青岛地区土岩组合地层基坑工程支护设计及变形分析

张传军，何松，孙玺，姚佩佩

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032； 2.青岛泰昊工程测试有限公司，山东 青岛 266032)



青岛地区土岩组合地层基坑工程支护设计及变形分析

张传军1*，何松1，孙玺1，姚佩佩2

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032； 2.青岛泰昊工程测试有限公司，山东 青岛 266032)

在总结岩石地区基坑工程典型支护方式的基础上，介绍了青岛地区土岩组合的一个典型超深基坑工程案例。鉴于特殊的地层，本工程采用吊脚桩+锚索支护体系，局部放坡结合钢管桩预支护。通过有限元数值分析结果与现场实测数据对比表明：在上覆土层较薄的岩石地区，围护结构的变形主要集中在土层部分。采用上述支护体系可以有效控制基坑及周围环境变形，同时大幅降低工程造价。

土岩组合地层；吊脚桩；变形；PLAXIS；有限元

1 引 言

各种超大、超深基坑工程在近几年的工程建设中日益增多，且建筑物、地下管线及周边道路等经常紧邻基坑。基坑的开挖，势必导致基坑周围地基岩土体的变形、应力场的改变和地下水的重新分布，甚至会对周围环境及基坑围护结构本身产生较大的影响[1，2]。为确保施工安全，必须对现场和周围环境进行实时监测。对监测数据的实时分析，既能保证对基坑工程的实时监控，又能保证工程的安全稳定。同时，通过分析监测数据来研究基坑在开挖过程中土体的变形特点，不仅能够预测基坑的变形，还能为类似工程的设计施工提供参考，具有积极的指导作用。

在深基坑设计施工过程中，岩土体受扰动后的变形问题是设计施工中考虑的首要问题，不少专家学者已经对类似问题进行了一定研究，也提出了许多有意义的理论和经验。例如：吴文，徐松林结合武汉某桩锚深基坑工程实例，分析了支护结构的受力和变形，并得出了被动区土的“m”值对桩锚支护结构的受力和变形有较大影响的结论[3]，吕凤梧，徐伟等采用弹塑性有限元法对超大型深基坑的开挖和支护进行了数值模拟[4]；对于深部巷道围岩、边坡稳定性分析等类似工程则主要围绕岩石的变形特性加以研究。本文则以青岛地区某深基坑工程实例为参考，重点阐述土岩二元组合地层深基坑施工中土体开挖变形的相关特点。

2 青岛地层及基坑工程简介

组成青岛岩层的主要岩石为花岗岩，上部为第四系，下部为风化的基岩，地形多为低山、丘陵。地层中基岩面埋深一般较浅；在青岛地区深基坑多为土岩组合基坑，施工中地下水问题的处理当中最常用的方法是制作止水帷幕来截断坑内外的水力联系，开挖过程则通常采用边降水边开挖的方法施工作业。

依据地方经验，不同类型地层的基坑采用的支护方法主要有以下几种，如图1所示。

纯风化岩基坑主要采取的支护类型有：放坡开挖；非预应力锚喷支护；预应力锚杆柔性支护；复合锚喷墙支护。如图1(a b c d1)所示：

土岩组合基坑主要采取的支护类型有：复合锚喷墙支护；嵌入基底的桩锚支护；预应力锚喷墙支护；未嵌入基底的桩锚支护(吊脚桩)；内支撑支护，如图1(d2e f g h)所示。

图1 (a～h)青岛岩石地区典型的基坑支护方式

下面结合青岛土岩组合地区某典型基坑工程案例进行分析。

3 工程地质条件

3.1 工程概况

青岛某工程地基占地面积约 5 000 m2，整个工程拟建1栋超高层建筑及裙房，带有5层地下车库，基础埋深 21.1 m。在基坑的南侧和西侧均为砖混结构住宅小区，在基坑的东侧和北侧分别为交通十分繁忙的市区中心要道，由先前地质资料可知，在靠近基坑北侧的地下埋设有各种纵横交错的管线，场地条件十分复杂。3.2 工程地质

工程所在场区为土岩二元地层结构。场区地形平坦，属于侵蚀堆积地貌单元，后经人工回填整平。第四系以全新统冲洪积层为主，基岩则主要由花岗岩组成，基岩面埋深 4.10 m～7.50 m，基岩面总体较平缓。场区内地层由上到下为杂填土、粉质黏土(局部)、粗砂、粉质黏土、砾砂；第四系以下基岩有岩脉入侵，呈带状穿插分布。各土层物理参数如表1所示。

由于场区位于滨海地区，场区内的地下水位受潮汐影响较大，地下水位约在 1.40 m～2.40 m之间，稳定水位绝对标高 5.17 m～6.25 m。地下水类型主要为第四系孔隙潜水、承压水、基岩裂隙水，潜水～弱承压水主要赋存于粗砂和砾砂之中，且由于砾砂与强风化花岗岩之间不存在隔水层，故而与基岩裂隙水有较好的通透性。在地下水控制设计方面，若为常规性工程且粗砾砂中的潜水～弱承压水水量不大，可采用集水井明沟排水方式处理；对安全性及环境保护要求高的基坑工程，多采用制作止水帷幕的方法切断基坑内外的水力联系，避免因基坑降水对周边环境及建(构)筑物产生影响。

场区主要岩土层的物理参数 表1

4 基坑设计及施工

基坑设计开挖面距地表20.4 m，为规则矩形，设计室内坪略高于现地面，根据有关规范标准[5]，结合该基坑工程的实际情况，确定该基坑工程安全等级为一级。

施工场区内条件复杂，基坑周边地下管线较多且埋深均较小，无放坡空间。由于基坑相对开挖深度较深，且地下水水头较高，考虑到周边建筑多采用天然地基、浅基础型式，若直接排水开挖，可能会造成现有建筑物的不均匀沉降，故而采用高压旋喷止水帷幕，以切断坑内外水力联系。

结合工程地质资料及周边环境和类似工程经验，设计采用桩锚支护体系对基坑进行支护。基岩面以上的第四系覆盖层采用吊脚桩加锚索支护，灌注桩打入强风化花岗岩 1 m。基岩面至中风化底端采用放坡涂以面层的形式支护，部分微风化岩体附加钢管桩进行辅助支护。

青岛市内地区岩基为花岗岩，发育有因构造运动形成的断层破碎带。断层破碎带及其影响带内通常发育有碎裂岩、糜棱岩等动力变质成因的构造岩，其工程性状差。基坑开挖时若侧壁遇构造岩或软弱结构面，其自稳能力往往较差，可考虑采取加密、加长锚杆或注浆加固等措施进行局部加固。若基底范围内揭露构造岩及软弱结构面可挖出后换填。

基坑支护结构剖面图如图2所示，支护结构的相关设计参数如表2所示。

基坑支护设计参数 表2

图2 基坑典型支护剖面

5 监测点布置

基坑施工过程中的监测项目包括围护桩体深层水平位移(测斜)监测、围护桩顶水平位移监测、锚索拉力监测、地下水位监测以及周边建筑物的沉降观测。

工程中共布置围护桩体深层水平位移测点4个，围护桩顶水平位移及沉降测点15个，锚索轴力计测点22个，水位测点3个，基坑支护及监测点布置如图3所示。

图3 基坑支护及监测平面图

6 结果分析及有限元模拟

6.1 有限元模拟

本基坑工程平面几何形状为规则矩形。采用PLAXIS平面应变模型进行模拟，根据其对称性，取开挖深度的一半进行计算。水平影响范围取至开挖面以外 80 m，竖直影响范围取至基底以下 20 m。根据本工程模拟特点，假设水平和数值边界条件任意方向上的变形为零。Plaxis有6节点单元和15节点单元两种，本文采用15节点单元建立模型，虽然在计算时耗时相对较长，但对于较复杂问题，往往能得到较高的计算精度。本算例的网格剖分采用中密，对个别应力集中部位采用网格加密或绕点加密，以得到更理想的模拟效果。围护桩采用板单元进行模拟，支护结构视为弹性受力状态，开挖施工分12个施工步骤进行。图4为几何模型及网格剖分图，图5中的菱形图标为围护桩模拟位移[6，7]。

图4 几何模型及网格剖分图

图5 测斜管水平位移曲线

6.2 基坑围护结构深层水平位移

该基坑工程在每条边的中间各设置1个测斜孔。北侧测斜管在基坑开挖施工过程中被破坏。经长期监测，南侧和西侧围护桩最大水平位移为 11 mm，东侧由于紧邻交通要道，车流量大，最大位移达到 12 mm，进一步说明车辆等动荷载效应对基坑变形的影响不可忽略。

图5为某测斜孔不同时段的围护桩深层水平位移曲线和PLAXIS模拟曲线(图中菱形标记)对比图。从图中可以看出，围护桩的位移主要在距地表 8 m以上范围内。这是因为该处基岩面埋深在 8 m左右， 8 m以上为第四系覆盖层，土体强度较岩体要大大降低。该处的水平位移自下而上位移呈现逐渐增大趋势，这与锚索的布设结构和位置有很大关系，故而在桩锚支护体系的基坑设计当中，锚索的布设结构和位置十分关键，桩顶水平位移较大处是设计的重点考虑因素。从图中可以看出，PLAXIS模拟计算结果与实测的位移趋势基本相符，说明按以上方法建立的模拟模型应用于本工程真实有效，但位移量较实测值偏小，说明影响基坑变形量的因素不仅与设计参数和材料强度有关，更与基坑施工中的其他因素有重要关系，如爆破开挖等，这些在今后的基坑设计中都应予以考虑。

6.3 围护桩顶水平位移、沉降、水位

在围护桩的桩顶水平位移和沉降监测项目中共设置监测点15个，本文选取统一标准的有代表性的监测点进行分析，即各边中点处的监测点，编号为CJ6、CJ3、CJ14、CJ10，分别位于基坑的东侧边、北侧边、西侧边和南侧边的中间位置，其中，北侧CJ3号点紧邻运土通道，各测点不同时间的桩顶水平位移曲线如图6所示：

图6 围护桩顶位移时程曲线图

从图6可以看出，CJ3号点的桩顶水平位移最先达到稳定，CJ6号点的桩顶水平位移最后达到稳定，这与施工顺序有一定关系，且CJ6号点紧邻交通要道，持续的车辆动荷载在基坑施工中一直对围护结构的变形产生影响。CJ6号点和CJ10号点的桩顶水平水位量相对较大，达 11 mm，CJ10号点的桩顶水平位移在 9 mm左右，而CJ3号点仅有 5 mm左右。CL6和CJ10号点位移增量较大，这是因为CJ6受车辆动荷载的持续影响，且CJ10号点由于支护过程中施工面层的需要，南侧坑边堆放了大量的材料、钢筋、砂石以及其他相关设备。这大大增加了该区域的主动土压力，随着开挖深度的增加，主被动土压力差值显著增大，进而导致了桩顶水平位移的急剧变化，因此在基坑施工过程中坑边荷载对基坑变形的影响不可忽略，相关部门和人员应规范施工、严格管理，以避免不必要的安全隐患。

图6中各监测点的桩顶位移呈阶段性的增长变化，这主要受基坑开挖过程中施工工况的影响。土体开挖过程中每挖出一定量土体都要相应的设置一道锚索，锚索工作后围护结构的位移达到暂时的稳定，当下一工况土体开始开挖后，基坑内外的主被动土压力被再次打破，围护桩的桩顶水平位移进一步增加，呈现出图中的变化趋势。其中，CJ6和CJ10点的桩顶水平位移在7月份出现了陡增，这主要是由7月份基坑东南角的爆破开挖所引起的，在基坑的爆破过程中，由于用药量过猛，导致基坑底角出现了部分坍塌，但由于抢救及时并未造成安全隐患，但致使围护结构出现了较大程度的位移。结合图7的位移变化曲线和锚杆施工时间可知增加锚索能够有效控制维护结构的变形，但时间上相对滞后，综合经济和人力工期等各方面因素，在桩锚支护结构的深基坑设计中，应对锚索的位移和数量进行合理的设计，以达到优化的目的。

图7 周围建筑物沉降观测结果

从图7可以看出，自8月上旬开始，周围建筑物的沉降量明显增加，这证明爆破开挖所导致的基底部分坍塌对周边建筑物的沉降有明显影响。对比图8相应时期地下水位的变化曲线可知，地下水位的变化对周边建筑物的沉降量影响不大，几乎可以忽略。整个基坑在施工过程中并未出现管涌、流土、塌方。爆破开挖过程中用药量的控制不仅关系到基坑施工能否顺利进行，更关系到坑内及周边建筑物的安全，故而应进行合理论证和计算，将安全隐患降至最低限度。

图8 坑外地下水位变化曲线图

图8为止水帷幕外围3个地下水位监测孔的水位变化曲线图。从图中可以看出，除1号水位在基坑开挖后有较大幅度的水位下降外，2号孔和3号孔的水位变化基本较为稳定，变化幅度仅 1 m左右。个别水位突变点为降雨所致，而1号水位则累计下降达 3.5 m左右。这主要是由于1号水位紧邻道路，车辆产生的动荷载容易使周围土体产生超静孔隙水压力，威胁基坑安全，因此在1号水位附近布设了若干泄压孔，这是导致1号水位产生大幅度下降的重要原因。

7 结 语

在土岩组合地层中进行深基坑施工，基坑周边环境例如频繁的车辆动荷载、场区内堆土等因素对基坑开挖变形造成的影响不容忽视。

围护桩的深层水平位移主要发生在距离地表 7 m～9 m的位置，距离地表越近，变形越大。本工程现场基岩埋深在 8 m以下，在土岩组合地层中，变形主要发生在土层中。

土岩组合地区的基坑在开挖过程中应有效控制炸药用量，用药过量可能会导致坑底局部坍塌和周边建筑物的沉降，不利于基坑变形和周边建筑物的安全稳定控制。增加锚索可起到有效预防和控制的作用。

从地下水位监测数据可得出，在基坑周边动荷载较为频繁地带，应设置泄压孔，以防止超静孔压的产生，控制基坑变形。在土岩组合地区的类似工程当中，地下水位的下降并不会对周边建筑物的沉降产生较大影响，止水帷幕截断坑内外地下水位的施工方法能够收到较好成效。

[1] 何世秀，吴刚刚，朱志政等. 深基坑支护设计影响因素的有限元分析[J]. 岩土力学与工程学报，2005，24(S)：5478～5484.

[2] 李好，周绪红. 深基坑桩锚支护的弹塑性有限元分析[J]. 湖南大学学报，2003，30(3)：86～89.

[3] 吴文，徐松林，周劲松等. 深基坑桩锚支护结构受力和变形特性研究[J]. 岩石力学与工程学报，2001，20(3)：399～402.[4] 吕凤梧，徐伟，刘建航. 深基坑开挖支护的弹塑性有限元数值模拟与分析[J]. 建筑技术，2002，33(2)：88～91.

[5] 刘建航，候学渊. 基坑工程手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1997.

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[7] 刘红军，李东，孙涛等. 二元结构岩土基坑“吊脚桩”支护设计数值分析[J]. 土木建筑与环境工程，2009，31：43～48.

Design and Deformation Analysis of Foundation-pit Supporting Structure in Soil-rock Strata of Qingdao Area

Zhang Chuanjun1，He Song1，Sun Xi1，Yao Peipei2

(1.Qingdao Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute，Qingdao 266032，China；2.Qingdao Taihao engineering test Ltd，Qingdao 266032，China)

The paper introduces an example of very deep pit in rock combined with soil layers by summarizing typical pits in Qingdao.Based on special geological conditions，during the excavation construction process，many comprehensive techniques were applied，such as end-suspended piles，anchors，slope，steel pipe pile and so on.The calculated results were compared with the field measured values.The results show that the mainly deformation of supporting construction appear in soil part.The supporting methed we talked above could control the displacement of excavation and builidings surrounded，reduce the construction cost. These datas were useful for the engineering.

rock combined with soil layers；end-suspended piles；displacement；PLAXIS；FEM

1672-8262(2016)05-171-06

TU94.2

B

2016—03—02

张传军(1980—)，男，工程师，主要从事岩土工程生产与科研工作。