某基坑支護方案設計及施工數值模擬研究

何德海

（建材天水地質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構施工和基坑周邊環境的安全，對基坑采取的臨時性支擋、加固、保護和地下水控制措施[1]。近些年隨著我國經濟快速發展，高層建筑及地鐵車站建設大量涌現，多數基坑施工條件較苛刻，會受到相鄰建（構）筑物沉降控制要求限制，施工風險較大，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生坍塌，四周圍護樁全部傾倒，造成巨大經濟損失[2]。

為保證基坑施工安全，眾多學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]以地下連續墻基坑為研究對象，通過實際工程監測與理論分析，總結基坑開挖引起坑外地表沉降的原因。侯學侯淵等[4]認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據基礎上得出:圍護結構最大側移值介于（0.25%～0.55%）H，基本位于開挖面附近。徐娜等[6]在分析現場實測數據后發現:地下連續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定性，其結果顯示: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在（1/2～2/3）H處。

3）本構模型 劉帥君[9]采用多種模型對基坑降水開挖進行數值分析后得出:修正劍橋模型計算得出的地表沉降和圍護結構水平位移值更合理。董林偉[10]也認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值計算變復雜和收斂變慢的問題。王清等[11]以修正劍橋模型為基礎，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、坑底隆起和圍護結構的水平位移，并與現場實測結果進行比較，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，通過數值模擬驗證基坑設計方案的可行性。

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鎮西環路北側。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-剪力墻結構；2號樓為鋼筋混凝土剪力墻結構；裙房及地下車庫均為鋼筋混凝土框架結構。

1.1 工程環境條件

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 AB段建筑外墻線距離3層磚房約5.8m。2）南側 FG段建筑外墻線距已建道路約4.20m。3）西側 GH、HA段建筑外墻線距規劃道路約5.0m，距18層住宅樓約10.0m。

4）東側 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 工程地質概況

該項目場地整體地形平坦，地面標高介于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級階地的復合部位。根據擬建場地勘察報告，勘測范圍內地層主要由雜填土層、砂土夾圓礫層、粉質黏土層、圓礫層組成。場地內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構的影響。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 基坑支護方案設計

由圖1可知，基坑平面呈不規則形狀，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，同時為節約成本，基坑支護設計將采取“因地制宜”的設計理念，視基坑周圍具體情況采取對應措施進行加固。支護結構設計使用PKPM施工軟件4.0和理正深基坑7.0計算，最終設計結果如下。

1）基坑支護北側AB段、東側DE段和西側GH、HA段有一定放坡條件，采用土釘墻支護結構?；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的豎向距離分別為 1.53，1.40，1.47m。

GH段邊坡坡度為1∶0.4，共4排土釘，第1排土釘設置在坡頂以下約2.5m處，其余土釘與上一排土釘的豎向距離分別為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）基坑東側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構。

此處開挖深度6.1m，基坑側壁采用Q235 140mm×4mm錨拉式雙排鋼管樁支護結構，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置300mm×200mm冠梁，前排樁和后排樁設置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排預應力錨桿，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作為腰梁與預應力錨桿連接。

基坑東側EF段仍采用拉錨式鋼管樁支護結構。開挖深度-8.0m，基坑側壁采用Q235 140mm×4mm拉錨式雙排鋼管樁支護結構，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置300mm×20mm冠梁，前排樁和后排樁設置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排預應力錨桿，長度均為9.0m，水平間距均為1.80m，入射角15°；選用1根［18a作為腰梁與預應力錨桿連接。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面鋼筋網為單層雙向設置，網片鋼筋采用 6.5HPB300級鋼筋，間距250mm×250mm，接頭宜綁扎搭接，搭接長度不小于200mm，鋼筋網伸至坑底。

3）基坑南側fg段 考慮到基坑開挖將影響西環路的穩定性且放坡空間較小，宜采用樁錨支護結構。

基坑南側邊坡采用1排預應力錨桿結構+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處設置1排預應力錨桿，長度15.0m，預應力錨桿孔徑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作為腰梁與預應力錨桿連接。

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

3 基坑開挖數值模擬研究

3.1 模型參數

上述基坑支護方案均經過計算軟件驗算得出，現對基坑開挖過程進行數值模擬分析，數值計算所需參數如表2，3所示。

為消除邊界效應影響，選取合適的模型尺寸至關重要。吳桐等[12-14]認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、預應力錨桿、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；基坑內側噴射混凝土層采用2D板單元模擬。

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

3.2 結果分析

在實際工程中，考慮到所有支護結構最終會被噴射混凝土層覆蓋，所以本次數值模擬主要研究基坑內側噴射混凝土層頂部的位移結果，并以此判斷實際工程中基坑支護效果。

表2 土體物理力學參數

表3 支護結構材料參數

圖3 數值模擬基坑平面

圖2 Ff與gG段復合土釘墻剖面

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

同樣在基坑開挖結束后地面也發生隆起現象，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。

現實中考慮到基坑開挖后放置時間較長，應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生量及變化趨勢，發現異常情況立即停止，查清原因后及時解決。實際工程中基坑位移監測報警值如表4所示。數值模擬計算完成后提取相應的位移云圖與表中預警值進行比對，以驗證實際工程中的支護結構是否安全合理。

表4 基坑支護結構監測報警值

由基坑內側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，遠小于表4中的墻（坡）頂水平位移監測報警值。

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，通過數值計算結果分析得出: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。

由基坑內側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值普遍在5.6～15.6mm，滿足表4中的有關要求。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 技術創新

由以上基坑支護方案可知:基坑東側存在建筑物地段采用鋼管樁+錨索支護結構，但如何選擇合理的材料填充鋼管樁內部值得研究與探討。一般來說，鋼管樁內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 結語

1）本基坑開挖工程在考慮基坑周圍建筑情況及經濟技術等方面的要求后，根據不同支護要求采取分段獨立設計的方法，完成了基坑支護設計。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，主要研究基坑內側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，滿足監測報警值要求。因此，本工程所采取的支護措施安全有效。