大面积深基坑支护结构选型与开挖模拟

蔡兴平， 邵永健

（苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011）

21 世纪被称为地下空间的世纪，近20 多年来，我国地下空间的开发利用进入了全新的发展时期，地下空间的利用越来越普遍，有效缓解了城市土地资源紧缺的问题。 但随着地下空间的开发利用，城市地下环境变得愈发复杂，轨道交通、地下管线等设施、建筑的存在使得新建基坑工程的支护难度大大提升。

基坑支护结构不同于建筑上部结构，地基土的物理性质、地下水及周边环境等因素都将对支护结构的选型产生直接影响，因此基坑工程具有很强的地域性，很难去规定一些全国统一的具体做法，往往设计师的经验对于方案的选择有较大的影响。 合理选择支护方式不仅能够保证基坑的安全稳定和保证周围建筑、管线不受影响，还能有效节约工期和投资，具有重要的实际意义。

近年来，国内外诸多学者对基坑支护结构的选型进行了研究[1]，通过分析研究地质情况和基坑围护结构的破坏，提出相应的控制变形方法；王增超、朱爱军从基坑支护的重要性出发，将基坑支护结构分为四大类，并分别阐述了各类支护结构的优点和适用性，结合基坑工程事故诱因，点明设计和施工中存在的问题[2]；来刘阳针对黄土地区的基坑支护方案优选，选定了多个指标，构建基坑支护结构综合评价体系，从而对基坑支护方案进行优选[3]；张旭群等运用三维数值模拟的方法对邻近隧道的基坑进行仿真开挖模拟，分析了基坑开挖后的变形情况，以此评估基坑开挖过程对邻近隧道的影响[4-6]；王海波等研究了基于层次分析法决策理论的深基坑支护结构选型，使深基坑支护结构选型过程更科学合理、经济可行[7-9]；何渊、廖英通过MATLAB 研究了模糊可靠度指标的计算方法，运用ABAQUS 建立土钉支护结构的三维有限元模型，研究了土钉的排布对于支护效果的影响[10]。

基于现有研究成果，本文以实际工程为依托，针对大面积深基坑的支护结构选型展开研究，通过有限元分析软件来模拟基坑开挖过程，分析基坑开挖时围护结构与周围土体的变形情况，以期对类似基坑工程的支护结构设计与施工提供参考。

图1 基坑平面图

1 工程概况

1.1 工程地质条件

新建项目位于苏州工业园区， 基坑规模较大且整体形状不规则，基坑平面如图1 所示。 项目设有两层地下室，基坑开挖面积约为2.46 万m2， 周长约670 m， 大面积开挖深度为10.55 m。 本场地96.3 m 以浅各土层（填土除外）由第四系晚更新世以来的冲湖积相沉积物组成，土层分布较稳定，呈水平成层的特点。 基坑支护的设计使用年限为二年，根据基坑开挖深度、周边环境条件等，确定基坑侧壁安全等级为一级。

1.2 基坑主要特点与难点

基坑周边环境条件较复杂。基坑东侧、北侧地下室外墙距用地红线仅为5~5.2 m，红线外的道路下设有多条地下管线；基坑南侧有正在运营的轨道交通区间，其50 m 保护线已进入本基坑约6.5~11.3 m；西侧地下室距离已建地铁站约12.9 m。 基坑浅部填土层较厚，土质松散；基坑坑底有粉土、粉砂层，该土层为承压含水层，渗透性较强，含水量较多。

综上所述，基坑周围可用空间少，基坑南侧邻近轨道交通，对基坑控制变形要求较高，在进行基坑支护结构的设计时需要着重考虑变形控制能力，同时需要满足止水要求。

2 基坑支护结构设计分析

根据工程周围环境条件及止水、施工要求，基坑支护结构形式可选用SMW（水泥土搅拌桩）工法桩、地下连续墙及钻孔灌注桩等。

2.1 SMW 工法桩

SMW 工法桩又叫水泥土搅拌桩，20 世纪70 年代出现在日本， 通常使用三轴型钻掘搅拌机垂直向下进行钻掘，同时喷入水泥系强化剂与地基土充分拌合成桩，拌合完成后往桩中插入型钢或钢板，便形成了一排连续的、完整的、无缝的型钢水泥土搅拌桩墙，能够同时兼备隔水作用，普遍适用于软土地区。 该支护方式工艺较简单，工期短，施工对周边环境影响较小。 桩中的型钢完工后可回收并回填混凝土，具有较好的经济性。但SMW 工法桩墙的刚度较小，变形较大[11]。

2.2 地下连续墙

地下连续墙分为现浇和预制两大类。 现浇地下连续墙一般是挖一段浇筑一段，槽段形式有壁板式、T 型和п 型等，可根据需要将各种形式的槽段进行组合，形成一道连续的钢筋混凝土墙壁。 预制地下连续墙则是预先浇筑好各墙段，在挖好槽后插入墙段并将相邻墙段采用现浇钢筋混凝土接头连接成整体即可。 地下连续墙集止水防渗、挡土和承重于一体，具有刚度大、抗渗止水、整体性好，安全性好等优点；缺点是造价较其他支护形式高，仅在深度大的基坑中才具有较好的经济性。 预制地下连续墙的制作与养护不占用工期，现场施工速度快，可以节省大量工期。 由于起重和吊装的限制，墙段尺寸受限，只能用于6~7 m 的浅基坑。

2.3 钻孔灌注桩

钻孔灌注桩是现浇钢筋混凝土桩，桩墙常见的布置形式主要有分离式排桩、双排式排桩和咬合式排桩。分离式排桩是最常用、最简单的形式。如对整体抗弯刚度和抗侧移能力要求较高，则可以设置成前后双排桩，并将前后排桩桩顶的冠梁用横向连梁连接，形成双排门架式挡土结构。 如有隔水需要，可在单排桩、双排桩外侧设置隔水帷幕。 若因场地限制，无法同时设置排桩和隔水帷幕时，可采用咬合式排桩形式，排列方式为缓凝素混凝土桩和钢筋混凝土桩间隔布置，素混凝土桩先行柱列式布置，相邻桩间隔小于后行的钢筋混凝土桩桩径。 先行桩初凝后切割掉与后行桩重合部分并浇筑后行钢筋混凝土桩，完成后得到的咬合式排桩本身就具备较好的隔水性能。 钻孔灌注桩的施工工艺已然成熟，施工简便，对周边环境影响较小，桩体刚度可根据具体要求灵活调整，造价经济。

2.4 基坑支护方案的选择

SMW 工法桩刚度较小，控制变形能力较差；虽然其经济性较好，但如果工期超过8 个月，则施工过程中所用型钢的租赁费用较高，导致总体造价将远超钻孔灌注桩支护的费用。

地下连续墙虽然有整体性好、刚度大、安全可靠等优点，但用于本基坑工程所花费的造价远高于其他支护形式，经济性差。

钻孔灌注桩整体刚度较大，控制变形能力较好，基坑开挖时对周围环境的影响较小，施工工艺成熟。

结合实际情况，基坑对控制变形能力要求较高，并且基坑南侧邻近轨道交通，故南侧的变形应控制在更小范围内，更适合采用钻孔灌注桩支护，同时钻孔灌注桩可以与工程桩穿插施工，有利于整个工程的工期控制。 但钻孔灌注桩外需要设置一道止水帷幕以满足防渗止水要求。

3 检验基坑支护选型的合理性

3.1 构建层次分析模型

层次分析法（AHP）最早出现于美国，是一种综合决策方法，将此方法运用于深基坑支护结构方案优选，可以在一定程度上减少人为主观因素影响，使方案决策更加科学合理。 本文将运用此方法，检验本文所研究项目中支护方案选取的合理性。

选取影响因素。 针对本次研究项目，从诸多影响因素中选取了整体稳定性、结构强度、结构刚度、防渗止水能力、材料费、施工器械费、人工费、施工噪音、建筑垃圾、对周边建筑和地下管线的影响、施工工期和施工难易程度等12 项指标，结合上文所述三种备选方案，构建如图2 所示的层次结构模型。

3.2 层次单排序及其一致性检验

通过查阅文献、专家调查相结合的方法[3，7-9]，采用1~9 标度法对各影响因素进行成对比较从而确定各影响因素的权重。 例如：构建如表1 所示的准则层对于目标层的判断矩阵O-C，将矩阵中各个因素按表2 进行成对比较并填入量化值aij。

表1 判断矩阵O-C

图2 层次结构模型

表2 量化值aij 的取值依据

进行一致性检验。 计算判断矩阵的最大特征值λmax=4.2051，并按照公式（1）、（2）计算CI 与CR 的值。

式中，n 为判断矩阵的阶数；RI 按表3 取值。

表3 平均随机一致性指标RI 标准值

计算λmax所对应的特征向量Wc=（0.532 8，0.139 2，0.055 6，0.272 4）T，将W 归一化即为准则层中的C1～C4 对于最优方案O 的权向量。

与实例同理计算可得：

指标层中I1～I4 对于安全性C1 的权向量Wi1=（0.447 6，0.163 6，0.282 9，0.105 9）T；

I5～I7 对于经济性C2 的权向量Wi2=（0.581 5，0.309 0，0.109 5）T；

I8～I10 对于施工影响C3 的权向量Wi3=（0.104 7，0.258 3，0.637）T；

I11、I12 对于技术可行性C4 的权向量Wi4=（0.25，0.75）T。

备选方案P1～P3 对于I1～I12 的权向量分别为：

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。

上述计算所用的判断矩阵按公式（1）、（2）计算CR 值，结果均小于0.1，表示通过一致性检验。

3.3 层次总排序及其一致性检验

最终一致性检验是检验决策模型整体一致性的措施。 指标层中12 个指标中I1～I12，其对于目标O 的权重i1~i12分别为：

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 的层次单排序一致性指标CI1～CI12 分别为：

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；

随机一致性指标RI 均为0.58。

层次总排序的一致性比率按照公式（3）计算，即

计算结果为CR=0.0275＜0.1，通过一致性检验。

记指标层中12 个指标I1～I12 对于目标O 的权重为i1~i12（数值同上）；3 个备选方案P1、P2、P3 对于上一层中某指标In（n=1，2，…，12）的权重分别为pn1、pn2、pn3。 则备选方案P1、P2、P3 的最终权重为

计算结果为：w1=0.321 3，w2=0.331 6，w3=0.347 2；则w3＞w2＞w1。

据上文分析计算的结果可知：备选方案P3 的权重最大，表示钻孔灌注桩结合止水帷幕的支护型式对于该基坑而言是最优支护方案。 决策结果与实际选取的方案相契合，表明该项目的支护方案选择是科学合理的。

4 基坑开挖三维模拟

运用MIDASGTSNX 有限元模拟软件建立三维模型，对基坑的开挖过程进行仿真模拟，分析支护结构在基坑开挖过程中的变形情况，研究基坑开挖对周围环境的影响，以此判断该基坑的支护结构选型是否合理。

4.1 模型的建立及参数的选取

工程实际采用钻孔灌注桩结合止水帷幕的围护结构，内设两道内支撑的支护体系。 模型各项参数均以实际情况和勘探数据为准。

实际工程中，基坑大范围开挖深度为10.55 m，但考虑到建模时网格划分的要求，模型的开挖深度取10.6 m。 基坑工程影响分为主要影响区、 次要影响区和可能影响区。 其中，可能影响区的范围为基坑周边2H~3H（H 为基坑深度）[12]。 据此规定，在本次模拟中，基坑开挖水平影响范围取基坑边界以外50 m 范围，影响深度取60 m，满足大于两倍立柱深度和三倍基坑深度的要求。

建立模型时需要将钻孔灌注桩等效为连续墙结构（板单元），如图3 所示。 按照刚度转换原则，通过灌注桩桩径D 和桩间净距t，按式（4）可以确定地下连续墙的厚度。

图3 等效刚度转换简图

模型中的围护结构、内支撑和立柱桩基础采用混凝土材料，格构柱为钢立柱。 土体采用修正摩尔-库伦本构模型。根据工程的勘察资料，场地内土体分布较为均匀，故建立模型时假定各土层的厚度均匀。结构材料和土层的物理性能参数见表4、表5 所列。

表4 材料物理参数

表5 土层物理参数

模型中，冠梁、腰梁、支撑系统、立柱及立柱桩均以梁单元建立，围护墙以板单元建立，各土层即开挖土体以实体单元建立。 几何模型初步建立完成后进行网格划分，基坑内部尺寸为5，外部尺寸为12，网格划分完毕后施加重力条件、边界约束及抗扭转约束，最终如图3、图4 所示。

图4 整体模型

图5 基坑支护体系

4.2 定义施工阶段

施工阶段分为初始应力阶段、围护结构和立柱的施工、第一次开挖、第二次开挖和第三次开挖等5 个施工阶段，通过“激活”与“钝化”两个命令来控制模型中各个结构与约束生效有否。

初始应力阶段激活所有土层、荷载和自然边界约束，勾选位移清零，表示土体不受外力时的自然状态；围护结构和立柱的施工阶段激活围护结构、立柱、立柱桩及抗扭转约束，勾选位移清零，表示在开挖前进行钻孔灌注桩和立柱、立柱桩的施工；第一次开挖阶段激活冠梁和第一道支撑，钝化第一次开挖挖去的土体，表示该阶段挖去一部分土并进行冠梁、第一道支撑的施工；第二次开挖阶段激活腰梁和第二道支撑，钝化第二次开挖所挖去的土体，表示该阶段继续向下开挖并进行腰梁和第二道支撑的施工；第三次开挖阶段钝化剩余需要挖去的土体，表示基坑开挖至坑底，基坑开挖工作完成。

4.3 模型分析结果

模型求解完成后，得到基坑围护结构的水平位移情况如图6、图7 所示，水平位移最大值位于基坑南侧，约为10.05 mm。 南北两侧围护结构水平位移对比如图8 所示，基坑南侧围护结构加厚导致南侧的围护结构位移明显小于北侧。 围护结构总体位移图如图9 所示，位移最大值约为18.17 mm。 由此可见，基坑围护结构的水平位移均小于一级基坑支护结构最大水平位移允许值（0.0025h），说明本工程的基坑支护结构设计较为合理[13]，能够保证基坑施工环境的安全稳定。

图6 围护结构X 轴（东西向）水平位移最大值

图7 围护结构Y（南北向）轴水平位移最大值

图8 南北两侧围护结构水平位移对比

图9 围护结构总位移最大值

基坑外围土体位移情况如图10、图11 所示，土体水平位移均小于10 mm，竖向位移均小于20 mm，均在控制值以内，说明该基坑支护系统的控制变形能力较好，满足要求。

图10 基坑外围土水平位移

图11 基坑外围土竖向位移

5 结语

（1）运用层次分析法进行基坑支护方案优选，决策结果与设计师按工程经验选择的支护方案一致，表明该支护方案较为科学合理，是备选方案中的最优方案。

（2）以实测数据为基础建立基坑的整体模型并进行求解，求解结果表明，基坑围护结构的变形情况较好，各项位移的最大值均控制在允许范围以内，基坑南侧邻近地铁站的围护结构由于做了加厚处理，其水平位移明显小于为加厚的其他区段。 基坑外围土体的变形较小，也说明了该支护方案的控制变形能力较好。

（3）观察开挖模拟完成后的模型发现，基坑的坑底土存在一定的隆起情况，可能的原因：一则开挖后，坑底土上部卸载引起坑底土向上回弹；二则是基坑周围土体在重力作用下使坑底土隆起。 应采取方法解决。