桩锚支护体系下基坑开挖过程模拟分析——以重庆轨道交通10号线二期兰花湖停车场基坑为例*

周启宏，冯 虎

1.中铁二十局集团第三工程有限公司，重庆 400065

2.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074

随着国家加大对地下空间的投资利用，地下停车场成为许多城市解决地面用地紧张和交通拥堵问题的有效方案，地下停车场基坑规模大、开挖深，在基坑开挖施工过程中存在很多不确定性因素，可能导致基坑发生支护结构破坏、基坑倾覆等严重事故。因此，采用数值模拟技术对基坑产生的变形和可能产生的破坏进行预测就显得尤为重要。

目前，众多学者通过数值模拟方法对基坑工程进行了分析研究。何明[1]利用Midas GTS NX软件对承德市某基坑进行数值模拟分析，检验基坑支护设计的合理性和安全性。张洪波[2]以淮安市某软土深基坑作为研究对象，进行有限元模拟分析，提出采用变形小、刚度大的钻孔灌注桩、设三层钢筋混凝土内支撑作为支护结构。刘维军[3]以宁波软土地区地铁车站深连基坑为工程背景，对基坑工程进行开挖全过程模拟，结合现场监测数据进行对比分析。朱江华、余小强[4]以南昌市某临江基坑为工程背景，借助ABAQUS软件对基坑开挖过程进行模拟，得出了地表沉降变形等相关结论。

目前已有较多研究通过数值模拟方法对深基坑支护结构的设计和施工开挖过程进行讨论，然而不同地区基坑地质、地形条件不同，开挖过程中的变形特征亦不尽相同。因此，文章依托重庆轨道交通10号线二期兰花湖停车场基坑工程，针对该地区深回填土、砂泥岩等地质情况，采用数值软件模拟分析基坑开挖过程中支护结构变形情况，总结其变形规律，为此类基坑安全施工提供参考。

1 工程实例

1.1 工程概况

重庆轨道十号线兰花湖停车场位于重庆工商大学兰花湖校区东北侧，南侧紧邻兰花路，东侧紧邻回龙路，北侧紧邻兰湖天小区。停车场与南湖站、兰花路站，呈“八字”接轨，停车场东西向长约395m，南北向宽约最窄处13.4m，最宽处约81.4m。基坑开挖长度为188.65m，最大宽度为97m，开挖深度最大为31.02m，且穿越深厚回填土地层，施工风险极大、环境敏感高。基坑平面图如图1所示。

图1 基坑平面图

根据查阅地勘资料，兰花湖停车场场地呈宽缓的沟槽及丘坡相间分布的状态，人工改造较大，现大部分为填方区，基坑地层由上而下依次为填土层、沉积岩层；填土层主要由素填土、压实填土和粉质黏土组成，岩层主要由砂质泥岩和砂岩组成。

1.2 支护结构

综合地勘资料和设计资料，深基坑维护结构主要采用的是围护桩+预应力锚索形式和围护桩+内支撑形式。桩锚支护结构设计如下：采用桩径为1m、桩间距为2.5m的钻孔灌注桩，由于基坑不同断面填土区深度不同，桩底嵌入岩层的深度不小于2.0m；基坑锚索的水平间距为2.5m，竖向间距为2.5m；桩顶设置规格为1000mm×1000mm的冠梁。基坑现场纵断面图如图2所示。

图2 基坑6B断面桩锚支护结构

2 数值模型的建立

根据地质勘查资料和工程现场施工情况，文章选取基坑6B断面进行开挖模拟，该断面位于基坑咽喉处，距离基坑旁兰花路较近，且回填土层较厚，最厚处达33.8m。

2.1 模型参数选取与工况设置

通过地勘资料、室内实验、工程经验等方法确定了回填土、砂质泥岩、中风化砂岩和强风化砂岩等岩土体材料的参数值，具体如表1所示。根据现场实际施工开挖情况和支护结构施工顺序，首先建立模型，生成土体初始应力并进行抗滑桩和冠梁施工，基坑模拟分为7步开挖：（1）开挖至地下3.5m；（2）在地下3m处实施第一道锚索，开挖至地下5.5m；（3）在5.5m处实施第二道锚索，开挖至地下8.5m；（4）在8.5m处施加第三道锚索，开挖至地下11m；（5）在11m处施加第四道锚索，开挖至地下13.5m；（6）在13.5m处施加第五道锚索，开挖至地下16m；（7）在13.5m处施加第六道锚索，开挖至基坑底部18.9m。

表1 数值模拟的材料参数值

2.2 模型尺寸与网格划分

考虑模型的尺寸效应，简化计算模型，将计算深度取开挖深度的2～3倍，宽度取开挖深度的4～5倍，具体情况如下：模型基坑开挖深度为20.32m，总长度为144.28m，高度为68.9m，共有35245个节点，62222个单元，基坑模型如图3所示。

图3 基坑模型

3 模拟结果分析

3.1 模型合理性的验证

为验证所建模型的可靠性，将实测的桩顶水平位移值与模拟的结果进行对比，具体如图4所示。由图4可知，桩顶水平位移实测值和数值模拟结果的曲线趋势基本一致，两者结果虽存在误差，但差距较小，最大误差仅为4.53mm，在规定允许范围内；图4中除开挖7外实测值都比模拟值大，因为数值模拟并未考虑施工荷载及现场复杂情况，这也说明数值模拟能较为真实地反映基坑开挖过程中桩锚支护结构的变形情况。

图4 桩顶水平位移模拟值和实测值

3.2 施工过程支护结构位移变化规律

（1）桩身水平位移变化规律。不同开挖步骤下桩身水平位移的数值模拟结果和最终实测值对比图如图5所示，由图5可知，在不同开挖步骤下，由于基坑土体开挖卸荷的作用，围护结构受到坑外主动土体压力作用，朝基坑内产生不同的水平位移。开挖1、开挖2中最大位移分别发生在2.82m和3.8m处，最大位移分别为1.66mm和3.25mm，基坑开挖深度较浅且由于锚索的锚固作用，因此支护桩不同深度水平位移量非常小；开挖7中最大位移位置为8.16m处，最大值为19.27mm，从开挖1到开挖7，由于开挖深度增加，桩后主动土压力不断变大，因此桩身侧移量持续增加，最大水平位移点也不断下移。桩身最大水平位移位置约为桩体1/3处，且各开挖深度下最大值均小于规范预警值，说明砂泥岩地层中桩锚支护起到了良好的支护效果。桩体下部嵌入岩体，岩体的嵌固作用抵消了上部主动土压力对桩体变形的影响，故下部支护桩变形较小；桩体上部坑外主动土压力较小且由于锚索的锚拉作用，上部变形也较小，因此支护桩桩身侧移曲线呈“饱腹”形。对图5中开挖7时的模拟值和最终实测值的曲线进一步分析，可以看出桩体水平位移实测最大值比模拟值稍大，这是因为该基坑外修有施工便道，而模拟时并未考虑施工荷载的存在，且模拟时将岩土体视为理想材料，与实际岩土体情况会有误差，由于该基坑开挖时间较长，桩体水平位移差异还可能与施工开挖安排不及时有关。虽然模拟值与实测值存在差异，但两者的曲线变化趋势大致一致，均呈“饱腹”形，模拟的桩体最大水平位移为19.27mm，约为0.10%He（He为开挖深度），而实测值为21.45mm，约为0.11%He，两者差距很小，均满足规范变形要求，说明桩锚支护设计方案合理。

图5 桩身水平位移随开挖步骤的模拟值和实测值对比图

（2）土体沉降位移变化规律。基坑开挖卸荷过程，会打破原状土体静力平衡，引起基坑周围土体应力重分布，导致周围地面发生沉降。桩后土体沉降曲线模拟值和实测值对比图如图6所示，由图6可知，开挖初期的开挖深度较小，其对基坑周围土层影响有限，沉降量较小。随着开挖的深入，地表沉降逐渐增大。由于靠近基坑一侧的土体与围护桩之间形成的土拱效应抑制了土体的位移，基坑外地表沉降最大值并不是出现在基坑边缘，而是在距离基坑边8～15m处；在距离基坑25m外，各开挖工况下地表沉降很小且逐渐减小，说明基坑开挖引起的周围土体竖向位移具有很强的空间分布效应。对图6中地表最终沉降数值模拟值和实测值进一步对比分析，可看出数值模拟曲线和实测曲线在基坑边缘处略有差别，这是因为基坑旁设有临时便道，而数值模拟时未考虑该便道的影响；数值模拟最大沉降值为22.7mm，出现在距离基坑边6.6m处，实测最大沉降值为25.05mm，出现在距离基坑边5.57m处，两者差异较小，可进行对比分析。

图6 桩后土体沉降曲线模拟值和实测值对比图

4 结论

文章通过对重庆轨道交通10号线二期兰花湖停车场基坑的开挖工程进行数值模拟，得到了以下结论：（1）回填土、砂泥岩采用桩锚支护结构可满足基坑的支护要求；（2）随着基坑的开挖，桩体侧移量逐渐增大，侧移曲线呈“饱腹”形，最大水平位移位置约为桩身1/3处，施工时应加强该位置的现场监测；（3）基坑外地表沉降曲线呈凹形，土体竖向位移具有很强的空间分布效应，最大沉降发生在基坑边缘8～15m处，因此施工过程中应加强该区域建筑物以及地下管线的实时监测，采取必要的保护措施。