何德海

（建材天水地質(zhì)工程勘察院有限公司，甘肅 天水 741000）

0 引言

基坑支護(hù)是指為保護(hù)地下主體結(jié)構(gòu)施工和基坑周邊環(huán)境的安全，對(duì)基坑采取的臨時(shí)性支擋、加固、保護(hù)和地下水控制措施[1]。近些年隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，高層建筑及地鐵車站建設(shè)大量涌現(xiàn)，多數(shù)基坑施工條件較苛刻，會(huì)受到相鄰建（構(gòu)）筑物沉降控制要求限制，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，稍有不慎極易釀成事故，如2005年北京地鐵10號(hào)線某處車站基坑發(fā)生坍塌，四周圍護(hù)樁全部?jī)A倒，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[2]。

為保證基坑施工安全，眾多學(xué)者對(duì)于基坑支護(hù)進(jìn)行了深入研究。

1）基坑沉降及位移 孫鈞[3]以地下連續(xù)墻基坑為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)際工程監(jiān)測(cè)與理論分析，總結(jié)基坑開(kāi)挖引起坑外地表沉降的原因。侯學(xué)侯淵等[4]認(rèn)為地表沉降曲線可分為“三角形”“拋物線形”。徐中華[5]在分析大量基坑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上得出:圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移值介于（0.25%～0.55%）H，基本位于開(kāi)挖面附近。徐娜等[6]在分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn):地下連續(xù)墻水平位移最大值約為基坑深度的0.35%；墻后土體沉降曲線呈“√”形狀。

2）數(shù)值模擬 朱彥鵬等[7]采用FLAC3D軟件對(duì)蘭州地鐵某基坑施工過(guò)程進(jìn)行模擬后得出:樁體水平位移最大值出現(xiàn)的位置不斷向下移動(dòng)，在施加鋼支撐后，鉆孔灌注樁的水平位移曲線呈兩端變形小、中間變形大的特點(diǎn)。周勇等[8]則采用Midas有限元軟件研究車站深基坑在降低水位條件下的滲流穩(wěn)定性，其結(jié)果顯示:在降水條件下開(kāi)挖基坑，隨著不斷向下開(kāi)挖，鉆孔灌注樁水平位移呈中間增幅大、兩端增幅小的特點(diǎn)，樁體最大水平位移通常出現(xiàn)在（1/2～2/3）H處。

3）本構(gòu)模型 劉帥君[9]采用多種模型對(duì)基坑降水開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值分析后得出:修正劍橋模型計(jì)算得出的地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移值更合理。董林偉[10]也認(rèn)為修正劍橋模型可較好地克服因屈服面有棱角而引起的數(shù)值計(jì)算變復(fù)雜和收斂變慢的問(wèn)題。王清等[11]以修正劍橋模型為基礎(chǔ)，增加了接觸單元和桿單元，模擬計(jì)算了基坑開(kāi)挖引起的地表沉降、坑底隆起和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，在一定程度上印證了該模型在基坑工程中的適用性。

在實(shí)際工程中，基坑工程支護(hù)是否合理可靠至關(guān)重要。本文以甘谷雄飛·像山明珠2棟高層建筑基坑支護(hù)為例，通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證基坑設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 工程概況

擬建雄飛·像山明珠項(xiàng)目為2棟高層建筑，位于甘肅省天水市甘谷縣成關(guān)鎮(zhèn)西環(huán)路北側(cè)。1號(hào)樓地下2層，地上13層，建筑高度47.50m；2號(hào)樓地下2層，地上18層，建筑高度55.10m；高層建筑帶有3層裙房；總建筑面積21 062.25m2。1號(hào)樓為鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；2號(hào)樓為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)；裙房及地下車庫(kù)均為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

1.1 工程環(huán)境條件

基坑平面布置如圖1所示，基坑南北最長(zhǎng)約80m，東西最寬約45m，基底開(kāi)挖標(biāo)高-10.500m，受地形影響，實(shí)際開(kāi)挖深度6.1～10.5m，基坑周邊情況如下。1）北側(cè) AB段建筑外墻線距離3層磚房約5.8m。2）南側(cè) FG段建筑外墻線距已建道路約4.20m。3）西側(cè) GH、HA段建筑外墻線距規(guī)劃道路約5.0m，距18層住宅樓約10.0m。

4）東側(cè) BC段建筑外墻線距3層磚房約3.50m和1層磚房（上加1層彩鋼房）約4.60m；CD段建筑外墻線距1層磚房（上加1層彩鋼房）最近處約5.0m；DE段建筑外墻線距圍墻約6.0m；EF段建筑外墻線距2層磚房約1.50m。

1.2 工程地質(zhì)概況

該項(xiàng)目場(chǎng)地整體地形平坦，地面標(biāo)高介于1297.990～1 300.230m，地面最大高差2.24m。場(chǎng)地地貌單元屬小沙溝河洪積扇和渭河南岸Ⅱ級(jí)階地的復(fù)合部位。根據(jù)擬建場(chǎng)地勘察報(bào)告，勘測(cè)范圍內(nèi)地層主要由雜填土層、砂土夾圓礫層、粉質(zhì)黏土層、圓礫層組成。場(chǎng)地內(nèi)的地下水類型為潛水，主要賦存于第4層圓礫中，受大氣降水和地表水下滲補(bǔ)給，向西北方向徑流；地下水埋深30.15～31.80m，因此可不考慮地下水對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。土層分布范圍及特性如表1所示。

表1 土層分布范圍及特性

2 基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)

由圖1可知，基坑平面呈不規(guī)則形狀，且周圍存在已建民居。為在基坑開(kāi)挖時(shí)不引起周圍已有建筑物過(guò)大沉降，同時(shí)為節(jié)約成本，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)將采取“因地制宜”的設(shè)計(jì)理念，視基坑周圍具體情況采取對(duì)應(yīng)措施進(jìn)行加固。支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用PKPM施工軟件4.0和理正深基坑7.0計(jì)算，最終設(shè)計(jì)結(jié)果如下。

1）基坑支護(hù)北側(cè)AB段、東側(cè)DE段和西側(cè)GH、HA段有一定放坡條件，采用土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)?；ü芡玲斁耘c水平向15°夾角斜向下打入土中，花管土釘長(zhǎng)6m，AB和DE段直徑0.05m，GH、HA段直徑為0.048m。

其中AB段邊坡坡度1∶0.3，共3排土釘，第1排土釘設(shè)置在距坡頂以下約2.5m處，其余土釘分別位于距上一排土釘1.50m和1.44m處；DE段邊坡坡度1∶0.4，第1排土釘位于坡頂以下約2.0m處，其余土釘與上一排土釘?shù)呢Q向距離分別為 1.53，1.40，1.47m。

GH段邊坡坡度為1∶0.4，共4排土釘，第1排土釘設(shè)置在坡頂以下約2.5m處，其余土釘與上一排土釘?shù)呢Q向距離分別為1.48，1.46，1.48m；HA段邊坡坡度仍為1∶0.4，共3排土釘，其余土釘與上一排土釘距離分別為1.36，1.58m。

2）基坑?xùn)|側(cè)BC、CD、EF段基坑附近主要毗鄰已有建筑物，不具備放坡條件，故采用拉錨式鋼管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)。

此處開(kāi)挖深度6.1m，基坑側(cè)壁采用Q235 140mm×4mm錨拉式雙排鋼管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，鋼管樁壁厚不小于4.0mm，長(zhǎng)10m，嵌固深度3.90m，外露6.10m。樁端進(jìn)入砂土夾圓礫層；BC段樁排距和樁間距均為0.5m，CD段樁排距為0.5m、樁間距為0.8m，鋼管樁樁身內(nèi)外采用32.5R水泥漿灌注，水灰比0.5。鋼管支護(hù)樁樁頂通長(zhǎng)設(shè)置300mm×200mm冠梁，前排樁和后排樁設(shè)置300mm×20mm連梁，使各支護(hù)樁連接在一起形成整體。

BC、CD段在樁頂以下-3.0m處選用1根 28的HRB400級(jí)鋼筋作1排預(yù)應(yīng)力錨桿，長(zhǎng)9.0m，其中BC段水平間距1.5m，CD段水平間距1.6m，入射角均為15°；選用1根［18a作為腰梁與預(yù)應(yīng)力錨桿連接。

基坑?xùn)|側(cè)EF段仍采用拉錨式鋼管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)。開(kāi)挖深度-8.0m，基坑側(cè)壁采用Q235 140mm×4mm拉錨式雙排鋼管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，鋼管樁壁厚不小于4.0mm，長(zhǎng)13m（樁端進(jìn)入砂土夾圓礫層），嵌固深度6.50m，外露6.50m，樁排距為0.5m，樁間距為0.6m，鋼管樁樁身內(nèi)外采用32.5R水泥漿灌注，水灰比0.5。鋼管支護(hù)樁樁頂通長(zhǎng)設(shè)置300mm×20mm冠梁，前排樁和后排樁設(shè)置300mm×200mm梁，使各支護(hù)樁連接在一起形成整體。

在樁頂以下-2.0，-4.0m處分別選用1根 28的HRB400級(jí)鋼筋制作2排預(yù)應(yīng)力錨桿，長(zhǎng)度均為9.0m，水平間距均為1.80m，入射角15°；選用1根［18a作為腰梁與預(yù)應(yīng)力錨桿連接。錨桿采用機(jī)械鉆孔，成孔直徑130mm，注漿材料用水泥漿，水灰比為1∶0.5，注漿壓力為0.6MPa。

樁外側(cè)噴射80mm厚C20混凝土面層，噴射混凝土骨料最大粒徑不大于16mm，水灰比宜為1∶0.5。混凝土護(hù)面鋼筋網(wǎng)為單層雙向設(shè)置，網(wǎng)片鋼筋采用 6.5HPB300級(jí)鋼筋，間距250mm×250mm，接頭宜綁扎搭接，搭接長(zhǎng)度不小于200mm，鋼筋網(wǎng)伸至坑底。

3）基坑南側(cè)fg段 考慮到基坑開(kāi)挖將影響西環(huán)路的穩(wěn)定性且放坡空間較小，宜采用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)。

基坑南側(cè)邊坡采用1排預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)+排樁支護(hù)體系進(jìn)行支護(hù)。支護(hù)樁樁徑800mm，樁間距2.0m，支護(hù)樁樁長(zhǎng)13.0m，支護(hù)樁樁頂通長(zhǎng)設(shè)置800mm×500mm冠梁，使各支護(hù)樁連接在一起形成整體。

在樁頂以下2.50m處設(shè)置1排預(yù)應(yīng)力錨桿，長(zhǎng)度15.0m，預(yù)應(yīng)力錨桿孔徑130mm，自由長(zhǎng)度5.0m，水平間距2.0m，入射角15°；錨桿桿體為 28鋼筋錨桿，選用1根［18a作為腰梁與預(yù)應(yīng)力錨桿連接。

4）基坑南側(cè)Ff、gG段有一定放坡條件，但基坑深度較大，采用復(fù)合土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。邊坡坡度1∶0.3；花管土釘與預(yù)應(yīng)力錨桿交替布置，共5排。第1層土釘距坡頂豎向距離為1.77m，其后每層土釘（或預(yù)應(yīng)力錨桿）與上層土釘（或預(yù)應(yīng)力錨桿）的豎向距離分別為1.50，1.45，1.48，1.52m。

3 基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬研究

3.1 模型參數(shù)

上述基坑支護(hù)方案均經(jīng)過(guò)計(jì)算軟件驗(yàn)算得出，現(xiàn)對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，數(shù)值計(jì)算所需參數(shù)如表2，3所示。

為消除邊界效應(yīng)影響，選取合適的模型尺寸至關(guān)重要。吳桐等[12-14]認(rèn)為開(kāi)挖影響范圍為基坑開(kāi)挖深度的2～3倍較為合理，故基坑模型最終尺寸確定為186m（長(zhǎng)）×113m（寬）×35m（高）?；又車慕ㄖ镒灾夭捎迷诮ㄖ飿痘驕\基礎(chǔ)上添加豎向軸力或均布力的方式模擬，不考慮建筑物本身剛度的影響。模型土體采用3D實(shí)體單元模擬；土釘、預(yù)應(yīng)力錨桿、鋼腰梁、鋼管灌注樁及混凝土樁均采用1D植入式桁架單元模擬；基坑內(nèi)側(cè)噴射混凝土層采用2D板單元模擬。

基坑在開(kāi)挖前首先進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，隨后激活各個(gè)樁構(gòu)件（模擬打樁過(guò)程）。緊接著分層開(kāi)挖基坑土體并分層施作相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)，直至基坑開(kāi)挖到預(yù)定深度。模型建成后的基坑平面如圖3所示。

3.2 結(jié)果分析

在實(shí)際工程中，考慮到所有支護(hù)結(jié)構(gòu)最終會(huì)被噴射混凝土層覆蓋，所以本次數(shù)值模擬主要研究基坑內(nèi)側(cè)噴射混凝土層頂部的位移結(jié)果，并以此判斷實(shí)際工程中基坑支護(hù)效果。

表2 土體物理力學(xué)參數(shù)

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

圖3 數(shù)值模擬基坑平面

圖2 Ff與gG段復(fù)合土釘墻剖面

由第1層土開(kāi)挖后基坑總位移云圖可以看出，首層土體開(kāi)挖結(jié)束后基坑內(nèi)底部土體產(chǎn)生上拱，最大隆起位移約7.6mm，這是由于上部土體開(kāi)挖卸荷所致。

同樣在基坑開(kāi)挖結(jié)束后地面也發(fā)生隆起現(xiàn)象，最大隆起位移為60mm。開(kāi)挖引起的土體位移主要集中在基坑周邊，對(duì)于遠(yuǎn)離基坑周圍的土體基本沒(méi)有影響。

現(xiàn)實(shí)中考慮到基坑開(kāi)挖后放置時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)在施工過(guò)程中及基坑放置期間加強(qiáng)周邊地面及基坑頂部的沉降位移觀測(cè)，隨時(shí)掌握沉降位移發(fā)生量及變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)異常情況立即停止，查清原因后及時(shí)解決。實(shí)際工程中基坑位移監(jiān)測(cè)報(bào)警值如表4所示。數(shù)值模擬計(jì)算完成后提取相應(yīng)的位移云圖與表中預(yù)警值進(jìn)行比對(duì)，以驗(yàn)證實(shí)際工程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)是否安全合理。

表4 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)報(bào)警值

由基坑內(nèi)側(cè)噴射混凝土層水平位移云圖可知，噴射混凝土層頂部最終的收斂位移均非常小，水平收斂位移普遍在13mm以內(nèi)，遠(yuǎn)小于表4中的墻（坡）頂水平位移監(jiān)測(cè)報(bào)警值。

水平收斂位移最大值位于BC段雙排鋼管樁的下部，最大位移約24.7mm，仍小于土釘墻或支護(hù)樁的水平位移報(bào)警值。所以，通過(guò)數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析得出:基坑開(kāi)挖所采取的支護(hù)措施，在控制水平收斂方面合理有效。

由基坑內(nèi)側(cè)噴射混凝土層豎向位移云圖可知:基坑噴射混凝土層頂部豎向位移數(shù)值普遍在5.6～15.6mm，滿足表4中的有關(guān)要求。豎向位移最大值在DE（土釘墻）段靠近坑底位置，最大值約22.2mm，仍滿足土釘墻或支護(hù)樁的豎向位移要求。

綜上所述，在該基坑支護(hù)方案條件下，噴射混凝土層頂部的水平、豎向位移均滿足安全施工要求。

4 技術(shù)創(chuàng)新

由以上基坑支護(hù)方案可知:基坑?xùn)|側(cè)存在建筑物地段采用鋼管樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)，但如何選擇合理的材料填充鋼管樁內(nèi)部值得研究與探討。一般來(lái)說(shuō)，鋼管樁內(nèi)部常見(jiàn)的填充材料為混凝土或水泥漿，而水泥漿的流動(dòng)性顯然更好?？紤]到砂土夾圓礫層是基坑開(kāi)挖面的主要土層，并且黏聚力極低，較松散。選擇水泥漿填充正好可利用其良好的流動(dòng)性，在增強(qiáng)鋼管樁剛度的同時(shí)也可加固松散地層（在鋼管周圍鉆孔使水泥漿易于流入土層），提高土層的自穩(wěn)能力。因此，相較混凝土來(lái)說(shuō)，采用水泥漿填充顯然是更好的加固方法。

5 結(jié)語(yǔ)

1）本基坑開(kāi)挖工程在考慮基坑周圍建筑情況及經(jīng)濟(jì)技術(shù)等方面的要求后，根據(jù)不同支護(hù)要求采取分段獨(dú)立設(shè)計(jì)的方法，完成了基坑支護(hù)設(shè)計(jì)。并針對(duì)砂土夾圓礫層黏聚力極低、較松散的特殊情況，將填充料由混凝土改為水泥漿，不僅增加了鋼管樁的剛度，同時(shí)也增強(qiáng)了松散地層的自穩(wěn)能力。

2）通過(guò)Midas有限元軟件模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程，主要研究基坑內(nèi)側(cè)噴射混凝土層頂部的水平收斂位移及豎向位移，水平收斂位移普遍在13mm左右，豎向位移普遍在5.6～15.6mm，滿足監(jiān)測(cè)報(bào)警值要求。因此，本工程所采取的支護(hù)措施安全有效。