土岩组合地层异形深基坑支护体系优化研究

吉艳雷

（陕西省铁道及地下交通工程重点实验室（中铁一院），陕西西安 710043）

0 引言

随着城市的开发建设，基坑工程规模不断变大，周边环境也日益复杂，对支护结构自身安全及周边环境的保护要求越来越高[1]。基坑支护的费用在地下空间开发费用的占比较大，基坑支护的经济性、施工便捷性同样十分重要，因此基坑支护的优化一直是学者研究的热点。

冯阵图等[2]针对砂卵石地层基于限定位移和安全系数对支护嵌入比作了优化分析；陈 江等[3]对软土地区基坑内支撑水平、竖向间距的调整进行了优化分析；陈金铭等[4]对液压伺服钢支撑与普通钢支撑的支撑效果进行了监测及数值模拟对比分析；丰土根等[5]研究了悬挂式基坑连续墙的厚度、埋深对受力的影响，寻求合理值优化施工方案；朱 纯等[6]通过数值模拟分析既有建筑两侧非对称基坑开挖顺序对建筑结构的影响；贺振昭等[7]针对不同支撑数量对基坑系统支护结构的刚度和变形影响进行了数值模拟和监测验证；杨欢欢等[8]针对富砂地层围护结构对地表沉降影响因素进行分析，提出合理支护桩插入比和间距；陶 勇等[9]针对深度、面积差别较大的两相邻基坑进行开挖数值模拟研究，提出合理开挖顺序；李文广[10]采用数值模拟对某地铁基坑围护桩间距、直径、配筋进行了优化验证。

土岩组合基坑地层上软下硬，上部土层地下水丰富，下部岩石开挖困难，关于其支护体系变形特性的研究尚不成熟。宫志群等[11]采用数值模拟探究不同刚度放大系数和施工顺序下土岩二元地层基坑变形的空间效应；白晓宇等[12]通过有限元模拟和现场监测相结合的方法探讨土岩组合深基坑中围护桩、钢支撑与锚索组合支护体系的协同作用及基坑变形规律；雷 刚等[13]对土岩组合地层明挖基坑桩撑体系位置、间距进行优化分析；张楠[14]结合两个车站基坑监测数据对土岩组合基坑侧向变形特性规律进行了分析；李克先等[15]采用监测+数值分析研究了青岛地铁某上软下硬地层规则基坑开挖土体受力及变形分布规律和桩撑体系变形规律。

目前研究多集中在基坑支护体系布置和开挖工法的优化，或者土岩组合地层规则基坑的支护受力分析，针对敏感环境下土岩组合不等深基坑的支护型式及力学特性研究不多。为此，本文针对某土岩组合地层深大异形基坑工程面临的实际难题，对支护体系提出优化方案，并通过三维数值分析和现场监测验证了方案的可行性，节约了工期和投资。研究成果可为类似工程提供参考。

1 工程概况

某明挖隧道位于佛山市顺德区，隧道基坑长3620 m，基坑最大宽度36.1 m，基坑大面深度约17.1 m，局部深度约27.9 m。隧道基坑周边环境复杂，两侧分布有3～5 层旧民房、河涌、鱼塘及管线等。工程总平面布置见图1。

图1 工程总平面图

场地地层自地表向下依次为杂填土①2层，平均厚度3.9 m；细砂③1层，平均厚度5.8 m；粗砂③4层，平均厚度5.6 m；强风化泥质砂岩⑦2层，平均层厚2.95 m；下部为弱风化泥质砂岩⑦3层。场地地下水位平均埋深约为1.9 m。

2 异形基坑支护方案优化

2.1 原设计方案

本文选取一段异形基坑进行支护体系研究，本段基坑长度约150 m，基坑宽度36.1 m，大面深度约17.1 m，局部深度约27.9 m。基坑开挖范围存在深厚砂层，地下水位较高且水量丰富，基坑周边有大量民房和地下管线等。综合考虑，基坑侧壁安全等级为一级。

基坑支护整体上采用1000 mm 厚连续墙+4 道钢筋混凝土内支撑，坑中坑内侧竖向支护结构采用ϕ1000@1200 mm 支护桩，深坑段加设2 道钢管支撑，地下连续墙底嵌入坑底以下砂岩不少于0.2H（H为基坑深度）。混凝土支撑截面尺寸为800 mm×800 mm，水平间距6.0 m，沿基坑走向设两排临时钢立柱；钢管支撑均采用ϕ609×16 mm 钢管，水平间距3.0 m。基坑支护剖面见图2。

图2 原方案基坑A-A 剖面图（单位：mm）

由于隧道明挖段地面征地拆迁滞后，导致工期紧张，同时基于以下原因需对原支护体系进行优化。

（1）坑中坑内侧竖向支护钻孔灌注桩成孔速度慢，上部存在大量空钻，成桩质量难以控制，工期长且施工成本高；

（2）上部大基坑全部采用混凝土支撑，养护时间长，影响下部基坑开挖，且后期拆除不方便；

（3）补充勘察显示基坑深坑段地层以弱风化泥质砂岩为主，地质条件较好。

2.2 基坑优化方案

本段基坑下部弱风化岩层呈中厚层状分布，饱和单轴抗压强度标准值约10 MPa，综合考虑，拟对本段基坑采取以下优化措施：

（1）减小地下连续墙嵌岩深度。

（2）将第3、4 道砼支撑调整为ϕ609×16 mm 钢管支撑，钢管支撑间距为3 m。

（3）取消坑中坑内侧支护桩，侧壁改用锚喷支护，深坑段设一道ϕ609×16 mm 钢支撑及一道钢倒换撑。锚喷支护采用22a 工字钢架+单层钢筋网+280 mm厚C25 喷射砼，钢架纵向间距1 m，设ϕ22 mm 纵向连接筋，锚杆直径22 mm，长度3.5 m，间距1.5 m×1.5 m。

（4）锚喷支护段如遇有渗水，采取钢花管静压注浆止水。

优化后基坑支护剖面见图3。

图3 优化后基坑A-A 剖面图(单位：mm)

3 三维有限元模拟分析

3.1 模型建立及参数选取

为获得基坑的力学特性，分析基坑开挖对既有建筑的安全影响，验证优化方案的可行性，采用Midas GTS NX 有限元软件对基坑开挖过程进行数值模拟。土体采用修正莫尔-库仑本构模型，基坑冠（腰）梁、混凝土支撑、建筑物梁柱、中立柱均采用梁单元模拟，钢支撑、锚杆采用桁架单元模拟，连续墙采用板单元模拟，支护桩采用等效厚度板单元模拟[3，11]，型钢喷混采用等效抗弯刚度板单元模拟。基坑超载按20 kPa 考虑。

有限元模型如图4 所示，物理力学参数见表1。

表1 主要物理力学参数

图4 计算模型

3.2 计算工况

模拟实际施工顺序，分层进行土石方开挖、支撑架设。主要施工工况见表2。

表2 主要施工工况

3.3 计算结果分析

（1）连续墙变形

地下连续墙体的水平位移分布及最大值能够直观反映基坑安全性，图5 为开挖至坑底时连续墙水平位移随埋深的变化曲线。由于异形基坑开挖的不对称性，围护结构的位移并不呈现对称性，基坑左侧（深坑侧）开挖后墙体水平变形最大值发生在第四道支撑附近，最大值4.2 mm，连续墙身最大水平位移发生在土岩分界面上约5 m 处，最大值为浅基坑深度的0.025%；基坑右侧（浅坑侧）连续墙最大位移2.5 mm，发生在第二道支撑附近。优化方案因采用加密的钢支撑使得上部大基坑段浅基坑侧的墙身位移有所减少，下部小基坑段采用喷锚+支撑围护后对围护墙约束变弱，下部墙身变形有所增加，但整体值较小，小于报警值20 mm，表明基坑下部岩层对基坑变形的约束明显。

图5 左右侧连续墙身变形随深度变化曲线

（2）地表沉降

基坑开挖至底部时坑外地表沉降槽分布曲线见图6。由图6 可知，优化前后地表沉降曲线形态变化不大，地表沉降最大值约16 mm，最大值发生在基坑右侧（浅坑侧），最大值距离基坑边约3 m，左侧沉降主要影响范围为基坑外侧约30 m，右侧基坑沉降影响范围为基坑外侧26 m，沉降值均小于报警值30 mm。说明岩层段基坑支护的调整对地表软土层的沉降分布影响不大。

图6 坑外地表沉降曲线

（3）支撑轴力优化前后两方案的支撑轴力见表3。由表3 可知，各支撑在开挖过程中的最大轴力均未超过其控制值的80%，支撑轴力均在安全范围内。

表3 支撑轴力

（4）周边建筑物变形

优化前后两方案基坑施工至坑底时引起的周边建筑物沉降见图7，优化后方案建筑的沉降有所增加，但总体量值较小，最大沉降值2.5 mm，小于30 mm，同时不均匀沉降小于允许值4 mm。

图7 周边建筑物竖向沉降

（5）坑底隆起

经计算，原方案坑底隆起最大值为2.9 mm，发生在大基坑底部中部位置，大基坑底隆起主要影响深度约9 m，小基坑底隆起主要影响范围约2.4 m；优化方案坑底隆起最大值为4.6 mm，发生在靠近小基坑顶，坑底隆起主要影响范围约17 m，小基坑底隆起主要影响范围约4.8 m，影响区呈现连通态势，隆起值均小于控制值30 mm，主要影响区外的隆起值均小于1 mm。

坑外沉降沿深度呈漏斗状，下部小基坑位于岩层地段，沉降槽宽度明显衰减。原方案因坑中坑基坑右侧设置了围护桩对坑底隆起有一定隔断缓解作用，限制了大小基坑隆起的连通。

（6）锚杆轴力

优化方案下部小基坑喷锚支护侧锚杆轴力计算值为48.4～50.2 kN，小于控制值100 kN，锚杆对控制基坑水平位移起到了积极作用。

（7）冠梁顶部水平位移

优化前后冠梁侧向变形曲线形态变化不大，基坑两侧冠梁水平位移不对称，最大水平位移值为4 mm，发生在基坑右侧（浅坑侧），小于控制值15 mm。冠 梁侧向水平位移随开挖工况变化曲线见图8。

图8 冠梁水平位移曲线

4 现场施工效果

4.1 现场监测

基坑按优化后的设计方案实施，2016 年10 月基坑开始开挖，2017 年4 月施工至坑底，监测数据显示各项监测指标均小于控制值，满足设计要求。基坑地表沉降观测曲线如图9 所示，该段基坑周边地表沉降最大值发生在基坑右边，最大沉降量12 mm，基坑左侧最大沉降量7.8 mm，与数值模拟量值基本一致。

图9 基坑边地表最大沉降观测曲线

该段基坑支撑轴力测点的观测数据见图10。由图10 可知，第一道混凝土支撑的最大轴力为610 kN，小于轴力控制值1160.8 kN；第二道混凝土支撑的最大轴力为2504 kN，小于轴力控制值4729.1 kN；第三道钢支撑的最大轴力为420 kN，小于控制值2156.8 kN；第四道钢支撑最大轴力为594 kN，小于控制值2019.2 kN。与数值模拟相比，第二道混凝土支撑轴力差异略大，其余轴力观测值与计算值接近。

图10 支撑轴力观测曲线

该段基坑冠梁顶水平位移监测最大值6 mm，位于浅基坑一侧，邻近建筑物最大沉降观测值5.9 mm，与数值模拟结果量值基本一致，均在控制值范围内。

4.2 经济性及实施效果

经测算，本段基坑优化方案共节约工程造价约770 万元，经济效果显著。同时，优化方案取消了坑中坑内侧支护桩，下部基坑施工作业空间加大，便于土石方外运，节约工期约3 个月，工期效益明显。连续墙+喷锚+内撑体系起到了良好的挡土止水效果。基坑开挖实施效果见图11。

图11 现场实施效果图

5 结论

（1）土岩组合地层基坑，下部岩层对围护结构侧向变形和坑外地表沉降槽影响范围的约束作用明显。

（2）土岩组合地层不等深异形基坑整体变形不对称，地表最大沉降和冠梁最大水平位移发生在浅基坑侧。连续墙最大水平位移发生在土岩分界面以上一定高度。

（3）工程实践与基坑监测表明，本基坑支护体系优化方案合理，节约了工期和造价，可为类似基坑工程提供参考。