深大基坑桩锚支护监测与数值分析

周振鸿 孙华波 吕 果 曹世超

（建设综合勘察研究设计院有限公司，北京 100007）

0 引言

随着城市建设的快速发展，地下空间的开发和利用已是大势所趋，基坑开挖也正向着更深、更大、更复杂的方向发展，作为保证地下深基坑开挖施工安全及周边建筑物稳定的支护技术成为土木工程专业研究的重要课题[1−2]。近年来，利用数值模拟对深基坑工程进行研究的学者也越来越多[3]，朱现磊等利用FLAC3D 研究了深基坑侧壁水平位移、变形沉降以及坑底隆起量等变形指标随深基坑开挖全过程的变化情况[1]。杨 敏等以上海世博地下变电站基坑工程为例，运用FLAC3D 软件模拟了基坑开挖的全过程，分析了基坑周边地表沉降与土体的弹性模量以及地下连续墙厚度、刚度等的关系[4]。郑杰明等结合某一深基坑实例，采用FLAC3D 软件进行模拟，研究了支护结构的内力和变形等规律[5]。众多学者结合数值模拟对深基坑进行了研究，但目前大多数工程的研究主要集中在开挖十几米的深度，25 m 以上深度的大基坑案例相对较少[6−7]，因此，本文以中国人民解放军总医院27.4 m 深大基坑工程为实例，运用FLAC3D 5.0 有限差分软件对深大基坑工程建立数值模型，模拟了该深基坑工程开挖过程的变形问题，并结合现场的变形监测数据对比分析了基坑水平位移、桩体深层水平位移、竖向位移、锚杆轴力以及基坑周边道路沉降变形的变化规律，为类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 研究区概况

研究工程位于中国人民解放军总医院院内，基坑东西长约220 m，南北宽约112 m，主楼地上14 层总高度70 m，采用框架结构–剪力墙结构，基础形式采用筏板基础。本工程均设有5、6 层地下室，基坑深度27.4 m。基坑侧壁安全等级为一级，重要性系数取1.1，设计使用年限为一年。基坑基础外缘西侧距离门诊楼距离18.0 m，正南侧距离医疗楼A 段最近处仅2.35 m，东南角距离东病房楼最近处为3.09 m，东北角距离康馨大厦最近处8.0 m，其余相邻为空地及道路。整个基坑周边对位移变形要求较高。

1.2 工程地质及水文地质条件

根据勘察报告，工程区土层自上而下依次分为人工堆积层、第四系沉积层以及古近系–新近系基岩地层三大类，共八个地层。依次为杂填土、粉细砂、黏质粉土、卵石、黏质粉土、卵石、粉质黏土、卵石，设计及数值模拟过程中各土层土体物理力学参数选取见表1；场地内有一层地下水，为潜水，水位埋深约28.0 m，水位标高约31.5 m，含水层为卵石，可不考虑开挖时地下水对基坑的影响。

表1 土体物理力学参数

1.3 桩锚联合支护设计

该深大基坑工程有如下三个特点：（1）基坑深度大，达到27.4 m，地层以粉细砂与卵石层为主；（2）基坑较大，长约220 m，宽约112 m；（3）场地周边情况比较复杂，对基坑位移量要求严格。

本基坑采用国家行业标准《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120−2012）进行设计计算，综合考虑场地工程地质及水文地质条件、周边环境及基坑开挖深度等，将该基坑分为14 个不同的剖面，均采用桩锚支护。以典型剖面4-4 剖面支护结构为例进行研究，设计参数见图1。

图1 基坑4-4 剖面桩锚支护结构图（单位：mm）

1.4 基坑监测

为了保证施工期间基坑支护结构本身及周边环境的安全和稳定，对基坑内的支护结构以及施工影响范围以内的道路、地下管线和建筑物进行安全监测，并且为数值模拟提供对比参考数据。综合北京地区的深基坑施工经验，依据《建筑基坑工程监测技术规范》（GB 50497−2009），确定基坑变形监测点布设见图2，监测指标的控制值、报警值及预警值取值见表3。

图2 基坑周边环境沉降监测点位平面布置图

2 数值模拟及现场监测分析

2.1 数值计算模型的建立

选取基坑典型剖面4-4 利用FLAC3D 5.0 数值建模。依据圣维南原理确定模型计算尺寸为长50 m，宽90 m，高65 m。土体采用Mohr-Coulomb 本构模型，开挖模拟采用FLAC3D 中的NULL 模型进行模拟。考虑深基坑坑边荷载，地面荷载取值为20 kPa。边界条件设定为：基坑底部固定，四周侧面边界法向固定、切向自由，基坑顶部为自由边界，数值计算模型图见图3。支护体系模拟中，护坡桩用Pile 单元模拟，梁用Beam 单元模拟，锚杆用Cable 单元模拟[8]。

图3 数值模型图

2.2 水平位移分析

基坑水平位移监测的目的在于及时掌握在开挖过程中桩体等支护结构产生位移的大小及其方向[9]，模拟分析时运用FLAC3D 中的HIST 功能，记录了基坑开挖与支护过程中随着开挖深度的增大，桩顶水平位移的变化情况，并导出数据与监测数据进行对比分析，见图4。

由图4 可以看出监测点与模拟点变化趋势类似，均表现出随着基坑开挖深度的增大而增大，最终趋于平稳的变形趋势。

表2 基坑监测变形监控指标

图4 水平位移随开挖深度的变化图

2.3 竖向位移分析

随着基坑的开挖，基坑周边的竖向变形和变形影响范围在不断增大，开挖至基坑底部时地面竖向变形达到最大值8 mm；在距离基坑较远的地方，地表变形值趋向于0，说明在基坑的开挖工程中，对于距基坑边缘较远区域的周边地表影响甚微（见图5）。

图5 基坑竖向位移模拟变化图

2.4 桩体深层水平位移变形规律

作为分析施工过程中稳定性的重要指标，深基坑桩体的深层水平位移可以反映出桩体在周围土压力作用下的变形规律，故桩体的深层水平位移监测一直是深基坑监测中的重要一项[10]。通过分析深层水平位移的监测数据，可以实时掌握工程的稳定性以及质量，并由此来指导基坑工程的下一步施工，确保基坑工程的安全稳定。本次选取基坑边上的测斜孔C1 点的监测数据值与数值分析所得的模拟数据进行对比，分析桩体深层水平位移的变形规律。

据图6，随着开挖深度的增大，基坑周围土体产生较大的侧向土压力[11]，使桩体的水平位移值不断增大，在开挖深度约7.5 m 处，监测和模拟变化曲线都出现了拐点，这里是两个地层变化的地方，除了地层因素之外，施工的第二道锚杆，其荷载比第一道锚杆荷载增长较多，对土体的拉力起到了更大的作用，因此即使随着深度的增大，位移仍呈现稳定或者变小的趋势。

图6 桩体深层水平位移随开挖深度变化图

2.5 锚杆轴向应力分析

锚杆轴力监测变化见图7。可以看出：（1）随着基坑分步开挖的进行，各道锚杆依次施工，锚杆轴力越来越大；（2）下道锚杆对上一道锚杆的影响很小，这是因为施工过程中，锚杆存在较大的预应力损失[12]，使其对桩体的约束作用减弱；（3）第五道锚杆轴力大幅度减小，推测可能由于施工的机械对锚杆产生了干扰，纵观其余各道锚杆轴力，有部分轴力值增大，该变化体现了各道锚杆间相互协调共同起到支护作用的空间作用效应。

图7 锚杆轴力监测变化图（注：工况单数为开挖）

2.6 基坑周边道路沉降变形规律

深基坑周边道路沉降变形可以直观地反映出基坑开挖过程中对周边环境的影响。选取基坑DB-1断面的监测数据为研究对象，以此来总结分析深基坑工程的开挖对周边环境的影响。在该断面上共布设4 个道路沉降监测点，分别是D4、D5、D6 和D7，四个监测点在不同时期采集的基坑周边地表变形的曲线图见图8。

图8 基坑周边道路随时间沉降量

从图8 可以看出，在基坑开挖初期，周边道路的沉降值不大，随着基坑开挖深度增加，周边地面变形量逐渐增大，最后趋于稳定，累计沉降量为2.3～4.8 mm。在施工结束后其沉降量没有立刻稳定，有一定的滞后性，可能是由土体的侧向效应[13]引起的。虽然深基坑工程的开挖引起了基坑周边道路的沉降变形，但是从沉降监测值可以看出变形量很小，最大的仅4.8 mm，远小于沉降监测预警值20 mm，完全满足工况安全要求，说明本次深基坑工程围护结构和支护体系的选择是合理有效的。

3 结论

（1）运用FLAC3D 软件对基坑开挖过程进行了数值分析，并将结果与监测数据进行比较，二者的变化趋势较为吻合，表明基坑支护结构设计和施工安全合理，验证了桩锚联合支护结构在该基坑的适用性，可为北京地区类似工程深基坑设计、施工和监测提供数据参考。

（2）深大基坑深度达27.4 m，选用桩锚支护结构可以有效限制基坑水平位移，实际监测数据最大水平位移仅为7.2 mm；桩体深层水平位移在7.5 m 处附近变化值达到最大；开挖至基坑底部时竖向位移达到最大，距离基坑较远处位移几乎为0；周边道路沉降随基坑开挖深度和时间的增加而增大，最终趋于稳定，最大值为4.8 mm，说明对周边环境影响甚微，基坑工程的设计是偏安全的。

（3）锚杆轴力存在一定的预应力损失，其数值随着开挖深度的增大而增加，但最终趋于稳定；各道锚杆相互协调，与桩体共同起到支护的作用；方案设计时应合理选取预应力值，防止锚杆拉抻破坏。