基于FLAC 3D 下水工建筑基坑工程支护结构设计研究

刘 丽，李加顺

（云南省水利水电科学研究院，云南昆明，650228）

0 引 言

基坑工程在水利、建筑、交通等行业[1，2]中较为常见，其安全可靠性受基坑开挖施工技术、支护方案以及场地等因素影响。陈美香[3]、丰土根等[4]由基坑监测与模拟计算对比结果，对基坑沉降、桩体位移开展了数据分析，评价了基坑支护方案优化方向，并评价仿真计算可靠性。排桩或灌注桩在基坑支护结构中较为常见，其桩体工艺参数会影响基坑变形，一些学者利用仿真计算方法，对桩径[5]、桩间距[6]以及入岩深度[7]等设计参数开展了对比分析，由基坑沉降、桩体位移等变形参数，评价桩体设计参数最优化，为实际工程建设提供计算依据。不同支护结构方案下，基坑变形势必会有所差异，林一萍[8]、李旭[9]认为基坑工程支护方案的遴选，不仅需要考虑基坑安全可靠性，也要综合比对经济性以及施工周期等，从多因素多维度评价基坑支护方案的适宜性，为基坑支护设计提供了理论参考。本文为研究香炉山输水隧洞泵闸工程基坑支护方案可靠性，比对了四种典型支护结构型式，并优化了支护结构工艺参数，为支护方案设计提供参考。

1 工程概况

滇中引水工程面向滇中地区农业灌溉、生活供水调度，规划全线路为664.24km，采用明、暗渠输水设计，全线包括了58 座输水隧洞，隧洞占比超过90%，最大的深埋隧洞属香炉山隧洞口，位于鹤庆与剑川两县接壤处，埋深可达1450m，全长为62.6km，洞顶、底高差达349m。通过输水支渠的建设，可惠及鹤庆、剑川两县的农业生产，据估算，香炉山隧洞在一、二期规划投入运营后，最大输水能力可达120m3/s，同时该隧洞也可作为滇南地区泄洪、排涝的重要通道，有利于在全境内形成梯级水利调度枢纽。作为滇中引水工程上重要一环，香炉山输水隧洞的安全可靠性不言而喻，同时也考虑输水隧洞的全天候实时性，在香炉山隧洞口南侧规划修建有泵闸枢纽，位于K8+128 处，以此作为输水隧洞流量调节补充。虽泵闸工程的建设可加强香炉山输水隧洞的水利调节作用，但隧洞南侧分布有软岩断裂带区，区域内的地质构造断裂带分布着夹泥质砂岩、软弱泥岩等，地质构造复杂。从香炉山泵闸枢纽的建设难度考虑，软岩上覆淤泥质土、细砂土等，均无法较好满足持力层要求，特别是闸室外墙应力分布不均以及闸站基坑支护结构问题，限制泵室进水池最宽处仅为2.6m，无法有效起到“大口进水、小口调水”的设计价值，从设计角度考虑，平衡闸站外墙应力的重要举措乃是支护桩体，而面对香炉山隧洞复杂地质情况，不可忽视基坑支护桩体的安全可靠性。

2 研究方法

考虑香炉山输水隧洞泵闸枢纽基坑工程安全可靠性和基坑周边地形特征的前提下，面向不同基坑支护方案开展对比研究。考虑泵闸枢纽基坑工程实际，设计有放坡、灌注桩、咬合桩以及格构柱的复合支护结构型式，各结构材料参数如表1 所示。从该复合支护结构型式考虑，属内支撑支护结构，如图1（a）所示。若改变腰梁、格构柱的分布，在内侧仅存在有灌注桩与咬合桩体，则为悬臂式支护结构；或是对两侧咬合桩进行预应力锚索加固，设置有土层锚拉式结构，则演变成锚拉式复合支护结构，如图1（b）所示；或是更换咬合桩为高压旋喷桩，其他放坡坡度、高度不变，围护桩体桩长、桩径均不变，分别为19m、1.2m，其支护结构型式本质上属排桩围护复合结构，如图1（c）所示。

表1 支护结构参数明细

图1 基坑支护典型方案

利用FLAC 3D 仿真软件建立起基坑开挖模型，并按照开挖深度梯次进行，共设置有七个开挖深度，依次为-7m、-9m、-11.5m、-13m、-15m、-17m、-18.5m，开挖施工时间为20d，后期基础桩等施工时间为60d，基础施工计划周期为80d。结合香炉山输水隧洞口K8+128现状，建立起三维基坑模型，如图2（a），该模型设定的基坑影响范围分别为300m×300m×50m，囊括泵闸枢纽工程的全部基坑范围，图2（b）（c）为其中代表型开挖深度-7m、深度-15m 时的三维模型特征。

图2 计算模型

基坑计算模型中按照香炉山隧洞南侧分布岩土体现状，分别设定覆盖土层为泥质砂土，下部基岩为泥质砂岩，模型范围内厚度分布为3.4～27.5m，密度为2.15g/cm3，采用修正M-C 准则进行本构体代换。计算模型中共有计算网格432 682 个，节点数388 726 个，支护结构以及开挖面作为网格加密区，计算精度均超过98%，如图3。对比图1 中四个不同支护结构型式，分别为内支撑型式（1#方案）、悬臂式（2#方案）、土层锚拉式（3#方案）、排桩围护复合式（4#方案），由各方案下基坑变形、泵闸沉降以及桩体自身位移等特征，评价支护结构方案的适配性。

图3 划分网格后基坑模型

3 结果与分析

3.1 不同支护结构型式基坑沉降特征分析

基于四种不同支护结构型式下基坑变形计算，获得了各开挖施工节点处基坑沉降特征，如图4。由图4可看出，不论何种支护结构型式，基坑沉降总体上呈“先陡增至峰值，后缓降至稳定”状态，四种支护结构型式的峰值沉降所在节点有所差异，内支撑支护结构方案在施工第10d，而悬臂式支护结构、土层锚拉式结构方案下峰值沉降分别为20.2mm、16.7mm，位于施工第7d，排桩围护复合结构方案下峰值沉降所在施工节点接近内支撑支护结构方案，位于第14.5d。在基坑施工15d 后，基坑沉降已达稳定，内支撑支护结构方案下基坑峰值沉降降低至稳定沉降水平，历时5d，而土层锚拉式、悬臂式支护两方案历时最长，达10d，排桩围护复合方案下达5d。对比可知，不同支护结构型式下，基坑开挖及运营期沉降变化特征大多类似，但支护结构型式会影响基坑沉降值与峰值沉降出现的时间节点[10，11]，也会改变基坑沉降稳定起始节点。

图4 各支护方案基坑沉降特征

对比四种支护结构型式下基坑沉降值，内支撑支护方案下全周期内沉降分别为5.5～8.8mm，峰值沉降为8.8mm，而悬臂式、土层锚拉式沉降较之前者分别提高了70.6%～172%、36.8%～126.2%，两者峰值沉降较之前者分别增大了1.3 倍、0.9 倍，而排桩围护复合方案下沉降分布在6.7～9.7mm。总体上看，内支撑支护、排桩围护复合结构方案下基坑沉降水平最低，对限制基坑沉降与稳定施工周期内基坑沉降具有更大的作用，此两支护型式可遴选为基坑支护方案。

3.2 不同支护结构型式闸站沉降特征分析

支护结构可靠性不仅需要探讨基坑沉降特征，针对开挖后泵闸枢纽运营期内的闸站沉降开展分析也有对比意义，图5 为四种不同支护结构型式下运营期600d 内闸站沉降特征，运营期0d 代表泵闸工程竣工时间点。从图5 可看出，四种不同支护结构型式下，闸站沉降变化特征有所差异，虽整体上闸站沉降均为递增变化，但不可忽视各支护结构型式方案下闸站沉降具有差异性增幅特点。悬臂式、土层锚拉式支护型式下分别在运营期第240d、400d 后出现更大的沉降增幅，在运营期0～240d，悬臂式支护型式的闸站沉降分布为10.5～11.1mm，平均每80d 下闸站沉降增长了1.9%，而在运营期240d 后平均增幅可达16.4%，同样土层锚拉式在运营期400d 前、后增幅分别为3.9%、34.5%。排桩围护复合与内支撑型式下闸站沉降增长较稳定，在运营期600d 内闸站沉降分别在5.4～10.1mm、3.7～5.7mm之间，平均增幅分别为9.3%、6.3%，以内支撑支护型式下控制闸站沉降较佳，运营期内沉降未有较明显突变。对比四种不同型式下闸站沉降特征，运营期600d 内，悬臂式、土层锚拉式支护型式下闸站沉降均值分别为13.8mm、10.2mm，而排桩围护复合型式、内支撑型式两者闸站沉降均值较之土层锚拉式下分别减少了25.1%、51.5%。综合支护结构型式下闸站沉降与基坑沉降特征，认为内支撑支护方案下应用效果最好。

图5 各支护方案闸站沉降特征

3.3 支护结构参数优化下基坑变形特征

若以内支撑结构为本工程基坑支护方案，内支撑支护型式中的灌注桩工艺参数还有待优化，以灌注桩间距参数L 为研究对象，分别设定为1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、4m 共六组方案，在该支护方案中闸站、基坑沉降均已知的前提下，分析支护结构位移特征。图6 为各灌注桩间距方案下桩体水平位移变化特征，桩体高度从桩顶（0m）至桩底（28m）延伸。

图6 各桩间距方案下桩体水平位移特征

由图6 可看出，不同灌注桩间距方案下，桩身水平位移变化特征具有类似性，均为缓增长至稳定状态。在灌注桩间距1.5～3m 方案内，从桩顶至桩底，桩体水平位移达到稳定段的增幅分别为88.6%～125.5%，灌注桩间距愈大，桩体水平位移增幅愈大，且达到稳定段水平位移愈靠近桩底，桩间距1.5m 方案下桩体水平位移增幅段位于桩身0.5～11.5m，而桩间距2.5m、3m 方案下分别位于桩身16.5m、22m。当桩间距愈大，桩体水平位移整体上呈增大，如同为桩身14m 处，桩间距1.5m、2m 方案下水平位移为5.4mm、8.2mm，而桩间距2.5m、3.5m方案下相同桩身处水平位移较之1.5m 下分别提高了1.3 倍、5.1 倍，整体上桩间距梯次0.5m 变化，则桩身14m 处水平位移平均增大了9.1mm，增幅为57.8%。在桩间距1.5m、2m 方案内桩体水平位移稳定段分别为5.5mm、8.3mm，随桩间距每0.5m 增长，桩体水平位移稳定段平均提高了10.5mm，平均增幅为61.3%；而桩间距1.5～4m 方案内，桩体水平位移均值分布为4.5～47.1mm，各梯次方案内水平位移均值平均提高了61.1%。

具体分析来看，桩间距过大，会影响桩体水平位移发展，但过密桩间距不利于提高施工效率[3，12]，在桩间距1.5～2.5m 内，桩体水平位移受桩间距影响较小，位移稳定段以及位移均值均处于较弱敏感期，受桩间距梯次影响分别有增幅52.2%、53.3%，而桩间距超过3m 后，桩体水平位移整体增幅较大，如桩间距2.5～3m 时，桩体水平位移均值提高了1.1 倍。从灌注桩间距参数优化考虑，应设计间距参数L 不超过2.5m 更为适宜。

4 结 论

（1）各支护结构型式下基坑沉降变化一致，土层锚拉式、悬臂式支护两方案下基坑沉降达稳定段历时最长，内支撑与排桩围护复合方案下沉降分布最低，开挖施工期内两者沉降分别为5.5～8.8mm、6.7～9.7mm，此两方案对控制基坑沉降作用最显著。

（2）悬臂式、土层锚拉式支护型式分别在运营期第240d、400d 具有陡增的闸站沉降特征，内支撑与排桩围护复合方案下运营期闸站沉降增长较稳定，但以内支撑支护型式下沉降增幅以及沉降水平最小，适合作为该基坑支护方案。

（3）不同灌注桩间距方案下，桩体水平位移均为缓增至稳定特征；桩间距愈大，则桩体水平位移增长段变幅愈大；桩体水平位移值与桩间距为正相关，且在桩间距超过3m 后，桩体水平位移稳定段以及桩身位移均值增长更为显著。

（4）从基坑支护结构对比以及工艺参数优化考虑，选择内支撑支护方案，且灌注桩间距为2.5m 最适宜。