土巖組合地層異形深基坑支護體系優化研究

吉艷雷

（陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室（中鐵一院），陜西西安 710043）

0 引言

隨著城市的開發建設，基坑工程規模不斷變大，周邊環境也日益復雜，對支護結構自身安全及周邊環境的保護要求越來越高[1]?；又ёo的費用在地下空間開發費用的占比較大，基坑支護的經濟性、施工便捷性同樣十分重要，因此基坑支護的優化一直是學者研究的熱點。

馮陣圖等[2]針對砂卵石地層基于限定位移和安全系數對支護嵌入比作了優化分析；陳 江等[3]對軟土地區基坑內支撐水平、豎向間距的調整進行了優化分析；陳金銘等[4]對液壓伺服鋼支撐與普通鋼支撐的支撐效果進行了監測及數值模擬對比分析；豐土根等[5]研究了懸掛式基坑連續墻的厚度、埋深對受力的影響，尋求合理值優化施工方案；朱 純等[6]通過數值模擬分析既有建筑兩側非對稱基坑開挖順序對建筑結構的影響；賀振昭等[7]針對不同支撐數量對基坑系統支護結構的剛度和變形影響進行了數值模擬和監測驗證；楊歡歡等[8]針對富砂地層圍護結構對地表沉降影響因素進行分析，提出合理支護樁插入比和間距；陶 勇等[9]針對深度、面積差別較大的兩相鄰基坑進行開挖數值模擬研究，提出合理開挖順序；李文廣[10]采用數值模擬對某地鐵基坑圍護樁間距、直徑、配筋進行了優化驗證。

土巖組合基坑地層上軟下硬，上部土層地下水豐富，下部巖石開挖困難，關于其支護體系變形特性的研究尚不成熟。宮志群等[11]采用數值模擬探究不同剛度放大系數和施工順序下土巖二元地層基坑變形的空間效應；白曉宇等[12]通過有限元模擬和現場監測相結合的方法探討土巖組合深基坑中圍護樁、鋼支撐與錨索組合支護體系的協同作用及基坑變形規律；雷 剛等[13]對土巖組合地層明挖基坑樁撐體系位置、間距進行優化分析；張楠[14]結合兩個車站基坑監測數據對土巖組合基坑側向變形特性規律進行了分析；李克先等[15]采用監測+數值分析研究了青島地鐵某上軟下硬地層規則基坑開挖土體受力及變形分布規律和樁撐體系變形規律。

目前研究多集中在基坑支護體系布置和開挖工法的優化，或者土巖組合地層規則基坑的支護受力分析，針對敏感環境下土巖組合不等深基坑的支護型式及力學特性研究不多。為此，本文針對某土巖組合地層深大異形基坑工程面臨的實際難題，對支護體系提出優化方案，并通過三維數值分析和現場監測驗證了方案的可行性，節約了工期和投資。研究成果可為類似工程提供參考。

1 工程概況

某明挖隧道位于佛山市順德區，隧道基坑長3620 m，基坑最大寬度36.1 m，基坑大面深度約17.1 m，局部深度約27.9 m。隧道基坑周邊環境復雜，兩側分布有3～5 層舊民房、河涌、魚塘及管線等。工程總平面布置見圖1。

圖1 工程總平面圖

場地地層自地表向下依次為雜填土①2層，平均厚度3.9 m；細砂③1層，平均厚度5.8 m；粗砂③4層，平均厚度5.6 m；強風化泥質砂巖⑦2層，平均層厚2.95 m；下部為弱風化泥質砂巖⑦3層。場地地下水位平均埋深約為1.9 m。

2 異形基坑支護方案優化

2.1 原設計方案

本文選取一段異形基坑進行支護體系研究，本段基坑長度約150 m，基坑寬度36.1 m，大面深度約17.1 m，局部深度約27.9 m?；娱_挖范圍存在深厚砂層，地下水位較高且水量豐富，基坑周邊有大量民房和地下管線等。綜合考慮，基坑側壁安全等級為一級。

基坑支護整體上采用1000 mm 厚連續墻+4 道鋼筋混凝土內支撐，坑中坑內側豎向支護結構采用?1000@1200 mm 支護樁，深坑段加設2 道鋼管支撐，地下連續墻底嵌入坑底以下砂巖不少于0.2H（H為基坑深度）?；炷林谓孛娉叽鐬?00 mm×800 mm，水平間距6.0 m，沿基坑走向設兩排臨時鋼立柱；鋼管支撐均采用?609×16 mm 鋼管，水平間距3.0 m?；又ёo剖面見圖2。

圖2 原方案基坑A-A 剖面圖（單位：mm）

由于隧道明挖段地面征地拆遷滯后，導致工期緊張，同時基于以下原因需對原支護體系進行優化。

（1）坑中坑內側豎向支護鉆孔灌注樁成孔速度慢，上部存在大量空鉆，成樁質量難以控制，工期長且施工成本高；

（2）上部大基坑全部采用混凝土支撐，養護時間長，影響下部基坑開挖，且后期拆除不方便；

（3）補充勘察顯示基坑深坑段地層以弱風化泥質砂巖為主，地質條件較好。

2.2 基坑優化方案

本段基坑下部弱風化巖層呈中厚層狀分布，飽和單軸抗壓強度標準值約10 MPa，綜合考慮，擬對本段基坑采取以下優化措施：

（1）減小地下連續墻嵌巖深度。

（2）將第3、4 道砼支撐調整為?609×16 mm 鋼管支撐，鋼管支撐間距為3 m。

（3）取消坑中坑內側支護樁，側壁改用錨噴支護，深坑段設一道?609×16 mm 鋼支撐及一道鋼倒換撐。錨噴支護采用22a 工字鋼架+單層鋼筋網+280 mm厚C25 噴射砼，鋼架縱向間距1 m，設?22 mm 縱向連接筋，錨桿直徑22 mm，長度3.5 m，間距1.5 m×1.5 m。

（4）錨噴支護段如遇有滲水，采取鋼花管靜壓注漿止水。

優化后基坑支護剖面見圖3。

圖3 優化后基坑A-A 剖面圖(單位：mm)

3 三維有限元模擬分析

3.1 模型建立及參數選取

為獲得基坑的力學特性，分析基坑開挖對既有建筑的安全影響，驗證優化方案的可行性，采用Midas GTS NX 有限元軟件對基坑開挖過程進行數值模擬。土體采用修正莫爾-庫侖本構模型，基坑冠（腰）梁、混凝土支撐、建筑物梁柱、中立柱均采用梁單元模擬，鋼支撐、錨桿采用桁架單元模擬，連續墻采用板單元模擬，支護樁采用等效厚度板單元模擬[3，11]，型鋼噴混采用等效抗彎剛度板單元模擬?；映d按20 kPa 考慮。

有限元模型如圖4 所示，物理力學參數見表1。

表1 主要物理力學參數

圖4 計算模型

3.2 計算工況

模擬實際施工順序，分層進行土石方開挖、支撐架設。主要施工工況見表2。

表2 主要施工工況

3.3 計算結果分析

（1）連續墻變形

地下連續墻體的水平位移分布及最大值能夠直觀反映基坑安全性，圖5 為開挖至坑底時連續墻水平位移隨埋深的變化曲線。由于異形基坑開挖的不對稱性，圍護結構的位移并不呈現對稱性，基坑左側（深坑側）開挖后墻體水平變形最大值發生在第四道支撐附近，最大值4.2 mm，連續墻身最大水平位移發生在土巖分界面上約5 m 處，最大值為淺基坑深度的0.025%；基坑右側（淺坑側）連續墻最大位移2.5 mm，發生在第二道支撐附近。優化方案因采用加密的鋼支撐使得上部大基坑段淺基坑側的墻身位移有所減少，下部小基坑段采用噴錨+支撐圍護后對圍護墻約束變弱，下部墻身變形有所增加，但整體值較小，小于報警值20 mm，表明基坑下部巖層對基坑變形的約束明顯。

圖5 左右側連續墻身變形隨深度變化曲線

（2）地表沉降

基坑開挖至底部時坑外地表沉降槽分布曲線見圖6。由圖6 可知，優化前后地表沉降曲線形態變化不大，地表沉降最大值約16 mm，最大值發生在基坑右側（淺坑側），最大值距離基坑邊約3 m，左側沉降主要影響范圍為基坑外側約30 m，右側基坑沉降影響范圍為基坑外側26 m，沉降值均小于報警值30 mm。說明巖層段基坑支護的調整對地表軟土層的沉降分布影響不大。

圖6 坑外地表沉降曲線

（3）支撐軸力優化前后兩方案的支撐軸力見表3。由表3 可知，各支撐在開挖過程中的最大軸力均未超過其控制值的80%，支撐軸力均在安全范圍內。

表3 支撐軸力

（4）周邊建筑物變形

優化前后兩方案基坑施工至坑底時引起的周邊建筑物沉降見圖7，優化后方案建筑的沉降有所增加，但總體量值較小，最大沉降值2.5 mm，小于30 mm，同時不均勻沉降小于允許值4 mm。

圖7 周邊建筑物豎向沉降

（5）坑底隆起

經計算，原方案坑底隆起最大值為2.9 mm，發生在大基坑底部中部位置，大基坑底隆起主要影響深度約9 m，小基坑底隆起主要影響范圍約2.4 m；優化方案坑底隆起最大值為4.6 mm，發生在靠近小基坑頂，坑底隆起主要影響范圍約17 m，小基坑底隆起主要影響范圍約4.8 m，影響區呈現連通態勢，隆起值均小于控制值30 mm，主要影響區外的隆起值均小于1 mm。

坑外沉降沿深度呈漏斗狀，下部小基坑位于巖層地段，沉降槽寬度明顯衰減。原方案因坑中坑基坑右側設置了圍護樁對坑底隆起有一定隔斷緩解作用，限制了大小基坑隆起的連通。

（6）錨桿軸力

優化方案下部小基坑噴錨支護側錨桿軸力計算值為48.4～50.2 kN，小于控制值100 kN，錨桿對控制基坑水平位移起到了積極作用。

（7）冠梁頂部水平位移

優化前后冠梁側向變形曲線形態變化不大，基坑兩側冠梁水平位移不對稱，最大水平位移值為4 mm，發生在基坑右側（淺坑側），小于控制值15 mm。冠 梁側向水平位移隨開挖工況變化曲線見圖8。

圖8 冠梁水平位移曲線

4 現場施工效果

4.1 現場監測

基坑按優化后的設計方案實施，2016 年10 月基坑開始開挖，2017 年4 月施工至坑底，監測數據顯示各項監測指標均小于控制值，滿足設計要求?；拥乇沓两涤^測曲線如圖9 所示，該段基坑周邊地表沉降最大值發生在基坑右邊，最大沉降量12 mm，基坑左側最大沉降量7.8 mm，與數值模擬量值基本一致。

圖9 基坑邊地表最大沉降觀測曲線

該段基坑支撐軸力測點的觀測數據見圖10。由圖10 可知，第一道混凝土支撐的最大軸力為610 kN，小于軸力控制值1160.8 kN；第二道混凝土支撐的最大軸力為2504 kN，小于軸力控制值4729.1 kN；第三道鋼支撐的最大軸力為420 kN，小于控制值2156.8 kN；第四道鋼支撐最大軸力為594 kN，小于控制值2019.2 kN。與數值模擬相比，第二道混凝土支撐軸力差異略大，其余軸力觀測值與計算值接近。

圖10 支撐軸力觀測曲線

該段基坑冠梁頂水平位移監測最大值6 mm，位于淺基坑一側，鄰近建筑物最大沉降觀測值5.9 mm，與數值模擬結果量值基本一致，均在控制值范圍內。

4.2 經濟性及實施效果

經測算，本段基坑優化方案共節約工程造價約770 萬元，經濟效果顯著。同時，優化方案取消了坑中坑內側支護樁，下部基坑施工作業空間加大，便于土石方外運，節約工期約3 個月，工期效益明顯。連續墻+噴錨+內撐體系起到了良好的擋土止水效果?；娱_挖實施效果見圖11。

圖11 現場實施效果圖

5 結論

（1）土巖組合地層基坑，下部巖層對圍護結構側向變形和坑外地表沉降槽影響范圍的約束作用明顯。

（2）土巖組合地層不等深異形基坑整體變形不對稱，地表最大沉降和冠梁最大水平位移發生在淺基坑側。連續墻最大水平位移發生在土巖分界面以上一定高度。

（3）工程實踐與基坑監測表明，本基坑支護體系優化方案合理，節約了工期和造價，可為類似基坑工程提供參考。