鄰近公路深基坑圍護結構設計與應用分析

鄧盛雙 （中交一公局第一工程有限公司，北京 102205）

1 引言

隨著交通基礎設施的逐步完善，新建工程與既有工程會出現交叉。新建深基坑施工會改變原有地層應力及變形，對于在既有線路、建筑物等附近施工的基坑工程影響尤為嚴重。既有公路常會受到周邊環境影響，基坑開挖會導致既有公路橫向及沉降變形，若施工方法或保護措施不當，將導致既有線路變形，造成財產損失及安全隱患。

隨著大量特殊基坑工程的出現，對基坑支護體系及復雜環境條件影響的研究越來越多。孔茜等[1]通過數值模擬及監測數據研究發現鋼支撐滯后施工將導致冠梁彎矩大大增加，且開挖交界處各監測指標最大。周政等[2]通過數值分析手段研究得到鄰域超大附加荷載對基坑支護結構的變形形態的空間效應影響成正相關，鄰域超大荷載會削弱基坑坑角效應，影響范圍成倍增加。劉暢等[3]從受力角度對斜直交替支護樁體系進行理論和實測分析，得出斜樁傾斜20°較為合理，一斜一直布置形式占用較小空間并取得良好變形控制效果。李廣等[4]針對緊鄰建筑物狹小空間基坑進行逆作法拉森鋼板樁墻支護體系設計，主體結構水平板提高整體剛度，水平抗力大，保證了支護效果。

對于某鄰近公路環境條件的深基坑圍護結構進行數值計算及有限元分析，確保結構體系滿足要求，并通過監測結果進行分析驗證，保證鄰近公路運營不受影響。

2 工程概況

某鄰近公路基坑尺寸為14.9m×10m，基坑需求設計深度取值7.85m。設計選用IV型拉森鋼板樁，同時考慮鋼板樁頂超出地面長度0.5m以及鋼板樁嵌入土體深度6.65m，總長取為15m。基坑分三次開挖，設計2道內支撐，第一道圍檁采用單拼400×400×13×21H型鋼，第二道圍檁采用雙拼400×400×13×21H型鋼，第一道內支撐采用400×400×13×21H型鋼，第二道內支撐采用609×16mm鋼支撐。設置內支撐的水平間距為4m，第一道內支撐距地面1m，第二道內支撐距地面4m。

3 基坑設計分析

3.1 結構計算

內力計算方法采用增量法，支護結構重要性系數γ0取1.00，剛度折減系數K取0.85[5]。土層數劃分為5層，內外側降水最終深度為22.9m，內力計算時主動計算坑外土壓力，彈性法計算采用m法。鋼板樁基坑支護體系進行穩定計算時把內支撐考慮在內，確定地層信息時考慮孔隙水壓力。進行抗傾覆穩定計算時分別考慮對基坑支護底面計算彎矩，以及最底層支撐位置。

位移及內力計算結果如圖1所示，豎坐標為基坑深度（m），橫坐標正向為基坑內側，負向為基坑外側，根據經典法（紅色線所示）計算結果最大彎矩包括基坑內側和外側，分別為104.39kN.m和179.44kN.m，基坑支護結構受到最大的剪力為102.76kN；彈性法（藍色線所示）計算結果：最大彎矩包括基坑內側和外側，分別為 151.44kN.m 和 100.95kN.m，支護結構受到最大的剪力為133.99kN，最大位移為15.12mm。

圖1 內力位移隨開挖深度包絡圖

對于地表沉降，采用三種方法進行理論計算，計算結果如圖2所示，其中拋物線法計算結果最大，其地表沉降最大值為28mm；指數法計算結果最小，其地表沉降計算結果為15mm；三角形法計算結果略大于指數法，其地表沉降計算結果為19mm。

圖2 地表沉降圖

彎矩及剪力折減系數取1，荷載分項系數取1.25，選擇彈性法計算，則內力取值如下表所示。

內力取值表

根據荷載分項系數確定內力計算值，分別計算基坑內側方向以及基坑外側方向的抗彎性能(此處忽略軸力)，則有σ內=Mn/Wx=189.302/(2270.000×10-6)=83.393(MPa)

基坑圍護結構整體的穩定性驗算在運用有效應力法條件下采用瑞典條分法，條分法用到的土條寬度取0.50m。通過計算基坑模型滑裂面的相關數據得到圍護結構整體的穩定性安全系數Ks=1.37>1.30，滿足規范要求。

根據支護類型、材料抗力及錨固力，計算對基坑支護結構底面彎矩的抵抗傾覆的穩定性進行，通過被動土壓力以及支點力對圍護樁底部的抵抗傾覆的彎矩與主動土壓力對圍護樁底部的傾覆彎矩的比值，算得開挖支護過程中最小安全系數發生在第一次完成且支護前，為4.21，大于1.2，滿足要求。

根據基坑被動土壓區抵抗傾覆作用力的彎矩總和與主動土壓區抵抗傾覆作用力的彎矩總和的比值，計算最底面一層支撐的即踢腳破壞的抵抗傾覆的穩定性，算得開挖支護過程中最小安全系數發生在開挖完成后，為2.02，大于1.2，滿足要求。

支護底部及深度15.7m處，抗隆起系數分別為5.266和2.733，大于1.6，滿足要求。根據作用在鋼板樁入土段長度的基坑內側的土壓力均遠小于被動土壓區合力，入土段長度基坑內側土壓力驗算滿足要求。

3.2 內支撐計算

利用Midas Civil2020有限元分析軟件建立模型，對圍檁支撐受力及變形進行計算。

第一道鋼支撐間距4m，取最大支撐軸力為 166.01×1.25=207.5kN，轉化為圍檁線荷載為51.9kN/m，有限元分析如圖3所示。由計算可知，基坑圍檁及內支撐最大位移為1.3mm＜L/400=10mm，符合要求；基坑圍檁及內支撐最大應力為 33.9Mpa＜215Mpa，滿足要求。

圖3 第一道支撐計算云圖

第二道支撐圍檁為雙拼400H型鋼，支撐為φ609×16鋼支撐，間距4m，取最大支撐軸力為767.85×1.25=959.8kN，轉化為圍檁上的線荷載為239.95kN/m。有限元分析如圖4所示。由計算可知，基坑圍檁及內支撐最大位移為 3.2mm＜L/400=10mm，符合要求；基坑圍檁及內支撐最大應力為81.5Mpa＜215Mpa，滿足要求。

圖4 第二道支撐計算云圖

3.3 牛腿計算

利用Midas Civil2020有限元分析軟件建立模型，計算牛腿變形及應力情況，計算結果如圖5和圖6所示。采用21mm厚鋼板切割成的四邊形做為鋼牛腿，尺寸為550mm×250mm×150mm，焊接固定在鋼板樁上。按照實際牛腿位置分別計算各牛腿受力，得出第一道支撐牛腿最大支反力為13.6kN，牛腿最大應力為10.5Mpa＜215Mpa，滿足要求；牛腿最大變形為0.05mm，滿足要求。第二道支撐牛腿最大支反力為21.6kN，牛腿最大應力為 16.7Mpa＜215Mpa，滿足要求；牛腿最大變形為0.09mm，滿足要求。

圖5 第一道支撐牛腿計算云圖

圖6 第二道支撐牛腿計算云圖

4 基坑監測結果分析

根據相關技術規范的要求，并結合本基坑工程的支護形式及周邊環境的特點，對本工程進行鋼板樁圍護結構的深層樁體水平方向位移、基坑周邊地表的沉降變化、鋼板樁樁頂的水平及豎向位移、支撐軸力等現場監測[6]。重點對鋼板樁圍護結構的深層樁體水平方向位移及周邊地表的沉降變化進行數據分析。

4.1 圍護結構深層水平位移監測

由于基坑北側鄰近既有公路，因此選取基坑東部測點為研究對象，東側共布置5根測斜管，本文選取樁身位移累計最大值C2測斜管進行分析，并繪制支護樁深層水平位移曲線如圖7所示（圖中“+”表示坑外，“-”表示坑內）。

圖7 圍護樁深層水平位移曲線

由圍護樁深層水平位移曲線可以得到：①基坑開挖土方后，坑內土體抗力減小，基坑外側土體有向坑內運動趨勢；②圍護樁深層水平位移累積最大值為-2.8mm，發生在鄰近公路一側C2測斜管位置；③基坑開挖施工對圍護結構深層水平位移影響不大，所有監測點累積變化均在允許范圍內，數據穩定，整體符合樁中部向坑內變形規律。個別點突變除考慮人為誤差外，更多是由于現場坑邊堆載變化導致，部分點、部分時間段因遮擋測值出現間斷，但整體規律一致。

4.2 地表沉降監測

選取基坑東部一排地表沉降點進行分析，監測點分別距離基坑東側5m、10m、15m、20m和25m，監測數據變化曲線如圖8所示（圖中“+”表示上升，“-”表示下沉）。

圖8 地表沉降累計變化趨勢圖

從周邊各地表沉降監測點垂直位移累積變化曲線圖可以得到：①監測點DB1-1的累積變化最大，累積變化值為-6.5mm；②監測點 DB1-5、DB1-6的沉降變化很小，說明基坑土方開挖對土體的影響范圍主要在兩倍基坑深度范圍內；③通過地表沉降監測發現，所有監測點累積變化均在允許范圍內，曲線整體變化平緩穩定，個別點突變是由于現場坑邊堆載變化及天氣原因導致，但整體規律一致。

5 結論

采用Midas Civil等有限元分析軟件對某鄰近公路深基坑支護工程進行結構計算、內支撐計算及牛腿計算，并通過監測進行數據分析，得出如下結論。

①地表沉降數值模擬計算結果較實測值偏大，說明理論計算安全系數較大，實際施工中可結合地質情況進行優化。

②圍護結構深層水平位移規律整體符合基坑中部向內側變形趨勢，基坑土方開挖對土體的影響范圍主要在兩倍基坑深度范圍內。

③基坑變形對基坑周邊堆載敏感，施工中應盡量避免大型機械設備、材料等停放于基坑周邊。