很難采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達(dá)式來表示巖土體在外力作用下導(dǎo)致的力學(xué)響應(yīng)特性。MIDAS GTS NX 提供了線彈性模型、摩爾- 庫倫模型、修正摩爾- 庫倫模型、范梅賽斯模型等本構(gòu)模型。本案例選用的是修正摩爾- 庫倫本構(gòu)模型。

4.1.3 材料參數(shù)的選擇

修正摩爾- 庫倫本構(gòu)模型中通常有泊松比、容重、內(nèi)摩擦角、黏聚力、三軸加載剛度E50ref、固結(jié)儀加載剛度Eoedref、三軸卸載剛度Eurref等參數(shù)。地勘報(bào)告上可以查找土的容重、內(nèi)摩擦角、黏聚力、壓縮模量，根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn),E50ref=Eoedref，Eurref是E50ref的3～5 倍[4]。當(dāng)內(nèi)摩擦角為a°(a 大于30°),最終剪切摩擦角取(a-30)°;當(dāng)內(nèi)摩擦角為b°(b 小于等于30°),最終剪切摩擦角取0°。

4.1.4 建立模型

本案例選取的基坑深度為10.5 m,根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)，在建立幾何模型時(shí)，基坑開挖的影響區(qū)域?yàn)殚_挖深度的3 倍，影響的深度范圍為開挖深度的2～3倍。確定此案例幾何模型的影響深度區(qū)域是32 m,基坑開挖影響區(qū)域是35 m。

4.1.5 結(jié)果分析對比

（1）周邊沉降對比分析。由圖1 和圖2 可知，工況4（開挖4）：方案一、方案二的周邊沉降最大值分別是-9.33 mm、-9.16 mm，方案一周邊沉降的最大值比方案二周邊沉降的最大值大0.17 mm, 且都在基坑監(jiān)測控制值范圍內(nèi)。

圖1 方案一周邊地表沉降圖

圖2 方案二周邊地表沉降

（2）樁頂水平位移對比分析。由3 和圖4 可知，工況4（開挖4）：方案一、方案二的樁頂水平位移最大值分別是-3.72 mm、-4.33 mm。方案一樁頂水平位移的最大值比方案二樁頂水平位移的最大值小0.61 mm，且都在基坑監(jiān)測控制值范圍內(nèi)。

圖3 方案一樁頂水平位移

圖4 方案二樁頂水平位移

4.2 經(jīng)濟(jì)對比分析

根據(jù)本案例基坑支護(hù)的兩個(gè)方案類型。方案一的材料工程量主要包含鋼筋的費(fèi)用、C25 混凝土費(fèi)用、鋼絞線的費(fèi)用；方案二的材料工程量主要包含型鋼的費(fèi)用、水泥的費(fèi)用、鋼絞線的費(fèi)用。參考《北京地方單位估價(jià)表》，在不考慮價(jià)格隨市場變化的前提下，分別計(jì)算分項(xiàng)工程的綜合單價(jià)和分項(xiàng)工程的工程量。

由表1 和表2 可知，方案二比方案一少了130 多萬元。綜上所述，方案二比方案一更經(jīng)濟(jì)。

表1 方案一預(yù)估價(jià)

表2 方案二預(yù)估價(jià)

5 結(jié)論

利用MIDAS GTS NX 分別對兩個(gè)支護(hù)方案進(jìn)行建模，并且對建模結(jié)果進(jìn)行分析，兩個(gè)方案的樁頂水平位移和周邊沉降相差不大且在基坑監(jiān)測的范圍內(nèi)；從經(jīng)濟(jì)方面考慮，方案二比方案一少了130 多萬元。根據(jù)此案例驗(yàn)證了SMW 工法+錨索的支護(hù)形式可行性，并且為類似的支護(hù)案例提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。