深基坑支护体系优化设计及工程应用研究

杨 凤

(湖北省核工业地质局，湖北 孝感 432000)

1 基坑支护方案选择原则

1.1 安全性原则

安全性是工程建设过程中首要也是最重要的原则，在选择支护方案时，其中安全性则始终应当放在首位。安全性方面出现问题则会引发重大的工程事故和损失。基坑支护的安全除了能够保证拟建建筑物自身的基坑的稳定以及建筑物的安全，同时还能对周围的建筑物安全性提供保证。所以在选择基坑支护方案时还应当考虑到周围环境的关系，确保基坑的开挖不会对周围的建筑物等产生重大的影响[1]。

1.2 技术可行性

基坑支护的种类繁多，目前常见的支护类型主要有土钉墙、悬臂式、水泥土墙、内撑式排桩、拉锚式等，但是每种支护方式所适用的范围也是有所差异。因而在选择的过程中需要因地制宜，寻找最合适合理的方案，一方面需要尽可能地降低施工的难度、加快工程的进度，另外一方面还需要降低施工的风险[2]。

1.3 经济性原则

基坑支护在施工的过程中也属于是临时性的保护措施，因而在能够保证基坑安全的前提之下，再加上能够满足在技术方面的要求，需要尽可能地减低成本。所以成本的控制也是基坑工程需要考虑的一项因素，尽可能地避免不必要的浪费。

2 工程分析及支护方案的提出

2.1 工程概况

拟修建的建筑物地上部分共7层，地下2层，地下均采用桩基础。该建筑物南北方向约198 m，东西方向98 m，基坑深度12.75～12.85 m，安全等级为一级。

2.2 支护方案选择

该项工程处于旧城区，周围已建的建筑物较多，施工的场地比较狭窄，环境非常复杂，不能够进行大规模的放坡。地下有各种错综复杂的管线，拟建建筑物在修建的过程中不能够影响到周围其他的建筑物。此外，从长远的角度考虑，未来城市会在地下大规模地发展地铁以及综合管廊工程，所以基坑支护结构也不能够越过红线，因而对基坑的支护有着严格的要求。因而综合考虑到以上几方面的因素，在对拟建建筑物基坑支护设计时一方面需要确保能够严格控制周边岩土体的变形，另一方面还需保证支护结构不会超出建筑红线。而对于锚杆和土钉，其长度均在20 m以上，因而在该工程的基坑支护中不宜采用。故而对于该工程，支护方案选择钻孔灌注桩同时再加两道内支撑，其中钻孔灌注桩的直径选择为90 cm，两个桩之间的间距1.3 m，围护桩内设置两道支撑，两道支撑的标高分别为-3.4 m、-8.4 m，内支撑为钢筋混凝土撑，截面尺寸为0.8 m×0.8 m。基坑的支护方案如图1所示。

图1 基坑支护方案示意图(单位：m)

3 拟建工程基坑开挖支护数值分析及设计优化

3.1 基于ABAQUS的基坑开挖数值模拟

基坑开挖的过程较为复杂，通过有限元连续介质的方法，充分考虑到该区域的地层环境以及土层的性质，同时还可以施加开挖、支护等工况，能够较为准确的模拟出在施工过程中基坑应力、变形等方面的变化。本文应用ABAQUS对基坑开挖以及支护过程进行数值模拟[3]。

如图2所示为模拟的地表沉降曲线图。从图2中可以看出，在基坑开挖完成之后，不同的位置所表现出的地表沉降也是有差异的，在坑外15 m的范围之内受到沉降的影响较大，当宽度超出20 m所受到的沉降影响就很小，沉降曲线整体上形似“勺形”，在基坑之外7.5 m左右的位置出现了最大的沉降量13 mm，但是其沉降值仅仅是需要在临界值的1/3之内，因而预测地表沉降依旧处于安全的范围之内。

图2 地表沉降曲线图

如图3为开挖过程桩身水平位移图。桩身在整个位移中呈现出上端和下端的位移较小，中间段的位移较大，桩顶和桩身的最大位移分别为8 mm、15 mm，远小于相关规范规定的临界值，处于安全值的范围之内。

图3 开挖过程桩身水平位移图

如图4为坑内土体隆起的曲线。在第一次开挖的过程中，开挖的深度也较小，坑底仅仅表现出了弹性隆起，两侧的隆起较小，越往中间其隆起越大。随着开挖深度的逐渐增大，在坑底也逐渐出现了塑性变形，隆起的曲线整体上变现为两边大中间小。整体上来讲，开挖的深度越大，其隆起量也就越大，但同时在坑底的不同位置，其隆起量的增加速度还是会略有差异。经过了三次开挖，坑底的最大隆起量分别为5.6 mm、9.2 mm、12.5 mm，分别均小于规范的计算值，能够满足规范的要求。

图4 坑内土体隆起曲线

根据对支撑轴力的模拟，结果显示其中第一道支撑进入稳定状态的速度较快，第二道支撑轴轴力随着开挖深度呈线性增加，第一道支撑和第二道支撑的轴力最大值分别为3 703 kN、6 225 kN，远小于警戒值，均在安全值范围内。

通过对各项指标进行模拟，其警戒值与模拟值对比结果见表1。

表1 模拟结果验证对比表

3.2 模拟结果的设计方案优化

进行数值模拟除了可以通过模拟结果来验证支护结构设置的可靠性与安全性，此外还可以对设计进行更深层次的优化。

(1) 对排桩的优化。如图5所示为围护桩弯矩图，通过模拟也可以发现当基坑开挖到深度为12.75 m时，在距桩顶4～11 m处的桩身正弯矩较大，其中最大正弯矩为348 kN·m。在14～18 m处，桩身出现负弯矩，其中负弯矩最大为225 kN·m。根据桩身弯矩分布的特点，可对桩身结构的配筋方案进行略微的调整，在正、负弯矩较大的部位加大钢筋的布设。同时还应当在弯矩较大的部位布设监测点进行重点的监测。

图5 围护桩弯矩图

(2)对内撑的设计优化。该工程一共采用了两道支撑，图6为两道支撑轴力对比曲线。通过数值模拟的结果显示，两道支撑在受力方面所受到的差异较大。其中第一道支撑自一开始所受的轴力就不断增加，但是在施加第二道支撑之后，第一道支撑的受力变化微小。第二道支撑的轴力随开挖深度的增加而不断增大，在设计深度处周丽达到最大值。显而易见，在整个过程中支撑力主要是由第二道支撑提供，而第一道支撑所提供的支撑力较小，所以两道支撑的截面尺寸也应当有区别的设计，第二道支撑的尺寸宜比第一道支撑大约50%。另外在施工的过程中需要对支撑的轴力进行监测，对监测也需要一定的优化。

图6 两道支撑轴力对比曲线

(3)对周边沉降监测布置的优化。在基坑开挖的过程中，不可避免的会引起水平或者竖直方向上的位移，倘若变形量过大还会对周边的环境造成破坏。通过数值模拟可以看出，地表的变形呈现出不均匀分布的特征，所以在监测的过程中应当有所侧重。其中图7所示的是沉降变形曲线与地下管线位置的关系。其中离基坑开挖边缘最近的天然气管道仅有10 m，但是基坑外边缘15 m的范围之内变形均较大，虽然变形值在允许的范围之内，但是依旧需要在开挖的过程中进行密切的关注监测，尤其是在基坑开挖之后，应当增加监测的频率，以便发生问题后及时进行处理。

图7 沉降变形曲线与地下管线位置关系

4 结束语

文章通过运用数值模拟的手段，模拟了深基坑在开挖过程中的应力和位移变化情况。同时根据模拟的结果对支护设计的排桩、支撑以及监测方案进行了深入的优化，以求支护能够达到最优的效果。