深基坑支護體系優化設計及工程應用研究

楊 鳳

(湖北省核工業地質局，湖北 孝感 432000)

1 基坑支護方案選擇原則

1.1 安全性原則

安全性是工程建設過程中首要也是最重要的原則，在選擇支護方案時，其中安全性則始終應當放在首位。安全性方面出現問題則會引發重大的工程事故和損失。基坑支護的安全除了能夠保證擬建建筑物自身的基坑的穩定以及建筑物的安全，同時還能對周圍的建筑物安全性提供保證。所以在選擇基坑支護方案時還應當考慮到周圍環境的關系，確保基坑的開挖不會對周圍的建筑物等產生重大的影響[1]。

1.2 技術可行性

基坑支護的種類繁多，目前常見的支護類型主要有土釘墻、懸臂式、水泥土墻、內撐式排樁、拉錨式等，但是每種支護方式所適用的范圍也是有所差異。因而在選擇的過程中需要因地制宜，尋找最合適合理的方案，一方面需要盡可能地降低施工的難度、加快工程的進度，另外一方面還需要降低施工的風險[2]。

1.3 經濟性原則

基坑支護在施工的過程中也屬于是臨時性的保護措施，因而在能夠保證基坑安全的前提之下，再加上能夠滿足在技術方面的要求，需要盡可能地減低成本。所以成本的控制也是基坑工程需要考慮的一項因素，盡可能地避免不必要的浪費。

2 工程分析及支護方案的提出

2.1 工程概況

擬修建的建筑物地上部分共7層，地下2層，地下均采用樁基礎。該建筑物南北方向約198 m，東西方向98 m，基坑深度12.75～12.85 m，安全等級為一級。

2.2 支護方案選擇

該項工程處于舊城區，周圍已建的建筑物較多，施工的場地比較狹窄，環境非常復雜，不能夠進行大規模的放坡。地下有各種錯綜復雜的管線，擬建建筑物在修建的過程中不能夠影響到周圍其他的建筑物。此外，從長遠的角度考慮，未來城市會在地下大規模地發展地鐵以及綜合管廊工程，所以基坑支護結構也不能夠越過紅線，因而對基坑的支護有著嚴格的要求。因而綜合考慮到以上幾方面的因素，在對擬建建筑物基坑支護設計時一方面需要確保能夠嚴格控制周邊巖土體的變形，另一方面還需保證支護結構不會超出建筑紅線。而對于錨桿和土釘，其長度均在20 m以上，因而在該工程的基坑支護中不宜采用。故而對于該工程，支護方案選擇鉆孔灌注樁同時再加兩道內支撐，其中鉆孔灌注樁的直徑選擇為90 cm，兩個樁之間的間距1.3 m，圍護樁內設置兩道支撐，兩道支撐的標高分別為-3.4 m、-8.4 m，內支撐為鋼筋混凝土撐，截面尺寸為0.8 m×0.8 m。基坑的支護方案如圖1所示。

圖1 基坑支護方案示意圖(單位：m)

3 擬建工程基坑開挖支護數值分析及設計優化

3.1 基于ABAQUS的基坑開挖數值模擬

基坑開挖的過程較為復雜，通過有限元連續介質的方法，充分考慮到該區域的地層環境以及土層的性質，同時還可以施加開挖、支護等工況，能夠較為準確的模擬出在施工過程中基坑應力、變形等方面的變化。本文應用ABAQUS對基坑開挖以及支護過程進行數值模擬[3]。

如圖2所示為模擬的地表沉降曲線圖。從圖2中可以看出，在基坑開挖完成之后，不同的位置所表現出的地表沉降也是有差異的，在坑外15 m的范圍之內受到沉降的影響較大，當寬度超出20 m所受到的沉降影響就很小，沉降曲線整體上形似“勺形”，在基坑之外7.5 m左右的位置出現了最大的沉降量13 mm，但是其沉降值僅僅是需要在臨界值的1/3之內，因而預測地表沉降依舊處于安全的范圍之內。

圖2 地表沉降曲線圖

如圖3為開挖過程樁身水平位移圖。樁身在整個位移中呈現出上端和下端的位移較小，中間段的位移較大，樁頂和樁身的最大位移分別為8 mm、15 mm，遠小于相關規范規定的臨界值，處于安全值的范圍之內。

圖3 開挖過程樁身水平位移圖

如圖4為坑內土體隆起的曲線。在第一次開挖的過程中，開挖的深度也較小，坑底僅僅表現出了彈性隆起，兩側的隆起較小，越往中間其隆起越大。隨著開挖深度的逐漸增大，在坑底也逐漸出現了塑性變形，隆起的曲線整體上變現為兩邊大中間小。整體上來講，開挖的深度越大，其隆起量也就越大，但同時在坑底的不同位置，其隆起量的增加速度還是會略有差異。經過了三次開挖，坑底的最大隆起量分別為5.6 mm、9.2 mm、12.5 mm，分別均小于規范的計算值，能夠滿足規范的要求。

圖4 坑內土體隆起曲線

根據對支撐軸力的模擬，結果顯示其中第一道支撐進入穩定狀態的速度較快，第二道支撐軸軸力隨著開挖深度呈線性增加，第一道支撐和第二道支撐的軸力最大值分別為3 703 kN、6 225 kN，遠小于警戒值，均在安全值范圍內。

通過對各項指標進行模擬，其警戒值與模擬值對比結果見表1。

表1 模擬結果驗證對比表

3.2 模擬結果的設計方案優化

進行數值模擬除了可以通過模擬結果來驗證支護結構設置的可靠性與安全性，此外還可以對設計進行更深層次的優化。

(1) 對排樁的優化。如圖5所示為圍護樁彎矩圖，通過模擬也可以發現當基坑開挖到深度為12.75 m時，在距樁頂4～11 m處的樁身正彎矩較大，其中最大正彎矩為348 kN·m。在14～18 m處，樁身出現負彎矩，其中負彎矩最大為225 kN·m。根據樁身彎矩分布的特點，可對樁身結構的配筋方案進行略微的調整，在正、負彎矩較大的部位加大鋼筋的布設。同時還應當在彎矩較大的部位布設監測點進行重點的監測。

圖5 圍護樁彎矩圖

(2)對內撐的設計優化。該工程一共采用了兩道支撐，圖6為兩道支撐軸力對比曲線。通過數值模擬的結果顯示，兩道支撐在受力方面所受到的差異較大。其中第一道支撐自一開始所受的軸力就不斷增加，但是在施加第二道支撐之后，第一道支撐的受力變化微小。第二道支撐的軸力隨開挖深度的增加而不斷增大，在設計深度處周麗達到最大值。顯而易見，在整個過程中支撐力主要是由第二道支撐提供，而第一道支撐所提供的支撐力較小，所以兩道支撐的截面尺寸也應當有區別的設計，第二道支撐的尺寸宜比第一道支撐大約50%。另外在施工的過程中需要對支撐的軸力進行監測，對監測也需要一定的優化。

圖6 兩道支撐軸力對比曲線

(3)對周邊沉降監測布置的優化。在基坑開挖的過程中，不可避免的會引起水平或者豎直方向上的位移，倘若變形量過大還會對周邊的環境造成破壞。通過數值模擬可以看出，地表的變形呈現出不均勻分布的特征，所以在監測的過程中應當有所側重。其中圖7所示的是沉降變形曲線與地下管線位置的關系。其中離基坑開挖邊緣最近的天然氣管道僅有10 m，但是基坑外邊緣15 m的范圍之內變形均較大，雖然變形值在允許的范圍之內，但是依舊需要在開挖的過程中進行密切的關注監測，尤其是在基坑開挖之后，應當增加監測的頻率，以便發生問題后及時進行處理。

圖7 沉降變形曲線與地下管線位置關系

4 結束語

文章通過運用數值模擬的手段，模擬了深基坑在開挖過程中的應力和位移變化情況。同時根據模擬的結果對支護設計的排樁、支撐以及監測方案進行了深入的優化，以求支護能夠達到最優的效果。