土巖組合地層明挖基坑樁撐體系設計優化

雷 剛， 賀彥衛， 張曉霞， 周 強， 張 慶

(1.浙江大學建筑工程學院， 杭州 310000； 2.北京城建設計發展集團股份有限公司， 北京 100037； 3.青島地鐵集團有限公司， 青島 266000； 4.上海勘察設計研究院(集團)有限公司， 上海 200093)

隨著交通運輸事業的飛速發展，地鐵工程建設也迅速崛起，大量的地鐵車站深基坑工程層出不窮。基坑深度的增加，對其支護結構的經濟性和安全性的要求也隨之增高。因而，對地鐵車站深基坑工程優化設計是保障基坑安全、經濟的重要環節。

青島區域具有明顯的土巖組合地質構造特征，土巖組合地質在基坑設計中具有十分復雜的特性，具體體現為上覆土體與下部巖層剛度差異明顯，且下部巖層起伏明顯，風化差異較大。下部的斷層及破碎帶分布也為基坑設計帶來很大困難[1]。

目前，諸多學者對土巖組合基坑支護體系展開了分析研究，并取得了一些成果。劉紅軍等[2]依據具體工程開展了樁錨支護和吊腳樁兩種支護形式的變形研究，并提出了合理的排樁間距、剛度和嵌巖深度。劉濤等[3]探討了青島區域土巖組合地層的設計形式，認為存在土巖組合基坑圓弧-平面破壞和圓弧破壞這兩種破壞模式。祝文化等[4]對排樁+內支撐支護的土巖組合基坑進行模擬，探討了在不同支護形式下坑外地表沉降和排樁的水平位移情況。楊金華等[5]以武漢土巖組合地層狹長形深基坑為研究對象，結合現場的實測數據，探討了支撐體系軸力和樁體位移，總結出了該類基坑支護結構受力變形的變化規律。伊曉東等[6]通過研究認為土巖地層交界面是造成圍護結構“急劇”變形的主要位置。林佑高等[7]提出基坑設計可采取分層支護的支護形式，下層性質較好的巖層采用噴錨支護，上層性質較差的巖土層采用無支撐雙排樁支護，并且上下基坑間預留巖肩。黃敏等[8]對土層厚度、支護樁嵌入巖層的相對深度、錨桿布設、巖層組成及開挖方式等不同條件下土巖組合基坑開挖引起的地表沉降特征進行了整體分析。蔡景萍[9]通過大量現場監測數據分析，探討了土巖組合地層地鐵深基坑開挖引起的地表變形規律。

地鐵車站多位于城市中心，周圍建筑物密集，環境復雜多樣，從而對基坑變形要求較高。而支撐體系的設計，對于基坑變形控制及受力特性具有重要意義。因此，在具體工程中對支撐體系進行優化，對節約成本、增強穩定性具有重要意義。現在土巖組合深基坑的研究基礎上，以青島地鐵1號線土巖組合明挖車站基坑為背景，通過理論分析、有限元模擬、現場實測等方法，研究支撐體系中不同設計參數對基坑穩定性的影響。

1 土巖組合基坑變形特征

目前對純土體的一元結構基坑施工引起坑外地層變形理論和經驗的研究已經比較成熟，但是在較特殊的土巖二元結構地區研究還比較少。深基坑由于巖土體自重應力的釋放，最終導致基坑發生變形。相關研究表明：在土巖組合地層基坑開挖時，當樁體變形曲線呈上大下小的梯形分布時，地表沉降曲線呈不規則的偏態分布；當樁體變形曲線呈上大下小的三角形分布時，地表沉降為光滑的曲線，如圖1所示。對僅有中風化和微風化的巖層存在的基坑而言，開挖影響范圍大約相當于2.5倍土層厚度[10]；對存在強風化巖層的基坑而言，基坑開挖影響范圍大約相當于4倍的土層厚度。

h為基坑開挖深度；d為土層厚度；ymax為樁體變形最大值；δmax為地表沉降變形最大值

樁體產生最大位移的位置隨著開挖深度的增大而向底部移動，當基坑開挖結束時，樁體最大變形位置為距離基坑底部3～5 m處。圍護樁體產生了顯著的應力集中區，且圍護樁樁體變形在開挖初為向坑內前傾，當開挖到一定深度時變為工字形曲線。

開挖過程中，當支撐開始起作用時，支撐會承受大部分的力，隨著開挖不斷加深，各道支撐逐漸開始承受荷載，圍護樁身和冠梁受力更加均勻。當前一道支撐開始受力時，后面雖然單次開挖深度與前一段開挖距離相當，但每次的位移增量逐漸減小，說明樁撐體系能很好地進行協同受力工作。

2 基坑樁撐體系設計參數優化研究

溝岔村站地處青島市城陽區，車站呈南北向布置，標準段寬19.9 m，開挖深約17.89 m。該車站采用明挖法施工，采用鉆孔灌注樁+內支撐的支護結構方式。本節將利用數值分析軟件著重對青島地鐵1號線明挖基坑典型車站樁撐支護體系受力機理、變形特性及設計參數進行分析，研究支撐位置和支撐水平間距對基坑變形和穩定的敏感程度，建立的模型如圖2、圖3所示。

圖2 計算模型Fig.2 Computational model

圖3 模型支撐布置Fig.3 Support arrangement

2.1 支撐位置對基坑的影響

在深基坑設計過程中，首道支撐的位置對支護結構的穩定性具有重要意義，恰當地確定首道支撐的位置對后續圍護結構受力及變形控制十分關鍵。本節主要選取了距離基坑頂部0.5、1.5、2.5 m三種不同的首道支撐位置進行分析，結果如表1所示。

從表1可以看出，墻體頂部的水平位移和首道支撐與頂部的距離呈正相關，支撐從0.5 m下移至1.5 m時，頂端位移增加了83%；繼續下移至2.5 m時，墻體位移增大了49%。由此可見，首道支撐的位置是決定墻體水平位移的關鍵因素。首道支撐位于0.5 m時，對于墻體水平位移的限制最明顯。當首道支撐位置由0.5 m下移至2.5 m時，墻體的彎矩也有小幅度的減小。而首道支撐位置的變化對于墻后的地表沉降影響也比較明顯。隨著支撐位置的降低，地表沉降逐步增大。這主要是由于墻體位移帶動了墻后土體的沉降。而基坑隆起并不受首道支撐位置的影響。

表1 首道支撐不同位置對應的內力與變形最大值

從以上分析可知，合理地布置首道支撐的位置對基坑的水平側移有著較為顯著的影響。首道支撐的位置是影響墻體頂端的水平位移、墻體的內力及地表沉降的關鍵因素，而基坑隆起幾乎不受影響。通過綜合分析，在該工程中，基坑首道支撐的位置位于距離基坑頂部0.5 m時，其對土體位移和墻體內力的控制效果最優。

2.2 支撐水平間距對基坑的影響

經過研究發現，支撐的水平間距也對基坑整體穩定性具有一定影響，在保證基坑穩定性的基礎上，合理地選取支撐的水平間距對施工的便利性和工程的經濟性有著重要意義。本節主要選取了支撐水平間距3.0、4.5、6.0、9.0、12.0 m 5種工況進行分析，支撐間距6.0 m時的位移云圖如圖4、圖5所示。在墻體的厚度和支撐道數一定的情況下，不同支撐水平間距對基坑變形影響如表2所示。

圖4 支撐的豎向位移Fig.4 Vertical displacement of support

圖5 支撐的整體位移Fig.5 Overall displacement of support

表2 支撐不同水平間距所對應的基坑變形的最大值

從表2中可以看出，墻體的變形和內力與支撐的水平間距呈正相關。當支撐水平間距由3.0 m增加到6.0 m時，墻體位移由12.5 mm增長到了 15.9 mm，漲幅27%；支撐水平間距由6.0 m增加到12.0 m時，增長了34%。由此可見，支撐水平間距越大，會造成墻體位移增大，且增幅增多。間距的不斷增大，會對墻體位移的控制效果急劇減弱。這是由于支撐水平間距的增大，導致支撐體系整體剛度減小，從而使基坑變形增大。隨著水平支撐間距的增大，墻體的正彎矩和負彎矩也逐漸從小變大，但增幅較小。水平間距的變化在一定程度上也影響了地表沉降，支撐間距的增大使地表沉降急劇增大，最大可達15.8 mm，增長了82%。而基坑底隆起幾乎不受影響。

綜上所述，支撐水平間距是影響墻體水平側移和地表沉降的關鍵因素，對墻體內力的影響次之，坑底隆起幾乎不受影響。而在實際施工中，當支撐水平間距過小時，不利于施工機械的施工，且提高了工程造價；而當水平間距過大時，會造成基坑整體穩定性較差。因為各種條件影響，支撐水平間距的合理設計是設計中應該考慮的關鍵性問題。該工程支撐的最優水平間距為6.0～9.0 m。

2.3 支撐道數對基坑的影響

在深基坑支撐設計中，除了支撐位置和支撐水平間距會影響基坑變形，支撐道數也是影響基坑圍護結構的重要因素。支撐道數越多，基坑變形越小，但是當支撐過密時，支撐道數得不到充分發揮，給施工過程帶來不便，同時會造成資源浪費。由此可以得出，合理選取支撐道數尤為關鍵。本節選取了支撐道數分別為2、3、4三種工況進行分析，工況設定如表3所示。不同支撐道數對基坑變形影響如表4、圖6、圖7所示。

表3 不同豎向支撐道數工況設定表

表4 不同支撐道數下地連墻最大水平位移

圖6 不同支撐道數下地連墻隨工序變化曲線Fig.6 Ground connection wall changes with process under different number of support lanes

圖7 不同支撐道數下地連墻最大水平位移Fig.7 Maximum horizontal displacement of the wall under different number of support lanes

由表4可以看出，豎向支撐道數不改變墻體最大水平位移位置，而對墻體最大位移值影響較大：墻體最大水平位移值與支撐道數呈負相關。當支撐道數由2道增加至4道時，地連墻最大水平位移約從31 mm減小至約24 mm，減小20%左右，可見支撐道數的變化對墻體水平位移有很大影響。

由表4、圖6和圖7可知，采用2道支撐時，墻體變形較大，支護強度明顯不足。由表4中最大位移隨支撐道數增加變化趨勢及表7可以看出，由2道支撐增至3道支撐時，墻體最大位移變動幅度很明顯，而增至4道支撐時，其最大位移值與3道支撐相近。

綜上所述，合理布置支撐道數對防止墻體變形有著較為顯著的影響。在保證基坑穩定性的基礎上，合理布置支撐道數對施工的便利性和工程的經濟性有著重要的意義。綜合多方面考慮，該工程支撐道數的最優水平為3道。

2.4 支撐剛度對基坑的影響

在深基坑支撐設計中，除了支撐位置和支撐水平間距會影響基坑變形，支撐剛度對基坑圍護結構的變形影響也比較大。支撐剛度越大墻體變形越小，但是當支撐剛度過大時，其強度得不到充分發揮，造成支撐體積過大，給施工過程帶來不便，工程造價隨之提高，會造成資源浪費。因此在實際的深基坑支撐設計中，合理選取支撐剛度顯得尤為關鍵。鋼筋混凝土的支撐剛度K由EA/LS決定(其中E為混凝土的彈性模量，A為鋼筋混凝土支撐的截面面積，L為支撐長度，S為支撐的水平間距)。L、S和E為固定值，所以可通過改變支撐截面面積來達到設置支撐剛度的目的。把支撐截面系數定義為а，選取了支撐截面系數а分別為0.25、0.5、0.7、1、2五種工況進行分析，工況設定如表5、圖8所示。不同支撐強度對基坑變形影響如表6、圖9所示。

表5 不同支撐剛度工況設定表

圖8 不同剛度的鋼筋混凝土支撐Fig.8 Reinforced concrete support with different rigidity

表6 不同支撐剛度下地連墻最大水平位移表

圖9 不同支撐剛度下地連墻水平位移隨工序變化曲線Fig.9 Curve of horizontal displacement of the wall connected with different support stiffness with process

由表6可以看出，支撐剛度對墻體最大水平位移位置并沒有影響，而對墻體最大位移值影響較大：墻體水平最大位移值隨著支撐剛度的增大而逐漸減小。由表6、圖9可知，當支撐截面系數а由0.25增大到1時，地連墻最大水平位移從約36 mm減小至約26 mm，減小了30%左右，地連墻結構的變形變化幅度較大，可見增加支撐剛度可有效減小墻體水平位移。這是由于隨著支撐剛度增加，支撐體系的整體剛度增大，繼而增強了控制墻體變形的能力。但是當支撐截面系數a由1增大至2時，支承剛度對墻體變形影響很小。

綜上所述，合理選擇支承剛度對防止墻體變形有著較為顯著的影響。在保證基坑穩定性的基礎上，合理選擇支撐剛度對施工的便利性和工程的經濟性有著重要的意義。綜合多方面考慮，該工程深基坑支撐最優的截面系數為1，對應的截面尺寸為1.2 m×0.7 m。

3 監測數據分析

3.1 地表沉降監測分析

選取青島地鐵1號線溝岔村站地表沉降進行重要測點跟蹤分析，如圖10所示。

圖10 典型車站地表沉降監測Fig.10 Surface subsidence monitoring of typical stations

由圖10可知，隨著開挖深度的不斷增加，基坑各個地表沉降點由0 mm到10 mm逐漸增大，且距基坑約5 m遠處的沉降量為最大。沉降量最大位置并沒有出現在緊鄰基坑處，而是出現在基坑周圍一定距離處。

發生上述現象的原因主要是：隨著基坑開挖深度的增加，土的應力得到釋放，從而使得墻外主動土壓力不斷增大，使墻體向基坑內側偏移。在實際施工過程中總是先挖后撐，因此，在未設置支撐前，墻體已經產生了一定的位移。隨著支撐的架設，連續墻受到支撐的作用，局部有向基坑外側延伸的狀況。

3.2 圍護樁頂豎向位移監測分析

圍護樁頂豎向位移監測由2017年1月7日—2018年1月21日，取每個車站相似的時間節點連續3 d監測的平均值作為初始值，如圖11所示。

圖11 典型車站圍護樁頂豎向位移監測Fig.11 Vertical displacement monitoring of pile cap of typical station

由于土體進行開挖，外側土壓力大于基坑內側土壓力，從而導致支護結構向內側產生位移。隨著開挖深度的增加，基坑外側土壓力逐漸增大，因此支護結構向內側的水平位移明顯增加。第二道支撐開始承受荷載后，支護結構的支護能力增強，圍護結構在支撐作用下產生了向基坑外側的水平位移，這說明支撐在減小基坑水平位移量上發揮了作用。穩定一段時間后，隨著開挖深度的進一步加深，支護結構的水平位移又繼續增大，最終在一定范圍內小幅度波動，但基本趨于一個穩定值。該工程圍護樁樁頂位移(冠梁處)沒有達到預警值，且位移變化趨勢與理論分析具有一定的相似性。

3.3 支撐軸力監測分析

支撐軸力圖如圖12、圖13所示。

圖12 第一道支撐累計軸力Fig.12 The first supporting cumulative axial force

圖13 第二、三道支撐累計軸力Fig.13 The second, third support accumulative axial force

通過對比第一道和第二道支撐的監測數據中可見，當第二道支撐布設之后，減小了第一道支撐的受力，由此可見此時第二道支撐分擔了一部分土體荷載，使第一道支撐軸力基本穩定。隨著基坑開挖深度的增加，兩道支撐經過和土體相互作用達到了應力平衡，其變化也趨于同步，且位移與內力也基本穩定。

綜上所述，經過首道支撐位置與水平間距的優化設計，基坑位移和墻體內力均未超過設計允許的限值，滿足該工程的要求。

4 結論

通過對目前土巖組合地區地鐵深基坑工程研究現狀進行分析，根據青島地鐵1號線溝岔村車站深基坑工程項目，采用理論分析、有限元模擬、現場實測相結合的方法，進行了不同支撐體系結構設計參數對基坑穩定性控制的優化設計研究，并得出了如下結論。

(1)由于青島地區特殊的上土下巖地質狀況，使得其在地鐵車站基坑設計和施工時面臨較大的問題。由于樁撐體系穩定性強，具有較強的經濟性，因此在地鐵車站支護中應用較廣，土巖組合樁撐體系設計優優化研究可為日后類似的工程提供一定的參考。

(2)首道支撐的位置是影響墻體水平位移、墻體的內力及地表沉降影響的關鍵因素，而坑底隆起幾乎不受影響。該工程首道支撐位于0.5 m時，其對墻體位移和內力的控制效果最優。

(3)支撐的水平間距大小決定著支撐體系的整體穩定性。支護設計時，在各種條件因素限制下，合理選擇支撐水平間距是重要考慮要素。該工程最優水平間距為6.0～9.0 m。

(4)合理布置支撐道數對防止墻體變形有著較為顯著的影響。在保證基坑穩定性的基礎上，合理布置支撐道數對施工的便利性和工程的經濟性有著重要的意義。綜合多方面考慮，該工程支撐道數的最優水平為3道。

(5)經過首道支撐位置與水平間距的優化設計，基坑位移和墻體內力均未超過設計允許的限值，滿足該工程的要求。