大面積深基坑支護結(jié)構(gòu)選型與開挖模擬

蔡興平， 邵永健

（蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011）

21 世紀(jì)被稱為地下空間的世紀(jì)，近20 多年來，我國地下空間的開發(fā)利用進入了全新的發(fā)展時期，地下空間的利用越來越普遍，有效緩解了城市土地資源緊缺的問題。 但隨著地下空間的開發(fā)利用，城市地下環(huán)境變得愈發(fā)復(fù)雜，軌道交通、地下管線等設(shè)施、建筑的存在使得新建基坑工程的支護難度大大提升。

基坑支護結(jié)構(gòu)不同于建筑上部結(jié)構(gòu)，地基土的物理性質(zhì)、地下水及周邊環(huán)境等因素都將對支護結(jié)構(gòu)的選型產(chǎn)生直接影響，因此基坑工程具有很強的地域性，很難去規(guī)定一些全國統(tǒng)一的具體做法，往往設(shè)計師的經(jīng)驗對于方案的選擇有較大的影響。 合理選擇支護方式不僅能夠保證基坑的安全穩(wěn)定和保證周圍建筑、管線不受影響，還能有效節(jié)約工期和投資，具有重要的實際意義。

近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者對基坑支護結(jié)構(gòu)的選型進行了研究[1]，通過分析研究地質(zhì)情況和基坑圍護結(jié)構(gòu)的破壞，提出相應(yīng)的控制變形方法；王增超、朱愛軍從基坑支護的重要性出發(fā)，將基坑支護結(jié)構(gòu)分為四大類，并分別闡述了各類支護結(jié)構(gòu)的優(yōu)點和適用性，結(jié)合基坑工程事故誘因，點明設(shè)計和施工中存在的問題[2]；來劉陽針對黃土地區(qū)的基坑支護方案優(yōu)選，選定了多個指標(biāo)，構(gòu)建基坑支護結(jié)構(gòu)綜合評價體系，從而對基坑支護方案進行優(yōu)選[3]；張旭群等運用三維數(shù)值模擬的方法對鄰近隧道的基坑進行仿真開挖模擬，分析了基坑開挖后的變形情況，以此評估基坑開挖過程對鄰近隧道的影響[4-6]；王海波等研究了基于層次分析法決策理論的深基坑支護結(jié)構(gòu)選型，使深基坑支護結(jié)構(gòu)選型過程更科學(xué)合理、經(jīng)濟可行[7-9]；何淵、廖英通過MATLAB 研究了模糊可靠度指標(biāo)的計算方法，運用ABAQUS 建立土釘支護結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，研究了土釘?shù)呐挪紝τ谥ёo效果的影響[10]。

基于現(xiàn)有研究成果，本文以實際工程為依托，針對大面積深基坑的支護結(jié)構(gòu)選型展開研究，通過有限元分析軟件來模擬基坑開挖過程，分析基坑開挖時圍護結(jié)構(gòu)與周圍土體的變形情況，以期對類似基坑工程的支護結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工提供參考。

圖1 基坑平面圖

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

新建項目位于蘇州工業(yè)園區(qū)， 基坑規(guī)模較大且整體形狀不規(guī)則，基坑平面如圖1 所示。 項目設(shè)有兩層地下室，基坑開挖面積約為2.46 萬m2， 周長約670 m， 大面積開挖深度為10.55 m。 本場地96.3 m 以淺各土層（填土除外）由第四系晚更新世以來的沖湖積相沉積物組成，土層分布較穩(wěn)定，呈水平成層的特點。 基坑支護的設(shè)計使用年限為二年，根據(jù)基坑開挖深度、周邊環(huán)境條件等，確定基坑側(cè)壁安全等級為一級。

1.2 基坑主要特點與難點

基坑周邊環(huán)境條件較復(fù)雜?；?xùn)|側(cè)、北側(cè)地下室外墻距用地紅線僅為5~5.2 m，紅線外的道路下設(shè)有多條地下管線；基坑南側(cè)有正在運營的軌道交通區(qū)間，其50 m 保護線已進入本基坑約6.5~11.3 m；西側(cè)地下室距離已建地鐵站約12.9 m。 基坑淺部填土層較厚，土質(zhì)松散；基坑坑底有粉土、粉砂層，該土層為承壓含水層，滲透性較強，含水量較多。

綜上所述，基坑周圍可用空間少，基坑南側(cè)鄰近軌道交通，對基坑控制變形要求較高，在進行基坑支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計時需要著重考慮變形控制能力，同時需要滿足止水要求。

2 基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

根據(jù)工程周圍環(huán)境條件及止水、施工要求，基坑支護結(jié)構(gòu)形式可選用SMW（水泥土攪拌樁）工法樁、地下連續(xù)墻及鉆孔灌注樁等。

2.1 SMW 工法樁

SMW 工法樁又叫水泥土攪拌樁，20 世紀(jì)70 年代出現(xiàn)在日本， 通常使用三軸型鉆掘攪拌機垂直向下進行鉆掘，同時噴入水泥系強化劑與地基土充分拌合成樁，拌合完成后往樁中插入型鋼或鋼板，便形成了一排連續(xù)的、完整的、無縫的型鋼水泥土攪拌樁墻，能夠同時兼?zhèn)涓羲饔?，普遍適用于軟土地區(qū)。 該支護方式工藝較簡單，工期短，施工對周邊環(huán)境影響較小。 樁中的型鋼完工后可回收并回填混凝土，具有較好的經(jīng)濟性。但SMW 工法樁墻的剛度較小，變形較大[11]。

2.2 地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻分為現(xiàn)澆和預(yù)制兩大類。 現(xiàn)澆地下連續(xù)墻一般是挖一段澆筑一段，槽段形式有壁板式、T 型和п 型等，可根據(jù)需要將各種形式的槽段進行組合，形成一道連續(xù)的鋼筋混凝土墻壁。 預(yù)制地下連續(xù)墻則是預(yù)先澆筑好各墻段，在挖好槽后插入墻段并將相鄰墻段采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土接頭連接成整體即可。 地下連續(xù)墻集止水防滲、擋土和承重于一體，具有剛度大、抗?jié)B止水、整體性好，安全性好等優(yōu)點；缺點是造價較其他支護形式高，僅在深度大的基坑中才具有較好的經(jīng)濟性。 預(yù)制地下連續(xù)墻的制作與養(yǎng)護不占用工期，現(xiàn)場施工速度快，可以節(jié)省大量工期。 由于起重和吊裝的限制，墻段尺寸受限，只能用于6~7 m 的淺基坑。

2.3 鉆孔灌注樁

鉆孔灌注樁是現(xiàn)澆鋼筋混凝土樁，樁墻常見的布置形式主要有分離式排樁、雙排式排樁和咬合式排樁。分離式排樁是最常用、最簡單的形式。如對整體抗彎剛度和抗側(cè)移能力要求較高，則可以設(shè)置成前后雙排樁，并將前后排樁樁頂?shù)墓诹河脵M向連梁連接，形成雙排門架式擋土結(jié)構(gòu)。 如有隔水需要，可在單排樁、雙排樁外側(cè)設(shè)置隔水帷幕。 若因場地限制，無法同時設(shè)置排樁和隔水帷幕時，可采用咬合式排樁形式，排列方式為緩凝素混凝土樁和鋼筋混凝土樁間隔布置，素混凝土樁先行柱列式布置，相鄰樁間隔小于后行的鋼筋混凝土樁樁徑。 先行樁初凝后切割掉與后行樁重合部分并澆筑后行鋼筋混凝土樁，完成后得到的咬合式排樁本身就具備較好的隔水性能。 鉆孔灌注樁的施工工藝已然成熟，施工簡便，對周邊環(huán)境影響較小，樁體剛度可根據(jù)具體要求靈活調(diào)整，造價經(jīng)濟。

2.4 基坑支護方案的選擇

SMW 工法樁剛度較小，控制變形能力較差；雖然其經(jīng)濟性較好，但如果工期超過8 個月，則施工過程中所用型鋼的租賃費用較高，導(dǎo)致總體造價將遠超鉆孔灌注樁支護的費用。

地下連續(xù)墻雖然有整體性好、剛度大、安全可靠等優(yōu)點，但用于本基坑工程所花費的造價遠高于其他支護形式，經(jīng)濟性差。

鉆孔灌注樁整體剛度較大，控制變形能力較好，基坑開挖時對周圍環(huán)境的影響較小，施工工藝成熟。

結(jié)合實際情況，基坑對控制變形能力要求較高，并且基坑南側(cè)鄰近軌道交通，故南側(cè)的變形應(yīng)控制在更小范圍內(nèi)，更適合采用鉆孔灌注樁支護，同時鉆孔灌注樁可以與工程樁穿插施工，有利于整個工程的工期控制。 但鉆孔灌注樁外需要設(shè)置一道止水帷幕以滿足防滲止水要求。

3 檢驗基坑支護選型的合理性

3.1 構(gòu)建層次分析模型

層次分析法（AHP）最早出現(xiàn)于美國，是一種綜合決策方法，將此方法運用于深基坑支護結(jié)構(gòu)方案優(yōu)選，可以在一定程度上減少人為主觀因素影響，使方案決策更加科學(xué)合理。 本文將運用此方法，檢驗本文所研究項目中支護方案選取的合理性。

選取影響因素。 針對本次研究項目，從諸多影響因素中選取了整體穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強度、結(jié)構(gòu)剛度、防滲止水能力、材料費、施工器械費、人工費、施工噪音、建筑垃圾、對周邊建筑和地下管線的影響、施工工期和施工難易程度等12 項指標(biāo)，結(jié)合上文所述三種備選方案，構(gòu)建如圖2 所示的層次結(jié)構(gòu)模型。

3.2 層次單排序及其一致性檢驗

通過查閱文獻、專家調(diào)查相結(jié)合的方法[3，7-9]，采用1~9 標(biāo)度法對各影響因素進行成對比較從而確定各影響因素的權(quán)重。 例如：構(gòu)建如表1 所示的準(zhǔn)則層對于目標(biāo)層的判斷矩陣O-C，將矩陣中各個因素按表2 進行成對比較并填入量化值aij。

表1 判斷矩陣O-C

圖2 層次結(jié)構(gòu)模型

表2 量化值aij 的取值依據(jù)

進行一致性檢驗。 計算判斷矩陣的最大特征值λmax=4.2051，并按照公式（1）、（2）計算CI 與CR 的值。

式中，n 為判斷矩陣的階數(shù)；RI 按表3 取值。

表3 平均隨機一致性指標(biāo)RI 標(biāo)準(zhǔn)值

計算λmax所對應(yīng)的特征向量Wc=（0.532 8，0.139 2，0.055 6，0.272 4）T，將W 歸一化即為準(zhǔn)則層中的C1～C4 對于最優(yōu)方案O 的權(quán)向量。

與實例同理計算可得：

指標(biāo)層中I1～I4 對于安全性C1 的權(quán)向量Wi1=（0.447 6，0.163 6，0.282 9，0.105 9）T；

I5～I7 對于經(jīng)濟性C2 的權(quán)向量Wi2=（0.581 5，0.309 0，0.109 5）T；

I8～I10 對于施工影響C3 的權(quán)向量Wi3=（0.104 7，0.258 3，0.637）T；

I11、I12 對于技術(shù)可行性C4 的權(quán)向量Wi4=（0.25，0.75）T。

備選方案P1～P3 對于I1～I12 的權(quán)向量分別為：

Wp1=（0.121 9，0.558 4，0.319 6）T；Wp2=（0.097 4，0.569 6，0.333 1）T；Wp3=（0.071 9，0.279 0，0.649 1）T；

Wp4=（0.4，0.2，0.4）T；Wp5=（0.634 9，0.078，0.287 2）T；Wp6=（0.549 9，0.209 9，0.240 2）T；

Wp7=（0.581 5，0.109 5，0.309）T；Wp8=（0.4，0.2，0.4）T； Wp9=（0.558 4，0.121 9，0.319 6）T；

Wp10=（0.218 4，0.151 5，0.630 1）T；Wp11=（0.558 4，0.121 9，0.319 6）T；Wp12=（0.539 6，0.296 9，0.163 4）T。

上述計算所用的判斷矩陣按公式（1）、（2）計算CR 值，結(jié)果均小于0.1，表示通過一致性檢驗。

3.3 層次總排序及其一致性檢驗

最終一致性檢驗是檢驗決策模型整體一致性的措施。 指標(biāo)層中12 個指標(biāo)中I1～I12，其對于目標(biāo)O 的權(quán)重i1~i12分別為：

0.238 5、0.087 2、0.150 7、0.056 4、0.081、0.043、0.015 2、0.005 8、0.014 4、0.035 4、0.068 1、0.204 3。

I1～I12 的層次單排序一致性指標(biāo)CI1～CI12 分別為：

0.009 1、0.012 3、0.032 5、0、0.047、0.009 1、0.001 8、0、0.009 1、0.053 9、0.009 1、0.004 6；

隨機一致性指標(biāo)RI 均為0.58。

層次總排序的一致性比率按照公式（3）計算，即

計算結(jié)果為CR=0.0275＜0.1，通過一致性檢驗。

記指標(biāo)層中12 個指標(biāo)I1～I12 對于目標(biāo)O 的權(quán)重為i1~i12（數(shù)值同上）；3 個備選方案P1、P2、P3 對于上一層中某指標(biāo)In（n=1，2，…，12）的權(quán)重分別為pn1、pn2、pn3。 則備選方案P1、P2、P3 的最終權(quán)重為

計算結(jié)果為：w1=0.321 3，w2=0.331 6，w3=0.347 2；則w3＞w2＞w1。

據(jù)上文分析計算的結(jié)果可知：備選方案P3 的權(quán)重最大，表示鉆孔灌注樁結(jié)合止水帷幕的支護型式對于該基坑而言是最優(yōu)支護方案。 決策結(jié)果與實際選取的方案相契合，表明該項目的支護方案選擇是科學(xué)合理的。

4 基坑開挖三維模擬

運用MIDASGTSNX 有限元模擬軟件建立三維模型，對基坑的開挖過程進行仿真模擬，分析支護結(jié)構(gòu)在基坑開挖過程中的變形情況，研究基坑開挖對周圍環(huán)境的影響，以此判斷該基坑的支護結(jié)構(gòu)選型是否合理。

4.1 模型的建立及參數(shù)的選取

工程實際采用鉆孔灌注樁結(jié)合止水帷幕的圍護結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)兩道內(nèi)支撐的支護體系。 模型各項參數(shù)均以實際情況和勘探數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

實際工程中，基坑大范圍開挖深度為10.55 m，但考慮到建模時網(wǎng)格劃分的要求，模型的開挖深度取10.6 m。 基坑工程影響分為主要影響區(qū)、 次要影響區(qū)和可能影響區(qū)。 其中，可能影響區(qū)的范圍為基坑周邊2H~3H（H 為基坑深度）[12]。 據(jù)此規(guī)定，在本次模擬中，基坑開挖水平影響范圍取基坑邊界以外50 m 范圍，影響深度取60 m，滿足大于兩倍立柱深度和三倍基坑深度的要求。

建立模型時需要將鉆孔灌注樁等效為連續(xù)墻結(jié)構(gòu)（板單元），如圖3 所示。 按照剛度轉(zhuǎn)換原則，通過灌注樁樁徑D 和樁間凈距t，按式（4）可以確定地下連續(xù)墻的厚度。

圖3 等效剛度轉(zhuǎn)換簡圖

模型中的圍護結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐和立柱樁基礎(chǔ)采用混凝土材料，格構(gòu)柱為鋼立柱。 土體采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型。根據(jù)工程的勘察資料，場地內(nèi)土體分布較為均勻，故建立模型時假定各土層的厚度均勻。結(jié)構(gòu)材料和土層的物理性能參數(shù)見表4、表5 所列。

表4 材料物理參數(shù)

表5 土層物理參數(shù)

模型中，冠梁、腰梁、支撐系統(tǒng)、立柱及立柱樁均以梁單元建立，圍護墻以板單元建立，各土層即開挖土體以實體單元建立。 幾何模型初步建立完成后進行網(wǎng)格劃分，基坑內(nèi)部尺寸為5，外部尺寸為12，網(wǎng)格劃分完畢后施加重力條件、邊界約束及抗扭轉(zhuǎn)約束，最終如圖3、圖4 所示。

圖4 整體模型

圖5 基坑支護體系

4.2 定義施工階段

施工階段分為初始應(yīng)力階段、圍護結(jié)構(gòu)和立柱的施工、第一次開挖、第二次開挖和第三次開挖等5 個施工階段，通過“激活”與“鈍化”兩個命令來控制模型中各個結(jié)構(gòu)與約束生效有否。

初始應(yīng)力階段激活所有土層、荷載和自然邊界約束，勾選位移清零，表示土體不受外力時的自然狀態(tài)；圍護結(jié)構(gòu)和立柱的施工階段激活圍護結(jié)構(gòu)、立柱、立柱樁及抗扭轉(zhuǎn)約束，勾選位移清零，表示在開挖前進行鉆孔灌注樁和立柱、立柱樁的施工；第一次開挖階段激活冠梁和第一道支撐，鈍化第一次開挖挖去的土體，表示該階段挖去一部分土并進行冠梁、第一道支撐的施工；第二次開挖階段激活腰梁和第二道支撐，鈍化第二次開挖所挖去的土體，表示該階段繼續(xù)向下開挖并進行腰梁和第二道支撐的施工；第三次開挖階段鈍化剩余需要挖去的土體，表示基坑開挖至坑底，基坑開挖工作完成。

4.3 模型分析結(jié)果

模型求解完成后，得到基坑圍護結(jié)構(gòu)的水平位移情況如圖6、圖7 所示，水平位移最大值位于基坑南側(cè)，約為10.05 mm。 南北兩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)水平位移對比如圖8 所示，基坑南側(cè)圍護結(jié)構(gòu)加厚導(dǎo)致南側(cè)的圍護結(jié)構(gòu)位移明顯小于北側(cè)。 圍護結(jié)構(gòu)總體位移圖如圖9 所示，位移最大值約為18.17 mm。 由此可見，基坑圍護結(jié)構(gòu)的水平位移均小于一級基坑支護結(jié)構(gòu)最大水平位移允許值（0.0025h），說明本工程的基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計較為合理[13]，能夠保證基坑施工環(huán)境的安全穩(wěn)定。

圖6 圍護結(jié)構(gòu)X 軸（東西向）水平位移最大值

圖7 圍護結(jié)構(gòu)Y（南北向）軸水平位移最大值

圖8 南北兩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)水平位移對比

圖9 圍護結(jié)構(gòu)總位移最大值

基坑外圍土體位移情況如圖10、圖11 所示，土體水平位移均小于10 mm，豎向位移均小于20 mm，均在控制值以內(nèi)，說明該基坑支護系統(tǒng)的控制變形能力較好，滿足要求。

圖10 基坑外圍土水平位移

圖11 基坑外圍土豎向位移

5 結(jié)語

（1）運用層次分析法進行基坑支護方案優(yōu)選，決策結(jié)果與設(shè)計師按工程經(jīng)驗選擇的支護方案一致，表明該支護方案較為科學(xué)合理，是備選方案中的最優(yōu)方案。

（2）以實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立基坑的整體模型并進行求解，求解結(jié)果表明，基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形情況較好，各項位移的最大值均控制在允許范圍以內(nèi)，基坑南側(cè)鄰近地鐵站的圍護結(jié)構(gòu)由于做了加厚處理，其水平位移明顯小于為加厚的其他區(qū)段。 基坑外圍土體的變形較小，也說明了該支護方案的控制變形能力較好。

（3）觀察開挖模擬完成后的模型發(fā)現(xiàn)，基坑的坑底土存在一定的隆起情況，可能的原因：一則開挖后，坑底土上部卸載引起坑底土向上回彈；二則是基坑周圍土體在重力作用下使坑底土隆起。 應(yīng)采取方法解決。