大型深基坑逆作法施工對圍護樁的影響研究

鄧小仕

（四川公路橋梁建設集團有限公司勘察設計分公司，四川 成都610041）

0 引 言

目前，深基坑工程還處于在實踐中摸索的階段。在工程實踐中主要用理論導向，經驗判斷，現場監控三者結合的方法來指導深基坑的設計和施工，尚缺乏成熟的規范技術。在深基坑的設計施工中，圍護樁與土體間由于側摩阻力相互作用，如果不注意土體應力釋放引起的圍護結構變形，則會對基坑的施工和設計安全造成不利影響，同時給基坑工程實際的監控測量點的確定帶來影響。采用有限元數值模擬和分析，得出基坑開挖過程中圍護樁的變形受力規律，以及圍護樁受力最薄弱的部位等，對促進深基坑的設計與施工有著積極的意義。

本文以重慶軌道交通6 號線江北城車站43 m深基坑為依托工程展開研究，對該基坑采用逆作法施工的過程進行三維有限元數值模擬分析，得出不同開挖步序下圍護樁的受力變形規律，并跟工程實際數據進行對比分析，為類似工程施工提供參考依據。

1 工程概況

重慶市軌道交通六號線一期工程江北城站設計為六號線與九號線的地下換乘站。基坑深約43 m，下部巖質邊坡及暗洞仰坡采用錨桿加噴混凝土支護，上部土層采用樁板擋墻支護。基坑開挖采用逆作法，自上而下，隨挖隨支。圍護樁設計參數為東側為圓樁，其他三側為方樁。

地層由上而下依次可分為第四系全新統填土層、殘坡積層和侏羅系中統沙溪廟組沉積巖層。各層巖土分別為素填土、粉質粘土、砂質泥巖、砂巖。基坑所處地層大部分為砂巖地層。

2 數值模型及開挖工序

2.1 參數及模型選取

本模型計算邊界條件確定：基坑的尺寸為42 m×66 m，水平邊界一般取基坑尺寸的3～5 倍，取142 m×166 m，基坑的開挖深度為43 m，上下邊界一般取開挖深度的3～5 倍，下邊界取120 m。水平邊界取水平約束，下邊界取豎直約束，上邊界為自由邊界。有限元模型單元數159 926，節點數169 187。有限元模型見圖1。

圖1 有限元模型圖

計算中，土體采用實體單元，樁采用梁單元，錨索采用桿單元。錨索預應力的施加采用降溫法實現。

2.2 開挖步驟

根據深基坑工程具體特點以及場地的具體情況，開挖原則根據每層錨索高度進行分層高度開挖，回填土層每層開挖高度不大于1 m，巖質邊坡待該層邊坡支護完成后再進行下一層土石方開挖。車站基坑逆作法施工程序：施工支護排樁，基坑頂部第一層開挖支護（開挖土體，樁間土層錨噴C25 混凝土，鉆孔施工第一層預應力支護錨索），依次往下分8 層開挖支護。開挖至第一道錨索標高為第一步，施作第一道錨索為第二步，依次，直到施作第八道錨索為第十六步，因此模型計算共考慮16 步。

3 圍護樁應力位移分布情況分析

基坑的開挖過程中的主要變形為圍護結構的位移，基底隆起和地表沉降。

基坑逐步向下開挖時，土體應力釋放，基坑周圍土體的初始應力發生改變使地層產生位移。圍護樁內側土體的開挖導致的荷載不平衡使圍護樁發生位移和變形，圍護樁的變形又引起地層移動，地表沉降，使基坑外側的塑性區增大，因而使基坑外圍土體向基坑內側擠壓致使基坑底部隆起。圍護樁外側受主動土壓力，內側部分受被動土壓力。

取基坑開挖第一步和施作預應力錨索第一步進行分析，研究開挖支護后圍護樁的位移應力分布情況。

3.1 開挖第一步

（1）樁位移分析

從圖2、圖3 中可以看出開挖第一步后樁南北側的最大水平位移為13.5 mm，發生在基坑北側短樁的樁頂，方向為向基坑外側方向。樁東西側的最大水平位移為13.7 mm，發生在基坑東側的圓樁。

圖2 圍護樁南北方向的位移云圖

圖3 圍護樁東西方向的位移云圖

由此可見，基坑開挖的過程中，圍護結構的最大位移一般發生在基坑長邊的跨中部位，短邊位移相小于長邊位移。

（2）樁應力分析

從圖4、圖5 中可以看出開挖第一步后樁的最大第一主應力為7.01 MPa, 發生在基坑北側的短樁中上部。最小第三主應力為-10.7 MPa，發生在東側圓樁下部。

圖4 圍護樁第一主應力圖

圖5 圍護樁第三主應力圖

3.2 支護第八步

位移分析：

從圖6、圖7 看出，深基坑開挖至底部后，支護樁最大水平位移增大到15.7 mm，滿足規范要求，不影響結構穩定性。支護樁的最大位移向下發展，發生在樁深度29 m 左右，約為基坑開挖深度的2/3 處，圓樁嵌固在泥巖中的樁底的水平位移很小，可以忽略。樁所受應力增大，最大應力滿足結構受力要求。

圖6 圍護樁南北方向的位移云圖

圖7 圍護樁東西方向的位移云圖

3.3 不同開挖步序對樁的受力影響分析

3.3.1 單樁的水平位移

圍護結構水平位移是判斷基坑穩定的重要依據。由于基坑的開挖，基坑外圍的主動土壓力使圍護樁向基坑內側移動。土體開挖尚未施作預應力錨索，圍護樁上部類似于懸臂狀態，土體應力急速釋放，樁頂變位明顯增加。圍護樁水平位移規律很明顯，隨著基坑的開挖有明顯變化。為說明單樁的水平位移變化情況，現取基坑東側圓樁中部的一個樁，在上面定義一路徑，圖8 給出該路徑上第一、三、五、八步開挖時水平位移曲線。

圖8 不同步序下單樁水平位移

基坑開挖過程是土體應力釋放的過程。當開挖第一步時，挖深較淺，還未施加預應力錨索，此時圍護樁樁頂位移最大，向著基坑內側變位，當施加預應力錨索后其樁頂位移有緩解趨勢向基坑外側移動。隨著開挖深度的增加，基底土體隆起，圍護樁向內側的變位逐漸恢復，有向外移動的趨勢，樁腹部向基坑內側突起。

3.3.2 基底隆起量

在基坑向下豎直開挖時，破壞了土體的初始應力，由于土體的自重應力的解除，基坑周邊土體向坑內擠壓，基底土體水平應力增加，使圍護樁產生水平位移。卸載后土體為了保持荷載的平衡產生回彈，致使基底土體向上隆起，隆起量分布為中間最大向兩側逐漸減小。整個圍護結構周圍出現一定的塑性區，并出現一定的地表沉降。隨著開挖深度的增加，隆起量和基坑周圍地表沉降呈現逐漸增大趨勢。由于開挖后對基底采取及時灌漿處理，隆起量在合理范圍內。如圖9 所示，取基底中部三個典型測點進行隆起量分析。

圖9 不同步序下基底隆起量

3.3.3 樁的應力

由圖10 中看出，圍護樁受力的最大工序在基坑第八層土的開挖，圍護樁受的最大主壓應力值為15.7 MPa。最大主拉應力值為8.26 MPa。均滿足規范要求。隨著開挖深度的增加，圍護樁的最大拉壓應力都呈現增大趨勢，及時的施作預應力錨索可以使這種增大趨勢減緩。

圖10 不同步序下一、三主應力

3.4 數值結果與現場數據對比分析

數值分析僅是理論上的一種計算，取到完全符合實際的地層參數存在較大困難，不可能考慮很多其它施工影響因素。該工程有大量的監控量測的科研監測數據，在這里，選取圍護樁樁頂幾個監控點的水平位移值與實測數據進行對比。圖11 給出基坑西側中部一樁頂水平位移的監控實測值與數值計算模擬值。

圖11 單樁水平位移實測值與計算值對比圖

圖12 為基坑底部一點豎向位移的監控實測值與數值計算模擬值的對比。

圖12 基坑底部豎向位移模擬計算值與監測值對比圖

從圖11 可以看出第一次開挖樁頂水平位移最大，隨著開挖深度的增加，樁頂向內側的變位逐漸恢復。每一次支護后水平位移有所減小。單樁水平位移實測值與計算值變化規律基本一致，但計算值大于實測值，主要原因為:深基坑的三維空間效應的存在使實測值小于計算值；實際施工中圍護樁樁頂施作了頂梁，而數值模型中沒有考慮頂梁；開挖過程中地下水位的變化。從圖12 可以看出基坑底部豎向位移兩者較為接近，且變化趨勢相同，隨著開挖深度的增加，底部豎向位移呈現逐漸增大趨勢，由于合理支護位移在合理范圍內。因此本文所建立模型能夠反映真實情況。

4 結 論

本文通過對江北城車站43 m 深基坑的數值模擬計算，將計算數據與監控量測數據進行了對比分析，可以總結出以下結論：

（1）基坑開挖時，圍護樁的變形是導致周圍地層移動的主要原因，施工時重點監控圍護樁的樁頂水平位移。第一步是土體應力變化最劇烈的一步，因此必須控制好第一步開挖對圍護樁的變形影響或及時采取支護措施；

（2）對于超深基坑，基坑的水平方向的三維空間效應顯著。越靠近基坑坑壁邊界，空間效果越明顯，越靠近基坑跨中中部范圍，空間效果越弱。表現為跨中水平位移明顯大于坑壁邊界的水平位移；

（3）模擬計算值與實測數據都表明在圍護樁上及時施加預應力錨索，能夠有效的遏制基坑變形的進一步發展。若基坑開挖迅速形成大面積臨空面，地層應力重分布使結構劣化，需要合理的施工工序和正確的支護結構才可很好控制變形；

（4）將采用ANSYS 有限元分析軟件計算的單樁水平位移值與實際監測值進行對比，兩者較為接近，且變化趨勢相同，反映了本文所確立的有限元分析思路以及數值模型方法的準確性。