蔡興平， 邵永健

（蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011）

21 世紀被稱為地下空間的世紀，近20 多年來，我國地下空間的開發(fā)利用進入了全新的發(fā)展時期，地下空間的利用越來越普遍，有效緩解了城市土地資源緊缺的問題。 但隨著地下空間的開發(fā)利用，城市地下環(huán)境變得愈發(fā)復雜，軌道交通、地下管線等設施、建筑的存在使得新建基坑工程的支護難度大大提升。

基坑支護結構不同于建筑上部結構，地基土的物理性質、地下水及周邊環(huán)境等因素都將對支護結構的選型產生直接影響，因此基坑工程具有很強的地域性，很難去規(guī)定一些全國統(tǒng)一的具體做法，往往設計師的經驗對于方案的選擇有較大的影響。 合理選擇支護方式不僅能夠保證基坑的安全穩(wěn)定和保證周圍建筑、管線不受影響，還能有效節(jié)約工期和投資，具有重要的實際意義。

近年來，國內外諸多學者對基坑支護結構的選型進行了研究[1]，通過分析研究地質情況和基坑圍護結構的破壞，提出相應的控制變形方法；王增超、朱愛軍從基坑支護的重要性出發(fā)，將基坑支護結構分為四大類，并分別闡述了各類支護結構的優(yōu)點和適用性，結合基坑工程事故誘因，點明設計和施工中存在的問題[2]；來劉陽針對黃土地區(qū)的基坑支護方案優(yōu)選，選定了多個指標，構建基坑支護結構綜合評價體系，從而對基坑支護方案進行優(yōu)選[3]；張旭群等運用三維數(shù)值模擬的方法對鄰近隧道的基坑進行仿真開挖模擬，分析了基坑開挖后的變形情況，以此評估基坑開挖過程對鄰近隧道的影響[4-6]；王海波等研究了基于層次分析法決策理論的深基坑支護結構選型，使深基坑支護結構選型過程更科學合理、經濟可行[7-9]；何淵、廖英通過MATLAB 研究了模糊可靠度指標的計算方法，運用ABAQUS 建立土釘支護結構的三維有限元模型，研究了土釘?shù)呐挪紝τ谥ёo效果的影響[10]。

基于現(xiàn)有研究成果，本文以實際工程為依托，針對大面積深基坑的支護結構選型展開研究，通過有限元分析軟件來模擬基坑開挖過程，分析基坑開挖時圍護結構與周圍土體的變形情況，以期對類似基坑工程的支護結構設計與施工提供參考。

圖1 基坑平面圖

1 工程概況

1.1 工程地質條件

新建項目位于蘇州工業(yè)園區(qū)， 基坑規(guī)模較大且整體形狀不規(guī)則，基坑平面如圖1 所示。 項目設有兩層地下室，基坑開挖面積約為2.46 萬m2， 周長約670 m， 大面積開挖深度為10.55 m。 本場地96.3 m 以淺各土層（填土除外）由第四系晚更新世以來的沖湖積相沉積物組成，土層分布較穩(wěn)定，呈水平成層的特點。 基坑支護的設計使用年限為二年，根據(jù)基坑開挖深度、周邊環(huán)境條件等，確定基坑側壁安全等級為一級。

1.2 基坑主要特點與難點

基坑周邊環(huán)境條件較復雜?；訓|側、北側地下室外墻距用地紅線僅為5~5.2 m，紅線外的道路下設有多條地下管線；基坑南側有正在運營的軌道交通區(qū)間，其50 m 保護線已進入本基坑約6.5~11.3 m；西側地下室距離已建地鐵站約12.9 m。 基坑淺部填土層較厚，土質松散；基坑坑底有粉土、粉砂層，該土層為承壓含水層，滲透性較強，含水量較多。

綜上所述，基坑周圍可用空間少，基坑南側鄰近軌道交通，對基坑控制變形要求較高，在進行基坑支護結構的設計時需要著重考慮變形控制能力，同時需要滿足止水要求。

2 基坑支護結構設計分析

根據(jù)工程周圍環(huán)境條件及止水、施工要求，基坑支護結構形式可選用SMW（水泥土攪拌樁）工法樁、地下連續(xù)墻及鉆孔灌注樁等。

2.1 SMW 工法樁

SMW 工法樁又叫水泥土攪拌樁，20 世紀70 年代出現(xiàn)在日本， 通常使用三軸型鉆掘攪拌機垂直向下進行鉆掘，同時噴入水泥系強化劑與地基土充分拌合成樁，拌合完成后往樁中插入型鋼或鋼板，便形成了一排連續(xù)的、完整的、無縫的型鋼水泥土攪拌樁墻，能夠同時兼?zhèn)涓羲饔?，普遍適用于軟土地區(qū)。 該支護方式工藝較簡單，工期短，施工對周邊環(huán)境影響較小。 樁中的型鋼完工后可回收并回填混凝土，具有較好的經濟性。但SMW 工法樁墻的剛度較小，變形較大[11]。

2.2 地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻分為現(xiàn)澆和預制兩大類。 現(xiàn)澆地下連續(xù)墻一般是挖一段澆筑一段，槽段形式有壁板式、T 型和п 型等，可根據(jù)需要將各種形式的槽段進行組合，形成一道連續(xù)的鋼筋混凝土墻壁。 預制地下連續(xù)墻則是預先澆筑好各墻段，在挖好槽后插入墻段并將相鄰墻段采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土接頭連接成整體即可。 地下連續(xù)墻集止水防滲、擋土和承重于一體，具有剛度大、抗?jié)B止水、整體性好，安全性好等優(yōu)點；缺點是造價較其他支護形式高，僅在深度大的基坑中才具有較好的經濟性。 預制地下連續(xù)墻的制作與養(yǎng)護不占用工期，現(xiàn)場施工速度快，可以節(jié)省大量工期。 由于起重和吊裝的限制，墻段尺寸受限，只能用于6~7 m 的淺基坑。

2.3 鉆孔灌注樁

鉆孔灌注樁是現(xiàn)澆鋼筋混凝土樁，樁墻常見的布置形式主要有分離式排樁、雙排式排樁和咬合式排樁。分離式排樁是最常用、最簡單的形式。如對整體抗彎剛度和抗側移能力要求較高，則可以設置成前后雙排樁，并將前后排樁樁頂?shù)墓诹河脵M向連梁連接，形成雙排門架式擋土結構。 如有隔水需要，可在單排樁、雙排樁外側設置隔水帷幕。 若因場地限制，無法同時設置排樁和隔水帷幕時，可采用咬合式排樁形式，排列方式為緩凝素混凝土樁和鋼筋混凝土樁間隔布置，素混凝土樁先行柱列式布置，相鄰樁間隔小于后行的鋼筋混凝土樁樁徑。 先行樁初凝后切割掉與后行樁重合部分并澆筑后行鋼筋混凝土樁，完成后得到的咬合式排樁本身就具備較好的隔水性能。 鉆孔灌注樁的施工工藝已然成熟，施工簡便，對周邊環(huán)境影響較小，樁體剛度可根據(jù)具體要求靈活調整，造價經濟。

2.4 基坑支護方案的選擇

SMW 工法樁剛度較小，控制變形能力較差；雖然其經濟性較好，但如果工期超過8 個月，則施工過程中所用型鋼的租賃費用較高，導致總體造價將遠超鉆孔灌注樁支護的費用。

地下連續(xù)墻雖然有整體性好、剛度大、安全可靠等優(yōu)點，但用于本基坑工程所花費的造價遠高于其他支護形式，經濟性差。

鉆孔灌注樁整體剛度較大，控制變形能力較好，基坑開挖時對周圍環(huán)境的影響較小，施工工藝成熟。

結合實際情況，基坑對控制變形能力要求較高，并且基坑南側鄰近軌道交通，故南側的變形應控制在更小范圍內，更適合采用鉆孔灌注樁支護，同時鉆孔灌注樁可以與工程樁穿插施工，有利于整個工程的工期控制。 但鉆孔灌注樁外需要設置一道止水帷幕以滿足防滲止水要求。

3 檢驗基坑支護選型的合理性

3.1 構建層次分析模型

層次分析法（AHP）最早出現(xiàn)于美國，是一種綜合決策方法，將此方法運用于深基坑支護結構方案優(yōu)選，可以在一定程度上減少人為主觀因素影響，使方案決策更加科學合理。 本文將運用此方法，檢驗本文所研究項目中支護方案選取的合理性。

選取影響因素。 針對本次研究項目，從諸多影響因素中選取了整體穩(wěn)定性、結構強度、結構剛度、防滲止水能力、材料費、施工器械費、人工費、施工噪音、建筑垃圾、對周邊建筑和地下管線的影響、施工工期和施工難易程度等12 項指標，結合上文所述三種備選方案，構建如圖2 所示的層次結構模型。

3.2 層次單排序及其一致性檢驗

通過查閱文獻、專家調查相結合的方法[3，7-9]，采用1~9 標度法對各影響因素進行成對比較從而確定各影響因素的權重。 例如：構建如表1 所示的準則層對于目標層的判斷矩陣O-C，將矩陣中各個因素按表2 進行成對比較并填入量化值aij。

表1 判斷矩陣O-C

圖2 層次結構模型

表2 量化值aij 的取值依據(jù)

進行一致性檢驗。 計算判斷矩陣的最大特征值λmax=4.2051，并按照公式（1）、（2）計算CI 與CR 的值。

式中，n 為判斷矩陣的階數(shù)；RI 按表3 取值。

表3 平均隨機一致性指標RI 標準值

計算λmax所對應的特征向量Wc=（0.532 8，0.139 2，0.055 6，0.272 4）T，將W 歸一化即為準則層中的C1～C4 對于最優(yōu)方案O 的權向量。

與實例同理計算可得：

指標層中I1～I4 對于安全性C1 的權向量Wi1=（0.447 6，0.163 6，0.282 9，0.105 9）T；

I5～I7 對于經濟性C2 的權向量Wi2=（0.581 5，0.309 0，0.109 5）T；

I8～I10 對于施工影響C3 的權向量Wi3=（0.104 7，0.258 3，0.637）T；

I11、I12 對于技術可行性C4 的權向量Wi4=（0.25，0.75）T。

備選方案P1～P3 對于I1～I12 的權向量分別為：

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。

上述計算所用的判斷矩陣按公式（1）、（2）計算CR 值，結果均小于0.1，表示通過一致性檢驗。

3.3 層次總排序及其一致性檢驗

最終一致性檢驗是檢驗決策模型整體一致性的措施。 指標層中12 個指標中I1～I12，其對于目標O 的權重i1~i12分別為：

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 的層次單排序一致性指標CI1～CI12 分別為：

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；

隨機一致性指標RI 均為0.58。

層次總排序的一致性比率按照公式（3）計算，即

計算結果為CR=0.0275＜0.1，通過一致性檢驗。

記指標層中12 個指標I1～I12 對于目標O 的權重為i1~i12（數(shù)值同上）；3 個備選方案P1、P2、P3 對于上一層中某指標In（n=1，2，…，12）的權重分別為pn1、pn2、pn3。 則備選方案P1、P2、P3 的最終權重為

計算結果為：w1=0.321 3，w2=0.331 6，w3=0.347 2；則w3＞w2＞w1。

據(jù)上文分析計算的結果可知：備選方案P3 的權重最大，表示鉆孔灌注樁結合止水帷幕的支護型式對于該基坑而言是最優(yōu)支護方案。 決策結果與實際選取的方案相契合，表明該項目的支護方案選擇是科學合理的。

4 基坑開挖三維模擬

運用MIDASGTSNX 有限元模擬軟件建立三維模型，對基坑的開挖過程進行仿真模擬，分析支護結構在基坑開挖過程中的變形情況，研究基坑開挖對周圍環(huán)境的影響，以此判斷該基坑的支護結構選型是否合理。

4.1 模型的建立及參數(shù)的選取

工程實際采用鉆孔灌注樁結合止水帷幕的圍護結構，內設兩道內支撐的支護體系。 模型各項參數(shù)均以實際情況和勘探數(shù)據(jù)為準。

實際工程中，基坑大范圍開挖深度為10.55 m，但考慮到建模時網(wǎng)格劃分的要求，模型的開挖深度取10.6 m。 基坑工程影響分為主要影響區(qū)、 次要影響區(qū)和可能影響區(qū)。 其中，可能影響區(qū)的范圍為基坑周邊2H~3H（H 為基坑深度）[12]。 據(jù)此規(guī)定，在本次模擬中，基坑開挖水平影響范圍取基坑邊界以外50 m 范圍，影響深度取60 m，滿足大于兩倍立柱深度和三倍基坑深度的要求。

建立模型時需要將鉆孔灌注樁等效為連續(xù)墻結構（板單元），如圖3 所示。 按照剛度轉換原則，通過灌注樁樁徑D 和樁間凈距t，按式（4）可以確定地下連續(xù)墻的厚度。

圖3 等效剛度轉換簡圖

模型中的圍護結構、內支撐和立柱樁基礎采用混凝土材料，格構柱為鋼立柱。 土體采用修正摩爾-庫倫本構模型。根據(jù)工程的勘察資料，場地內土體分布較為均勻，故建立模型時假定各土層的厚度均勻。結構材料和土層的物理性能參數(shù)見表4、表5 所列。

表4 材料物理參數(shù)

表5 土層物理參數(shù)

模型中，冠梁、腰梁、支撐系統(tǒng)、立柱及立柱樁均以梁單元建立，圍護墻以板單元建立，各土層即開挖土體以實體單元建立。 幾何模型初步建立完成后進行網(wǎng)格劃分，基坑內部尺寸為5，外部尺寸為12，網(wǎng)格劃分完畢后施加重力條件、邊界約束及抗扭轉約束，最終如圖3、圖4 所示。

圖4 整體模型

圖5 基坑支護體系

4.2 定義施工階段

施工階段分為初始應力階段、圍護結構和立柱的施工、第一次開挖、第二次開挖和第三次開挖等5 個施工階段，通過“激活”與“鈍化”兩個命令來控制模型中各個結構與約束生效有否。

初始應力階段激活所有土層、荷載和自然邊界約束，勾選位移清零，表示土體不受外力時的自然狀態(tài)；圍護結構和立柱的施工階段激活圍護結構、立柱、立柱樁及抗扭轉約束，勾選位移清零，表示在開挖前進行鉆孔灌注樁和立柱、立柱樁的施工；第一次開挖階段激活冠梁和第一道支撐，鈍化第一次開挖挖去的土體，表示該階段挖去一部分土并進行冠梁、第一道支撐的施工；第二次開挖階段激活腰梁和第二道支撐，鈍化第二次開挖所挖去的土體，表示該階段繼續(xù)向下開挖并進行腰梁和第二道支撐的施工；第三次開挖階段鈍化剩余需要挖去的土體，表示基坑開挖至坑底，基坑開挖工作完成。

4.3 模型分析結果

模型求解完成后，得到基坑圍護結構的水平位移情況如圖6、圖7 所示，水平位移最大值位于基坑南側，約為10.05 mm。 南北兩側圍護結構水平位移對比如圖8 所示，基坑南側圍護結構加厚導致南側的圍護結構位移明顯小于北側。 圍護結構總體位移圖如圖9 所示，位移最大值約為18.17 mm。 由此可見，基坑圍護結構的水平位移均小于一級基坑支護結構最大水平位移允許值（0.0025h），說明本工程的基坑支護結構設計較為合理[13]，能夠保證基坑施工環(huán)境的安全穩(wěn)定。

圖6 圍護結構X 軸（東西向）水平位移最大值

圖7 圍護結構Y（南北向）軸水平位移最大值

圖8 南北兩側圍護結構水平位移對比

圖9 圍護結構總位移最大值

基坑外圍土體位移情況如圖10、圖11 所示，土體水平位移均小于10 mm，豎向位移均小于20 mm，均在控制值以內，說明該基坑支護系統(tǒng)的控制變形能力較好，滿足要求。

圖10 基坑外圍土水平位移

圖11 基坑外圍土豎向位移

5 結語

（1）運用層次分析法進行基坑支護方案優(yōu)選，決策結果與設計師按工程經驗選擇的支護方案一致，表明該支護方案較為科學合理，是備選方案中的最優(yōu)方案。

（2）以實測數(shù)據(jù)為基礎建立基坑的整體模型并進行求解，求解結果表明，基坑圍護結構的變形情況較好，各項位移的最大值均控制在允許范圍以內，基坑南側鄰近地鐵站的圍護結構由于做了加厚處理，其水平位移明顯小于為加厚的其他區(qū)段。 基坑外圍土體的變形較小，也說明了該支護方案的控制變形能力較好。

（3）觀察開挖模擬完成后的模型發(fā)現(xiàn)，基坑的坑底土存在一定的隆起情況，可能的原因：一則開挖后，坑底土上部卸載引起坑底土向上回彈；二則是基坑周圍土體在重力作用下使坑底土隆起。 應采取方法解決。