樁錨支護體系下基坑開挖過程模擬分析——以重慶軌道交通10號線二期蘭花湖停車場基坑為例*

周啟宏，馮 虎

1.中鐵二十局集團第三工程有限公司，重慶 400065

2.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074

隨著國家加大對地下空間的投資利用，地下停車場成為許多城市解決地面用地緊張和交通擁堵問題的有效方案，地下停車場基坑規模大、開挖深，在基坑開挖施工過程中存在很多不確定性因素，可能導致基坑發生支護結構破壞、基坑傾覆等嚴重事故。因此，采用數值模擬技術對基坑產生的變形和可能產生的破壞進行預測就顯得尤為重要。

目前，眾多學者通過數值模擬方法對基坑工程進行了分析研究。何明[1]利用Midas GTS NX軟件對承德市某基坑進行數值模擬分析，檢驗基坑支護設計的合理性和安全性。張洪波[2]以淮安市某軟土深基坑作為研究對象，進行有限元模擬分析，提出采用變形小、剛度大的鉆孔灌注樁、設三層鋼筋混凝土內支撐作為支護結構。劉維軍[3]以寧波軟土地區地鐵車站深連基坑為工程背景，對基坑工程進行開挖全過程模擬，結合現場監測數據進行對比分析。朱江華、余小強[4]以南昌市某臨江基坑為工程背景，借助ABAQUS軟件對基坑開挖過程進行模擬，得出了地表沉降變形等相關結論。

目前已有較多研究通過數值模擬方法對深基坑支護結構的設計和施工開挖過程進行討論，然而不同地區基坑地質、地形條件不同，開挖過程中的變形特征亦不盡相同。因此，文章依托重慶軌道交通10號線二期蘭花湖停車場基坑工程，針對該地區深回填土、砂泥巖等地質情況，采用數值軟件模擬分析基坑開挖過程中支護結構變形情況，總結其變形規律，為此類基坑安全施工提供參考。

1 工程實例

1.1 工程概況

重慶軌道十號線蘭花湖停車場位于重慶工商大學蘭花湖校區東北側，南側緊鄰蘭花路，東側緊鄰回龍路，北側緊鄰蘭湖天小區。停車場與南湖站、蘭花路站，呈“八字”接軌，停車場東西向長約395m，南北向寬約最窄處13.4m，最寬處約81.4m?；娱_挖長度為188.65m，最大寬度為97m，開挖深度最大為31.02m，且穿越深厚回填土地層，施工風險極大、環境敏感高。基坑平面圖如圖1所示。

圖1 基坑平面圖

根據查閱地勘資料，蘭花湖停車場場地呈寬緩的溝槽及丘坡相間分布的狀態，人工改造較大，現大部分為填方區，基坑地層由上而下依次為填土層、沉積巖層；填土層主要由素填土、壓實填土和粉質黏土組成，巖層主要由砂質泥巖和砂巖組成。

1.2 支護結構

綜合地勘資料和設計資料，深基坑維護結構主要采用的是圍護樁+預應力錨索形式和圍護樁+內支撐形式。樁錨支護結構設計如下：采用樁徑為1m、樁間距為2.5m的鉆孔灌注樁，由于基坑不同斷面填土區深度不同，樁底嵌入巖層的深度不小于2.0m；基坑錨索的水平間距為2.5m，豎向間距為2.5m；樁頂設置規格為1000mm×1000mm的冠梁?；蝇F場縱斷面圖如圖2所示。

圖2 基坑6B斷面樁錨支護結構

2 數值模型的建立

根據地質勘查資料和工程現場施工情況，文章選取基坑6B斷面進行開挖模擬，該斷面位于基坑咽喉處，距離基坑旁蘭花路較近，且回填土層較厚，最厚處達33.8m。

2.1 模型參數選取與工況設置

通過地勘資料、室內實驗、工程經驗等方法確定了回填土、砂質泥巖、中風化砂巖和強風化砂巖等巖土體材料的參數值，具體如表1所示。根據現場實際施工開挖情況和支護結構施工順序，首先建立模型，生成土體初始應力并進行抗滑樁和冠梁施工，基坑模擬分為7步開挖：（1）開挖至地下3.5m；（2）在地下3m處實施第一道錨索，開挖至地下5.5m；（3）在5.5m處實施第二道錨索，開挖至地下8.5m；（4）在8.5m處施加第三道錨索，開挖至地下11m；（5）在11m處施加第四道錨索，開挖至地下13.5m；（6）在13.5m處施加第五道錨索，開挖至地下16m；（7）在13.5m處施加第六道錨索，開挖至基坑底部18.9m。

表1 數值模擬的材料參數值

2.2 模型尺寸與網格劃分

考慮模型的尺寸效應，簡化計算模型，將計算深度取開挖深度的2～3倍，寬度取開挖深度的4～5倍，具體情況如下：模型基坑開挖深度為20.32m，總長度為144.28m，高度為68.9m，共有35245個節點，62222個單元，基坑模型如圖3所示。

圖3 基坑模型

3 模擬結果分析

3.1 模型合理性的驗證

為驗證所建模型的可靠性，將實測的樁頂水平位移值與模擬的結果進行對比，具體如圖4所示。由圖4可知，樁頂水平位移實測值和數值模擬結果的曲線趨勢基本一致，兩者結果雖存在誤差，但差距較小，最大誤差僅為4.53mm，在規定允許范圍內；圖4中除開挖7外實測值都比模擬值大，因為數值模擬并未考慮施工荷載及現場復雜情況，這也說明數值模擬能較為真實地反映基坑開挖過程中樁錨支護結構的變形情況。

圖4 樁頂水平位移模擬值和實測值

3.2 施工過程支護結構位移變化規律

（1）樁身水平位移變化規律。不同開挖步驟下樁身水平位移的數值模擬結果和最終實測值對比圖如圖5所示，由圖5可知，在不同開挖步驟下，由于基坑土體開挖卸荷的作用，圍護結構受到坑外主動土體壓力作用，朝基坑內產生不同的水平位移。開挖1、開挖2中最大位移分別發生在2.82m和3.8m處，最大位移分別為1.66mm和3.25mm，基坑開挖深度較淺且由于錨索的錨固作用，因此支護樁不同深度水平位移量非常??；開挖7中最大位移位置為8.16m處，最大值為19.27mm，從開挖1到開挖7，由于開挖深度增加，樁后主動土壓力不斷變大，因此樁身側移量持續增加，最大水平位移點也不斷下移。樁身最大水平位移位置約為樁體1/3處，且各開挖深度下最大值均小于規范預警值，說明砂泥巖地層中樁錨支護起到了良好的支護效果。樁體下部嵌入巖體，巖體的嵌固作用抵消了上部主動土壓力對樁體變形的影響，故下部支護樁變形較?。粯扼w上部坑外主動土壓力較小且由于錨索的錨拉作用，上部變形也較小，因此支護樁樁身側移曲線呈“飽腹”形。對圖5中開挖7時的模擬值和最終實測值的曲線進一步分析，可以看出樁體水平位移實測最大值比模擬值稍大，這是因為該基坑外修有施工便道，而模擬時并未考慮施工荷載的存在，且模擬時將巖土體視為理想材料，與實際巖土體情況會有誤差，由于該基坑開挖時間較長，樁體水平位移差異還可能與施工開挖安排不及時有關。雖然模擬值與實測值存在差異，但兩者的曲線變化趨勢大致一致，均呈“飽腹”形，模擬的樁體最大水平位移為19.27mm，約為0.10%He（He為開挖深度），而實測值為21.45mm，約為0.11%He，兩者差距很小，均滿足規范變形要求，說明樁錨支護設計方案合理。

圖5 樁身水平位移隨開挖步驟的模擬值和實測值對比圖

（2）土體沉降位移變化規律。基坑開挖卸荷過程，會打破原狀土體靜力平衡，引起基坑周圍土體應力重分布，導致周圍地面發生沉降。樁后土體沉降曲線模擬值和實測值對比圖如圖6所示，由圖6可知，開挖初期的開挖深度較小，其對基坑周圍土層影響有限，沉降量較小。隨著開挖的深入，地表沉降逐漸增大。由于靠近基坑一側的土體與圍護樁之間形成的土拱效應抑制了土體的位移，基坑外地表沉降最大值并不是出現在基坑邊緣，而是在距離基坑邊8～15m處；在距離基坑25m外，各開挖工況下地表沉降很小且逐漸減小，說明基坑開挖引起的周圍土體豎向位移具有很強的空間分布效應。對圖6中地表最終沉降數值模擬值和實測值進一步對比分析，可看出數值模擬曲線和實測曲線在基坑邊緣處略有差別，這是因為基坑旁設有臨時便道，而數值模擬時未考慮該便道的影響；數值模擬最大沉降值為22.7mm，出現在距離基坑邊6.6m處，實測最大沉降值為25.05mm，出現在距離基坑邊5.57m處，兩者差異較小，可進行對比分析。

圖6 樁后土體沉降曲線模擬值和實測值對比圖

4 結論

文章通過對重慶軌道交通10號線二期蘭花湖停車場基坑的開挖工程進行數值模擬，得到了以下結論：（1）回填土、砂泥巖采用樁錨支護結構可滿足基坑的支護要求；（2）隨著基坑的開挖，樁體側移量逐漸增大，側移曲線呈“飽腹”形，最大水平位移位置約為樁身1/3處，施工時應加強該位置的現場監測；（3）基坑外地表沉降曲線呈凹形，土體豎向位移具有很強的空間分布效應，最大沉降發生在基坑邊緣8～15m處，因此施工過程中應加強該區域建筑物以及地下管線的實時監測，采取必要的保護措施。