劉 麗，李加順

（云南省水利水電科學(xué)研究院，云南昆明，650228）

0 引 言

基坑工程在水利、建筑、交通等行業(yè)[1，2]中較為常見(jiàn)，其安全可靠性受基坑開(kāi)挖施工技術(shù)、支護(hù)方案以及場(chǎng)地等因素影響。陳美香[3]、豐土根等[4]由基坑監(jiān)測(cè)與模擬計(jì)算對(duì)比結(jié)果，對(duì)基坑沉降、樁體位移開(kāi)展了數(shù)據(jù)分析，評(píng)價(jià)了基坑支護(hù)方案優(yōu)化方向，并評(píng)價(jià)仿真計(jì)算可靠性。排樁或灌注樁在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中較為常見(jiàn)，其樁體工藝參數(shù)會(huì)影響基坑變形，一些學(xué)者利用仿真計(jì)算方法，對(duì)樁徑[5]、樁間距[6]以及入巖深度[7]等設(shè)計(jì)參數(shù)開(kāi)展了對(duì)比分析，由基坑沉降、樁體位移等變形參數(shù)，評(píng)價(jià)樁體設(shè)計(jì)參數(shù)最優(yōu)化，為實(shí)際工程建設(shè)提供計(jì)算依據(jù)。不同支護(hù)結(jié)構(gòu)方案下，基坑變形勢(shì)必會(huì)有所差異，林一萍[8]、李旭[9]認(rèn)為基坑工程支護(hù)方案的遴選，不僅需要考慮基坑安全可靠性，也要綜合比對(duì)經(jīng)濟(jì)性以及施工周期等，從多因素多維度評(píng)價(jià)基坑支護(hù)方案的適宜性，為基坑支護(hù)設(shè)計(jì)提供了理論參考。本文為研究香爐山輸水隧洞泵閘工程基坑支護(hù)方案可靠性，比對(duì)了四種典型支護(hù)結(jié)構(gòu)型式，并優(yōu)化了支護(hù)結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)，為支護(hù)方案設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

滇中引水工程面向滇中地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉、生活供水調(diào)度，規(guī)劃全線路為664.24km，采用明、暗渠輸水設(shè)計(jì)，全線包括了58 座輸水隧洞，隧洞占比超過(guò)90%，最大的深埋隧洞屬香爐山隧洞口，位于鶴慶與劍川兩縣接壤處，埋深可達(dá)1450m，全長(zhǎng)為62.6km，洞頂、底高差達(dá)349m。通過(guò)輸水支渠的建設(shè)，可惠及鶴慶、劍川兩縣的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，據(jù)估算，香爐山隧洞在一、二期規(guī)劃投入運(yùn)營(yíng)后，最大輸水能力可達(dá)120m3/s，同時(shí)該隧洞也可作為滇南地區(qū)泄洪、排澇的重要通道，有利于在全境內(nèi)形成梯級(jí)水利調(diào)度樞紐。作為滇中引水工程上重要一環(huán)，香爐山輸水隧洞的安全可靠性不言而喻，同時(shí)也考慮輸水隧洞的全天候?qū)崟r(shí)性，在香爐山隧洞口南側(cè)規(guī)劃修建有泵閘樞紐，位于K8+128 處，以此作為輸水隧洞流量調(diào)節(jié)補(bǔ)充。雖泵閘工程的建設(shè)可加強(qiáng)香爐山輸水隧洞的水利調(diào)節(jié)作用，但隧洞南側(cè)分布有軟巖斷裂帶區(qū)，區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造斷裂帶分布著夾泥質(zhì)砂巖、軟弱泥巖等，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。從香爐山泵閘樞紐的建設(shè)難度考慮，軟巖上覆淤泥質(zhì)土、細(xì)砂土等，均無(wú)法較好滿足持力層要求，特別是閘室外墻應(yīng)力分布不均以及閘站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)問(wèn)題，限制泵室進(jìn)水池最寬處僅為2.6m，無(wú)法有效起到“大口進(jìn)水、小口調(diào)水”的設(shè)計(jì)價(jià)值，從設(shè)計(jì)角度考慮，平衡閘站外墻應(yīng)力的重要舉措乃是支護(hù)樁體，而面對(duì)香爐山隧洞復(fù)雜地質(zhì)情況，不可忽視基坑支護(hù)樁體的安全可靠性。

2 研究方法

考慮香爐山輸水隧洞泵閘樞紐基坑工程安全可靠性和基坑周邊地形特征的前提下，面向不同基坑支護(hù)方案開(kāi)展對(duì)比研究?？紤]泵閘樞紐基坑工程實(shí)際，設(shè)計(jì)有放坡、灌注樁、咬合樁以及格構(gòu)柱的復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)型式，各結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表1 所示。從該復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)型式考慮，屬內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示。若改變腰梁、格構(gòu)柱的分布，在內(nèi)側(cè)僅存在有灌注樁與咬合樁體，則為懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)；或是對(duì)兩側(cè)咬合樁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索加固，設(shè)置有土層錨拉式結(jié)構(gòu)，則演變成錨拉式復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示；或是更換咬合樁為高壓旋噴樁，其他放坡坡度、高度不變，圍護(hù)樁體樁長(zhǎng)、樁徑均不變，分別為19m、1.2m，其支護(hù)結(jié)構(gòu)型式本質(zhì)上屬排樁圍護(hù)復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖1（c）所示。

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)明細(xì)

圖1 基坑支護(hù)典型方案

利用FLAC 3D 仿真軟件建立起基坑開(kāi)挖模型，并按照開(kāi)挖深度梯次進(jìn)行，共設(shè)置有七個(gè)開(kāi)挖深度，依次為-7m、-9m、-11.5m、-13m、-15m、-17m、-18.5m，開(kāi)挖施工時(shí)間為20d，后期基礎(chǔ)樁等施工時(shí)間為60d，基礎(chǔ)施工計(jì)劃周期為80d。結(jié)合香爐山輸水隧洞口K8+128現(xiàn)狀，建立起三維基坑模型，如圖2（a），該模型設(shè)定的基坑影響范圍分別為300m×300m×50m，囊括泵閘樞紐工程的全部基坑范圍，圖2（b）（c）為其中代表型開(kāi)挖深度-7m、深度-15m 時(shí)的三維模型特征。

圖2 計(jì)算模型

基坑計(jì)算模型中按照香爐山隧洞南側(cè)分布巖土體現(xiàn)狀，分別設(shè)定覆蓋土層為泥質(zhì)砂土，下部基巖為泥質(zhì)砂巖，模型范圍內(nèi)厚度分布為3.4～27.5m，密度為2.15g/cm3，采用修正M-C 準(zhǔn)則進(jìn)行本構(gòu)體代換。計(jì)算模型中共有計(jì)算網(wǎng)格432 682 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)388 726 個(gè)，支護(hù)結(jié)構(gòu)以及開(kāi)挖面作為網(wǎng)格加密區(qū)，計(jì)算精度均超過(guò)98%，如圖3。對(duì)比圖1 中四個(gè)不同支護(hù)結(jié)構(gòu)型式，分別為內(nèi)支撐型式（1#方案）、懸臂式（2#方案）、土層錨拉式（3#方案）、排樁圍護(hù)復(fù)合式（4#方案），由各方案下基坑變形、泵閘沉降以及樁體自身位移等特征，評(píng)價(jià)支護(hù)結(jié)構(gòu)方案的適配性。

圖3 劃分網(wǎng)格后基坑模型

3 結(jié)果與分析

3.1 不同支護(hù)結(jié)構(gòu)型式基坑沉降特征分析

基于四種不同支護(hù)結(jié)構(gòu)型式下基坑變形計(jì)算，獲得了各開(kāi)挖施工節(jié)點(diǎn)處基坑沉降特征，如圖4。由圖4可看出，不論何種支護(hù)結(jié)構(gòu)型式，基坑沉降總體上呈“先陡增至峰值，后緩降至穩(wěn)定”狀態(tài)，四種支護(hù)結(jié)構(gòu)型式的峰值沉降所在節(jié)點(diǎn)有所差異，內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)方案在施工第10d，而懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)、土層錨拉式結(jié)構(gòu)方案下峰值沉降分別為20.2mm、16.7mm，位于施工第7d，排樁圍護(hù)復(fù)合結(jié)構(gòu)方案下峰值沉降所在施工節(jié)點(diǎn)接近內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)方案，位于第14.5d。在基坑施工15d 后，基坑沉降已達(dá)穩(wěn)定，內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)方案下基坑峰值沉降降低至穩(wěn)定沉降水平，歷時(shí)5d，而土層錨拉式、懸臂式支護(hù)兩方案歷時(shí)最長(zhǎng)，達(dá)10d，排樁圍護(hù)復(fù)合方案下達(dá)5d。對(duì)比可知，不同支護(hù)結(jié)構(gòu)型式下，基坑開(kāi)挖及運(yùn)營(yíng)期沉降變化特征大多類似，但支護(hù)結(jié)構(gòu)型式會(huì)影響基坑沉降值與峰值沉降出現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)[10，11]，也會(huì)改變基坑沉降穩(wěn)定起始節(jié)點(diǎn)。

圖4 各支護(hù)方案基坑沉降特征

對(duì)比四種支護(hù)結(jié)構(gòu)型式下基坑沉降值，內(nèi)支撐支護(hù)方案下全周期內(nèi)沉降分別為5.5～8.8mm，峰值沉降為8.8mm，而懸臂式、土層錨拉式沉降較之前者分別提高了70.6%～172%、36.8%～126.2%，兩者峰值沉降較之前者分別增大了1.3 倍、0.9 倍，而排樁圍護(hù)復(fù)合方案下沉降分布在6.7～9.7mm?？傮w上看，內(nèi)支撐支護(hù)、排樁圍護(hù)復(fù)合結(jié)構(gòu)方案下基坑沉降水平最低，對(duì)限制基坑沉降與穩(wěn)定施工周期內(nèi)基坑沉降具有更大的作用，此兩支護(hù)型式可遴選為基坑支護(hù)方案。

3.2 不同支護(hù)結(jié)構(gòu)型式閘站沉降特征分析

支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性不僅需要探討基坑沉降特征，針對(duì)開(kāi)挖后泵閘樞紐運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的閘站沉降開(kāi)展分析也有對(duì)比意義，圖5 為四種不同支護(hù)結(jié)構(gòu)型式下運(yùn)營(yíng)期600d 內(nèi)閘站沉降特征，運(yùn)營(yíng)期0d 代表泵閘工程竣工時(shí)間點(diǎn)。從圖5 可看出，四種不同支護(hù)結(jié)構(gòu)型式下，閘站沉降變化特征有所差異，雖整體上閘站沉降均為遞增變化，但不可忽視各支護(hù)結(jié)構(gòu)型式方案下閘站沉降具有差異性增幅特點(diǎn)。懸臂式、土層錨拉式支護(hù)型式下分別在運(yùn)營(yíng)期第240d、400d 后出現(xiàn)更大的沉降增幅，在運(yùn)營(yíng)期0～240d，懸臂式支護(hù)型式的閘站沉降分布為10.5～11.1mm，平均每80d 下閘站沉降增長(zhǎng)了1.9%，而在運(yùn)營(yíng)期240d 后平均增幅可達(dá)16.4%，同樣土層錨拉式在運(yùn)營(yíng)期400d 前、后增幅分別為3.9%、34.5%。排樁圍護(hù)復(fù)合與內(nèi)支撐型式下閘站沉降增長(zhǎng)較穩(wěn)定，在運(yùn)營(yíng)期600d 內(nèi)閘站沉降分別在5.4～10.1mm、3.7～5.7mm之間，平均增幅分別為9.3%、6.3%，以內(nèi)支撐支護(hù)型式下控制閘站沉降較佳，運(yùn)營(yíng)期內(nèi)沉降未有較明顯突變。對(duì)比四種不同型式下閘站沉降特征，運(yùn)營(yíng)期600d 內(nèi)，懸臂式、土層錨拉式支護(hù)型式下閘站沉降均值分別為13.8mm、10.2mm，而排樁圍護(hù)復(fù)合型式、內(nèi)支撐型式兩者閘站沉降均值較之土層錨拉式下分別減少了25.1%、51.5%。綜合支護(hù)結(jié)構(gòu)型式下閘站沉降與基坑沉降特征，認(rèn)為內(nèi)支撐支護(hù)方案下應(yīng)用效果最好。

圖5 各支護(hù)方案閘站沉降特征

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化下基坑變形特征

若以內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)為本工程基坑支護(hù)方案，內(nèi)支撐支護(hù)型式中的灌注樁工藝參數(shù)還有待優(yōu)化，以灌注樁間距參數(shù)L 為研究對(duì)象，分別設(shè)定為1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、4m 共六組方案，在該支護(hù)方案中閘站、基坑沉降均已知的前提下，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)位移特征。圖6 為各灌注樁間距方案下樁體水平位移變化特征，樁體高度從樁頂（0m）至樁底（28m）延伸。

圖6 各樁間距方案下樁體水平位移特征

由圖6 可看出，不同灌注樁間距方案下，樁身水平位移變化特征具有類似性，均為緩增長(zhǎng)至穩(wěn)定狀態(tài)。在灌注樁間距1.5～3m 方案內(nèi)，從樁頂至樁底，樁體水平位移達(dá)到穩(wěn)定段的增幅分別為88.6%～125.5%，灌注樁間距愈大，樁體水平位移增幅愈大，且達(dá)到穩(wěn)定段水平位移愈靠近樁底，樁間距1.5m 方案下樁體水平位移增幅段位于樁身0.5～11.5m，而樁間距2.5m、3m 方案下分別位于樁身16.5m、22m。當(dāng)樁間距愈大，樁體水平位移整體上呈增大，如同為樁身14m 處，樁間距1.5m、2m 方案下水平位移為5.4mm、8.2mm，而樁間距2.5m、3.5m方案下相同樁身處水平位移較之1.5m 下分別提高了1.3 倍、5.1 倍，整體上樁間距梯次0.5m 變化，則樁身14m 處水平位移平均增大了9.1mm，增幅為57.8%。在樁間距1.5m、2m 方案內(nèi)樁體水平位移穩(wěn)定段分別為5.5mm、8.3mm，隨樁間距每0.5m 增長(zhǎng)，樁體水平位移穩(wěn)定段平均提高了10.5mm，平均增幅為61.3%；而樁間距1.5～4m 方案內(nèi)，樁體水平位移均值分布為4.5～47.1mm，各梯次方案內(nèi)水平位移均值平均提高了61.1%。

具體分析來(lái)看，樁間距過(guò)大，會(huì)影響樁體水平位移發(fā)展，但過(guò)密樁間距不利于提高施工效率[3，12]，在樁間距1.5～2.5m 內(nèi)，樁體水平位移受樁間距影響較小，位移穩(wěn)定段以及位移均值均處于較弱敏感期，受樁間距梯次影響分別有增幅52.2%、53.3%，而樁間距超過(guò)3m 后，樁體水平位移整體增幅較大，如樁間距2.5～3m 時(shí)，樁體水平位移均值提高了1.1 倍。從灌注樁間距參數(shù)優(yōu)化考慮，應(yīng)設(shè)計(jì)間距參數(shù)L 不超過(guò)2.5m 更為適宜。

4 結(jié) 論

（1）各支護(hù)結(jié)構(gòu)型式下基坑沉降變化一致，土層錨拉式、懸臂式支護(hù)兩方案下基坑沉降達(dá)穩(wěn)定段歷時(shí)最長(zhǎng)，內(nèi)支撐與排樁圍護(hù)復(fù)合方案下沉降分布最低，開(kāi)挖施工期內(nèi)兩者沉降分別為5.5～8.8mm、6.7～9.7mm，此兩方案對(duì)控制基坑沉降作用最顯著。

（2）懸臂式、土層錨拉式支護(hù)型式分別在運(yùn)營(yíng)期第240d、400d 具有陡增的閘站沉降特征，內(nèi)支撐與排樁圍護(hù)復(fù)合方案下運(yùn)營(yíng)期閘站沉降增長(zhǎng)較穩(wěn)定，但以內(nèi)支撐支護(hù)型式下沉降增幅以及沉降水平最小，適合作為該基坑支護(hù)方案。

（3）不同灌注樁間距方案下，樁體水平位移均為緩增至穩(wěn)定特征；樁間距愈大，則樁體水平位移增長(zhǎng)段變幅愈大；樁體水平位移值與樁間距為正相關(guān)，且在樁間距超過(guò)3m 后，樁體水平位移穩(wěn)定段以及樁身位移均值增長(zhǎng)更為顯著。

（4）從基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)比以及工藝參數(shù)優(yōu)化考慮，選擇內(nèi)支撐支護(hù)方案，且灌注樁間距為2.5m 最適宜。