復雜環境軟土基坑支護設計與應用研究

鄭 穩

(福建省建設工程質量安全總站 福建福州 350000)

0 引言

隨著城市快速發展和城市土地資源的日益緊張，越來越多的“老破小”建筑物被拆除，在原址上新建高層建筑，致使大量基坑孕育而生[1-3]。與傳統基坑相比，現有基坑地處市中心，周邊已經存在大量建筑，施工場地受限。同時，在拆除建筑原址施工基坑，受原建筑工程地質、遺留管樁等的影響，無疑給基坑的施工增加了難度和風險。為此，尋求一種適應現有復雜環境軟土下基坑開挖的支護技術，對城市未來建筑的健康良性發展具有突出意義。

本文以福州某基坑為研究背景。首先，通過對比分析現有基坑開挖支護方法的優缺點，確定適合本工程背景的最優支護方法，進行相應優化設計；其次，利用有限元，對所設計的支護方案進行可行性分析；最后，結合施工現場監測結果，對所提基坑開挖支護方式的可行性和適用性進行論證分析，為后續同類型基坑的開挖提供借鑒與參考。

1 工程背景

福州某地塊位于福州市鼓樓區工業路東側，與西禪寺隔路相望。本工程±0.00為羅零8.10 m，現有地面標高約處羅零6.90 m，設有三層地下室，開挖深度約12.5 m。場地東側為在建的融信瀾郡小區，北側和南側均為規劃路。場地土自上而下依次為：雜填土→粉質粘土→淤泥→粉(砂)質粘土→淤泥質土→粉質粘土→殘積砂質粘性土→全風化巖→砂土狀強風化巖→碎裂狀強風化巖→中風化巖，軟基特性明顯且復雜。同時，場地基坑開挖范圍內存在地下水，水位變幅1 m～1.5 m，東側為福州市內河。這些都將使基坑內部土體的物理特性發生改變，增大安全風險。

該場地周邊建筑物眾多，極大壓縮了基坑開挖的作業空間。基坑開挖過程中，支護的好壞，將直接影響周邊建筑的使用安全。同時，場地為“老破小”小區拆遷所得，雖然上部結構已經拆除，但下部結構尚未進行相關處置，因而場地內分布大量原建筑的樁基礎。通過現場調研和查閱相關圖紙可知，原建筑散布樁基礎的深度，大約與本工程基坑開挖深度基本相同，進一步增大了基坑施工的難度，影響著新建筑樁基、支護結構樁基的施工進程。

2 支護結構方案比選及設計

2.1 支護結構比選

鑒于本工程場地工程地質和施工作業環境的特殊性，以及施工工期的相關要求，該基坑開挖過程需要滿足以下條件：

(1)需在場地有限空間范圍內，盡可能提供較大的基坑開挖和后期樁基礎施工作業面，確保按照業主的施工進度要求，保證主樓的施工進度不受基坑支護結構的影響，使主樓盡快先出地面；

(2)為減少基坑開挖工期和基坑暴露時間，先不處理原建筑散布的樁基礎，待基坑開挖過程中，視樁長情況進行清理；

(3)本工程的樁基，需在基坑開挖至設計深度后再進行施工。

常用的支護結構形式有SMW工法[4]、鋼板樁法[5]、地下連續墻法[6]和鉆孔灌注樁法[7]。SMW工法和鋼板樁法的剛度小，需設置多道水平支撐。且本工程場地風化巖面變化大，埋深淺，因而SMW工法和鋼板樁法均不宜采用；地下連續墻法雖然能滿足本工程支護要求，但造價較高，工期較長，對本工程而言，不是理想的支護方式；鉆孔灌注樁法樁身剛度大，可根據不同地質條件選擇不同的樁徑，從而適應不同的地質條件。

考慮到上述四種支護方式的優缺點，結合本工程特殊場地條件與工程地質條件，本工程宜采用鉆孔灌注樁法。

2.2 優化設計原則

由于本工程先開挖基坑，再進行主體結構的樁基施工，因此需要最大限度地保證地下施工平面及后期樁基施工機械的凈空要求。結合本工程地下結構物特點為三層地下室，開挖深度達12.5 m，而樁基礎施工機械通常要求10 m凈高。因此，本工程場地基坑開挖過程采用的支護方式，需能夠盡量保證支撐結構不會占用基坑上方空間。

綜上，本工程基坑支護采用鋼筋混凝土內撐式排樁支護結構。由于本工程場地條件特殊，同時業主對工期有特殊的要求，需對本工程的支護體系進行優化，所采用的支護體系應具有以下兩方面特點：

(1)最大化立面空間作用面。減少鋼筋混凝土圈梁的道數。本工程支護體系支撐僅采用一道鋼筋混凝土圈梁；

(2)最大化平面空間作業面。結合業主工期要求，確保主樓先出地面且不受支護體系的影響，即保證支護體系中的混凝土結構體系不會占用主樓的平面位置。從受力最優、平面空間最大原則出發，鋼筋混凝土圈梁結構形式采用圓形形式，保證圈梁內部支撐、節點盡量稀疏。

2.3 基坑設計方案

基坑圈梁和環梁布置見圖1，施工現場照片見圖2。圍護樁采用鉆孔灌注樁。圍護樁與圍護樁之間的外側均采用雙重管高壓旋噴樁擋土止水。支撐柱采用格構式鋼柱與鉆孔灌注樁形成組合樁。以碎裂狀強風化花崗巖為持力層，樁端需進入持力層的深度不少于5.0 m。

圖1 基坑支護方案

圖2 現場照片

由于基坑東側有軟土淤泥較厚、土壓力較大，且周邊有新建高層住宅小區，基坑發生失穩坍塌的風險較高，因此基坑東側鉆孔灌注樁采用φ1100 mm樁徑，樁中心距采用1400 mm。其余位置鉆孔灌注樁采用φ900 mm樁徑，樁中心距采用1200 mm。圍護樁與圍護樁之間的外側均采用φ600 mm樁徑的雙重管高壓旋噴樁，進行擋土止水。

由于本工程基坑場地部分區域裸露，且該地層工程地質多為殘積土，遇水容易松軟，失去承載能力，同時可能出現流泥、流沙等，造成基坑底部承載能力喪失。為了降低基坑發生水毀的風險，進行基坑降排水設計優化。雜填土的上層滯水水量有限，可采用明排疏干。針對殘積土及風化巖存在的裂隙承壓水，易使基坑開挖時殘積土及風化巖遇水發生軟化。為確保基坑土方開挖干作業進行，在基坑內部及周邊布置降水管井以降低承壓水頭。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

為了減小基坑開挖過程中出現安全事故，同時為了更為準確地掌握本文優化設計的復雜環境軟土基坑開挖支護方式的變形規律和受力特性，采用專業有限元軟件MIDAS GTS NX，對本工程基坑開挖進行有限元分析，有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

支護結構中的圈梁、環梁、支撐柱等，均采用足尺進行幾何模型的建立。土體范圍的確定以減少土體邊界條件對有限元分析結果影響為原則，因而有限元整體幾何尺寸為450 m×350 m；土體最大深度位置宜距離樁底長度應大于樁徑的3倍以上，因而有限元模型高度取150 m。

支護結構中的圈梁、環梁、支撐柱，以及開挖土體和周邊土體均采用六面體單元，采用滑動庫侖摩擦模型模擬支護結構與土體的接觸方式。在保證計算精度和分析結果具有代表性的前提下，進行網格分區域劃分，支護結構和土體相交范圍內采用精細網格，其它非重點關注位置采用稀疏網格。

支護結構中圈梁、環梁、支撐柱的混凝土本構關系，采用Drucker-Prager模型，本構模型的詳細參數按《混凝土結構設計規范》[8]確定。由文獻[9]可知，土體由于具有多元性和復雜性，使得本構關系異常復雜。對于本文而言，研究的重點是確定支護結構的合理性，因而本文根據文獻[9]的相關簡化方法，對土體本構進行相應簡化，采用彈塑性土體本構模型和Mohr-Coulomb屈服準則模擬土體應力-應變相關關系。土體本構相關參數取值根據本工程地質勘察報告進行確定，如表1所示。

表1 土層計算參數

有限元分析模型的邊界條件，采用土體四周約束水平方向位移，土體底部約束三維方向位移。圈梁與圍護樁、圈梁與支撐柱等之間的接觸，采用命令“Tie”進行綁定。初始條件考慮結構自身的重量和邊界條件。

3.2 分析結果

圖4給出了最不利工況下，基坑周邊土體位移云圖。由圖可見，基坑開挖完成后，土體坡頂水平方向和豎直方向位移達到最大，分別為28.4 mm和28.5 mm。由于兩側工程地質和圍護樁的尺寸存在差異，因而土體變形呈現出不對稱。基坑開挖完成后，越接近基坑中心，基坑周邊土體沉降越大。此外，由圖4(c)可以看出，基坑底部土體回彈不明顯，說明本文提出的復雜環境軟土基坑開挖支護能夠較好地約束基坑周邊土體。

(a)水平(X方向)

(b)水平(Y方向)

(c)豎向(Z方向)圖4 土體位移云圖(單位：mm)

分析表明，最不利工況下，圈梁和環梁所受最大拉應力和壓應力分別為1.1 MPa和12.4 MPa，均小于文獻[8]規定的設計抗拉強度(2.20 MPa)和設計抗壓強度(16.7 MPa)。除較少部分因為施工方便造成的幾何變化而引起的應力集中外，圈梁和環梁應力分布較為均勻。可見，本文提出的復雜環境軟土基坑開挖支護體系中的圈梁和環梁，具有良好的受力性能。

此外，通過有限元分析還得出，最不利工況下，圍護結構最大水平位移發生在基坑底部附近，為28.8 mm，支撐撐立柱最大沉降為19.8 mm。

4 基坑開挖監測結果分析

本工程基坑場地地處復雜軟土地基，周邊土體水系發達，周邊建筑物眾多，因而基坑開挖過程中，對周邊土體的變形控制的好壞，直接影響周邊建筑物的使用功能，同時也事關基坑開挖安全。此外，本工程基坑開挖支護采用鋼筋混凝土內撐式排樁支護，僅在基坑頂部布設一道的橫向框梁支撐，而且地下室樁基施工采用逆作法，先開挖再施工樁基，增加了基坑暴露的周期。為了保證本工程場地基坑開挖的安全性，同時也為了驗證本文所提基坑開挖支護結構的有效性與適用性，項目在基坑開挖過程中，對周邊土體、支護體系和周邊建筑物進行監測和分析。

根據本工程場地的工程地質和基坑開挖支護方式，基坑開挖過程中的主要監測對象和內容包括：①土體深層水平位移(測斜)監測；②基坑坡頂水平位移和沉降監測；③支撐立柱沉降監測；④周邊建筑沉降監測。

圖5給出了工程基坑開挖過程中，周邊土體深層水平位移累計的最大位移。由圖可見，土體深層水平位移累計最大位移范圍為18.35 mm～30.73 mm，其中最大值30.73 mm(小于設計預警值45 mm)，滿足規范要求。圖6為累計位移最大值所在測點的土體深層位移監測結果。可見土體開挖完成后，該測點變形速率逐漸減小并趨于穩定。由此可見，采用支護對本工程土體變形進行約束。具有良好的可靠度。

此外，基坑坡頂累計水平位移和沉降位移分別為12.51 mm～29.40 mm和28.61 mm～29.99 mm，小于設計預警值30 mm。雖然基坑坡頂累計水平位移和沉降位移逼近設計值，但是土體開挖完成后，變形速率逐漸減小并趨于穩定，支護結構處于安全使用狀態。基坑坡頂變形實測與有限元計算結果誤差為5.2%，實測大于有限元結果的原因，主要是基坑開挖過程中，坑邊可能存在堆載情況，這也是基坑坡頂變形逼近設計值的重要因素之一。

基坑開挖及地下室開挖期間，對場地東側2座小區住宅樓及西北側售樓部進行了沉降監測。結果表明，各建筑累計沉降小，在規范允許范圍內。同時，同一建筑物不同沉降監測點所得結果基本相等，差值不超過15.5%。說明基坑開挖過程中，周邊建筑整體均勻沉降，不存在傾覆倒塌的風險。

圖5 土體深層位移監測結果

圖6 最大位移測點土體深層位移監測結果

5 結論

(1)基于本工程特殊工程地質和施工環境，以及業主對施工工期和施工進度的特殊要求，提出并設計適合復雜環境軟土基坑開挖的支護方法，既能優化施工工序、縮短工期，又能保證基坑開挖安全，可為后續其它同類型基坑工程提供借鑒和參考。

(2)有限元分析結果與實測結果較為接近，說明采用本文所建立有限元模型進行基坑開挖過程模擬的可行性。

(3)通過有限元和現場監測結果表明，驗證了所提出的復雜環境軟土基坑開挖的支護方法，能夠有效控制基坑開挖過程中土體的變形，同時支護體系中的圍護樁、圈梁和環梁等的受力性能滿足規范要求，具有較好的適用性。