桩撑与桩锚联合支护体系在复杂地层深基坑的应用

谢 晟, 韦巡洲

(广东省地质建设工程集团公司，广东 广州 510000)

广州地区复杂地层中的深大基坑工程通常采用桩撑或桩锚的支护形式，桩撑支护具有支撑刚度大，可有效控制基坑侧壁位移和坑顶地表沉降，但占用基坑内部空间，对主体结构的施工和土方开挖产生不利影响的特点[1～4]；桩锚支护可提供开阔的坑内施工空间，虽然水平支锚刚度较小，但可通过对锚索施加预加力而实现对基坑侧壁位移的有效控制，其缺点是需要占用红线以外的土地资源，同时也不适用于深厚软弱土层中的基坑工程[5～8]。若能在同一剖面中充分发挥支撑和锚索的优势，实现刚柔并济的支护效应，则可有效地控制基坑变形，同时节约工期和成本。由于刚性支撑与柔性锚索的水平支锚刚度差异巨大，排桩、支撑和锚索的相互协同支护机制较为复杂，其组合的力学响应机理尚未明确，特别是其在复杂地层中的承载变形特性与传统的桩撑和桩锚支护体系存在差异，研究尚滞后于工程实践。近年来，已有相关学者利用有限元数值模拟方法对桩、撑、锚组合支护体系的受力机制进行了分析，例如：周赞良等建立了桩、撑、锚组合支护体系的二维PLAXIS有限元模型，初步分析了支撑和锚索的相互作用机制[9]；王召磊等基于三维有限元数值模拟，分析了桩、撑、锚组合支护体系的受力性状及对周边环境的影响规律[10]。然而，桩撑协同锚索支护体系在广州地区复杂地层中的承载变形性状研究成果仍鲜见报道。为此，本文以广州南站中心区BA0501077地块联合广场基坑支护工程为例，综合上述研究基础，采用Midas/GTS有限元软件，建立整体三维模型分析不同锚索布置位置和支撑刚度条件下桩撑协同锚索支护体系的力学响应，总结工程经验，为今后相关工程的分析提供参考。

1 工程概况

1.1 基坑概况

广州南站中心区BA0501077地块联合广场基坑支护工程项目位于广州市番禺区市桥南站汉溪大道的北西侧，该项目占地5000 m2，拟设置地下室4层、群楼4层，塔楼高36层，采用核心筒混合结构、2层连接天桥2座。相对标高±0.000 m相当于绝对标高+8.30 m，场地现地面绝对标高为+8.20 m，基坑开挖相对标高为-16.8 m，坑底绝对标高为-8.5 m，基坑深度为16.7 m，分7个区段支护，周长共273 m，开挖面积约4700 m2。基坑西北侧为广州南站，建筑边线距离基坑开挖底边线约60 m，东侧为空地，用地红线距离基坑支护底边线约5 m；南侧为汉溪大道，道路离基坑开挖边线约为35 m；西侧为现状道路，道路边线距离基坑开挖底边线约5 m。场地属海冲积平原形成的河流阶地，较为平坦开阔。基坑侧壁安全等级为一级。

1.2 工程地质与水文地质

根据岩土工程勘察报告，本场地地层由上至下分为第四系人工填土层、第四系冲积层、第四系残积层、白垩系下统泥质砂岩，其中人工填土平均厚度4.11 m，淤泥平均厚度5.07 m，淤泥质细砂平均厚度5.22 m，强风化泥质砂岩平均厚度2.98 m，微风化泥质砂岩平均厚度6.04 m，地层厚度分布不均。基坑开挖范围主要为淤泥和淤泥质细砂。

场地地下水赋存状态主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，第四系海冲积层中，淤泥质细砂为弱含水层，人工填土下部为上层滞水的主要储水层，其中人工填土下部和淤泥质细砂层中赋存孔隙潜水，水量少。但场地处于珠江河网区域，南西侧距离河涌100～200 m内；地下水稳定水位平均绝对标高为6.06 m。

综上所述，场地的水文地质条件复杂，地下水位较高，土质情况较差，基坑周边淤泥和淤泥质细砂最厚超过9.9 m；同时，场地北侧、西侧与用地红线距离仅5.0 m，西北侧为广州南站，西侧为现状道路，基坑施工过程中，需保证周边建构筑物的绝对安全；此外，基坑开挖面积仅4700 m2，基坑内主体结构施工空间较小，须采取有效措施保证坑内土方开挖、外运及主体结构的施工。针对场地工程地质和水文地质条件以及基坑开挖深度和周边环境情况，结合本工程实际情况，综合考虑安全性、经济性、可行性和先进性，基坑西北侧和西南侧拟采用排桩+2道内支撑+1道预应力锚索(控制支护结构位移)，东北侧和东南侧采用排桩+4道预应力锚索支护结构(留出施工和出土空间)，排桩采用φ1200@1350人工挖孔桩；止水帷幕采用两排φ550@350搅拌桩。内支撑、冠梁和腰梁采用C30混凝土，其中，支撑间距6 m，截面尺寸为1.0 m×1.0 m。基坑支护结构平面布置图如图1所示；基坑支护结构的典型剖面图如图2(AB段和BC段剖面的具体位置详见图1)所示。

2 三维有限元模型的建立

2.1 基本情况

由图1，2可以看出，为节约成本和工期、减小内撑对地下室主体结构施工的影响以及控制支护结构变形以保护坑边建构筑物，基坑西北和西南侧采用了桩撑协同锚索的支护结构体系，然而，支撑与锚索的水平刚度差异巨大，支护桩+支撑和锚索的协同作用支护机制仍缺乏深入研究。为此，三维有限元模型分别模拟锚索的布置位置以及支撑刚度(截面宽度)对基坑变形和支护结构受力的影响规律。三维有限元模型取300 m×300 m×31 m(长×宽×高)的区域，上部为自由边界，底部全约束，各侧边限制对应方向的水平位移，三维有限元模型如图3所示，其中，支护桩根据抗弯刚度相等的原则等效为连续墙，等效连续墙宽度为0.980 m。三维有限元模型中，岩土体介质采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，同时，假定各岩土层都为成层均质水平分布，模型取桩撑联合桩锚区段的基坑坑边最不利钻孔(详见图1的ZK9)作为代表；冠梁、腰梁、支撑、支撑立柱采用线性弹性本构模型，单元类型为梁单元；等效连续墙采用线性弹性本构模型，单元类型为板单元；锚索采用线性弹性本构模型，单元类型为植入式桁架，锚索的入射角、自由段长度和锚固段长度以及预加力大小均与设计图纸(图2)一致。有限元模型中各种材料的物理力学参数如表1所示。

图1 基坑支护结构平面布置/mm

图2 基坑支护结构剖面/mm

图3 Midas/GTS有限元模型

表1 有限元模型各材料物理力学参数

2.2 施工工况模拟

有限元模拟共设置7个施工工况，分别为：(1)初始地应力平衡，该施工步位移清零；(2)施工支护桩、冠梁、支撑立柱、第1道支撑和第1道锚索；(3)基坑开挖至第2道锚索底(-4.8 m)，施工第2道锚索和对应腰梁；(4)基坑开挖至第2道支撑底(-7.0 m)，施工第2道支撑和对应腰梁；(5)基坑开挖至第3道锚索(-8.8 m)，施工第3道锚索和对应腰梁；(6)基坑开挖至第4道锚索底(-12.8 m)，施工第4道锚索和对应腰梁；(7)基坑开挖至坑底(-16.7 m)，施工完毕。

3 数值模拟结果与分析

3.1 锚索布置位置对基坑变形和支护结构受力的影响规律(支撑截面尺寸1.0 m×1.0 m)

改变锚索的布置位置，分析其对基坑变形、支护桩受力，以及支撑和锚索受力的影响。锚索布置位置对基坑变形影响的模拟结果如图4所示，对支护桩受力影响的模拟结果如图5所示(图中第1道位置相对标高为-0.1 m，第2道位置相对标高为-6.6 m，第3道位置相对标高为-12.4 m)，对支撑和锚索受力影响的模拟结果如表2所示。

图4 锚索布置位置对基坑变形影响的模拟结果

图5 锚索布置位置对支护桩受力影响的模拟结果

表2 锚索布置位置对支撑和锚索受力的模拟结果 kN

根据图4，5的模拟结果，可整理支护桩水平位移和弯矩(截面位置详见图2)随锚索布置位置的变化规律，如图6，7所示。

图6 支护桩水平位移随锚索布置位置的变化曲线

图7 支护桩弯矩随锚索布置位置的变化曲线

由图6可以看出，锚索布置在第3道位置时，支护桩的位移最小；锚索布置在第2道位置时，支护桩的位移最大；锚索布置在第1道位置时，支护桩的位移较锚索布置在第2道位置时小，但其对桩顶位移的约束能力明显不如后者。由于支护桩的最大位移出现在基坑中部附近，在此位置布置刚度小的锚索则不利于控制支护桩的位移，因此，锚索布置在第2道时，支护桩的位移最大。

由图7可以看出，锚索布置在第1道位置时，支护桩的弯矩最小；锚索布置在第3道位置时次之；锚索布置在第2道位置时，支护桩的弯矩最大。

由表2可以看出，锚索布置在第2道位置时，锚索的轴力最大；锚索布置在第3道位置时，第2道支撑的轴力最大。

由上述分析可知，锚索布置位置对基坑变形和支护结构受力均产生重要影响，锚索布置在第2道位置时，支护桩的位移和弯矩以及锚索的轴力均最大，因此，应避免锚索布置在基坑的中部位置；锚索布置在第3道位置时，支护桩的位移和锚索的轴力均最小，同时，锚索布置在第1道位置，不利于控制桩顶位移，因此，实际施工中，锚索布置在第3道位置。

3.2 支撑刚度对基坑变形和支护结构受力的影响规律(锚索布置在第3道位置)

改变支撑刚度(截面尺寸)，分析其对基坑变形、支护桩受力以及支撑和锚索受力的影响。支撑刚度对基坑变形影响的模拟结果如图8所示，对支护桩受力影响的模拟结果如图9所示，对支撑和锚索受力影响的模拟结果如表3所示。

图8 支撑刚度对基坑变形影响的模拟结果

图9 支撑刚度对支护桩受力影响的模拟结果

表3 支撑刚度对支撑和锚索受力的模拟结果 kN

根据图8，9的模拟结果，可整理支护桩水平位移和弯矩(截面位置详见图1)随支撑刚度的变化规律，如图10，11所示。

由图10可以看出，支护桩位移随支撑刚度的增加而减小，当支撑截面小于1.0 m×1.0 m时，支护桩的位移随支撑截面的减小增加较快。由图11可以看出，支护桩的弯矩随支撑刚度的增加而减小。由表3可以看出，随着支撑刚度的增加，支撑轴力增加，锚索轴力减小。

图10 支护桩水平位移随支撑刚度的变化曲线

图11 支护桩弯矩随支撑刚度的变化曲线

由上述分析可知，支撑刚度对基坑变形和支护结构受力均产生重要影响。桩撑和桩锚联合支护体系的受力变形机制是不同刚度支护构件协调变形发展以提供综合支挡效应的过程。支撑刚度的大小体现支点对支护桩变形约束能力的大小，支撑刚度愈大，支护桩的位移愈小，但当支撑截面大于1.0 m×1.0 m时，支撑刚度的增加，对支护桩位移的约束效应已不再明显。因此，实际施工中，支撑的截面尺寸为1.0 m×1.0 m。

4 数值模拟结果与现场监测结果比较

根据上述分析，广州南站中心区BA0501077地块联合广场基坑支护工程项目桩撑协同锚索支护体系的锚索布置在第三道位置，支撑的截面尺寸为1.0 m×1.0 m。项目对支护桩位移、支撑和锚索轴力均做了监测。基坑的具体监测方案和典型监测结果分别如图12，13和表4所示，其中图13和表4给出了开挖至坑底时，Midas/GTS有限元模拟结果与监测结果的对比。

图12 基坑监测平面布置

图13 计算结果与监测结果对比

表4 支撑和锚索轴力的监测结果与计算结果对比 kN

由图13和表4可知，基坑的监测深层水平位移最大值为15.6 mm(预警值为20.0 mm)，支撑和锚索的最大轴力分别为3960 kN(预警值4800 kN)和170 kN(预警值350 kN)，均小于监测预警值，同时，CX7和CX10测斜管的土体深层水平位移的监测值以及支撑和锚索的轴力监测值与有限元模拟结果具有良好的一致性。目前项目已完工，桩撑协同锚索支护体系的支护效果良好，基坑挖至坑底时的现场照片如图14所示。本文的研究成果可为广州地区其他类似工程提供参考。

图14 基坑挖至坑底时的现场照片

5 结 论

广州南站中心区BA0501077地块联合广场基坑支护工程水文地质条件复杂，地下水位较高、土质情况较差，基坑开挖深度大，坑内空间狭小，基坑西北和西南侧采用了桩撑协同锚索的支护体系，本文通过研究锚索布置位置以及支撑刚度对基坑变形和支护结构受力的影响规律，得到支撑和锚索的合理布置形式以及支撑的合理刚度，主要结论如下：

(1)在广州地区淤泥和淤泥质细砂较好的基坑工程中，采用上撑下锚的桩撑协同锚索的支护体系技术可行、施工便利且具有极大经济优越性；

(2)锚索的布置位置和支撑刚度对桩撑协同锚索支护体系的受力变形性状产生重要影响，锚索布置在第3道位置(基坑下部)时，支护桩的位移和锚索的轴力最小，支撑和锚索的协同支护效应最优；支撑刚度的大小体现支点对支护桩变形约束能力的大小，支撑刚度愈大，支护桩的位移愈小，但当支撑截面大于1.0 m×1.0 m时，支撑刚度的增加对支护桩位移的约束效应已不再明显。