某基坑支护方案设计及施工数值模拟研究

何德海

（建材天水地质工程勘察院有限公司，甘肃 天水 741000）

0 引言

基坑支护是指为保护地下主体结构施工和基坑周边环境的安全，对基坑采取的临时性支挡、加固、保护和地下水控制措施[1]。近些年随着我国经济快速发展，高层建筑及地铁车站建设大量涌现，多数基坑施工条件较苛刻，会受到相邻建（构）筑物沉降控制要求限制，施工风险较大，稍有不慎极易酿成事故，如2005年北京地铁10号线某处车站基坑发生坍塌，四周围护桩全部倾倒，造成巨大经济损失[2]。

为保证基坑施工安全，众多学者对于基坑支护进行了深入研究。

1）基坑沉降及位移 孙钧[3]以地下连续墙基坑为研究对象，通过实际工程监测与理论分析，总结基坑开挖引起坑外地表沉降的原因。侯学侯渊等[4]认为地表沉降曲线可分为“三角形”“抛物线形”。徐中华[5]在分析大量基坑实测数据基础上得出:围护结构最大侧移值介于（0.25%～0.55%）H，基本位于开挖面附近。徐娜等[6]在分析现场实测数据后发现:地下连续墙水平位移最大值约为基坑深度的0.35%；墙后土体沉降曲线呈“√”形状。

2）数值模拟 朱彦鹏等[7]采用FLAC3D软件对兰州地铁某基坑施工过程进行模拟后得出:桩体水平位移最大值出现的位置不断向下移动，在施加钢支撑后，钻孔灌注桩的水平位移曲线呈两端变形小、中间变形大的特点。周勇等[8]则采用Midas有限元软件研究车站深基坑在降低水位条件下的渗流稳定性，其结果显示:在降水条件下开挖基坑，随着不断向下开挖，钻孔灌注桩水平位移呈中间增幅大、两端增幅小的特点，桩体最大水平位移通常出现在（1/2～2/3）H处。

3）本构模型 刘帅君[9]采用多种模型对基坑降水开挖进行数值分析后得出:修正剑桥模型计算得出的地表沉降和围护结构水平位移值更合理。董林伟[10]也认为修正剑桥模型可较好地克服因屈服面有棱角而引起的数值计算变复杂和收敛变慢的问题。王清等[11]以修正剑桥模型为基础，增加了接触单元和杆单元，模拟计算了基坑开挖引起的地表沉降、坑底隆起和围护结构的水平位移，并与现场实测结果进行比较，在一定程度上印证了该模型在基坑工程中的适用性。

在实际工程中，基坑工程支护是否合理可靠至关重要。本文以甘谷雄飞·像山明珠2栋高层建筑基坑支护为例，通过数值模拟验证基坑设计方案的可行性。

1 工程概况

拟建雄飞·像山明珠项目为2栋高层建筑，位于甘肃省天水市甘谷县成关镇西环路北侧。1号楼地下2层，地上13层，建筑高度47.50m；2号楼地下2层，地上18层，建筑高度55.10m；高层建筑带有3层裙房；总建筑面积21 062.25m2。1号楼为钢筋混凝土框架-剪力墙结构；2号楼为钢筋混凝土剪力墙结构；裙房及地下车库均为钢筋混凝土框架结构。

1.1 工程环境条件

基坑平面布置如图1所示，基坑南北最长约80m，东西最宽约45m，基底开挖标高-10.500m，受地形影响，实际开挖深度6.1～10.5m，基坑周边情况如下。1）北侧 AB段建筑外墙线距离3层砖房约5.8m。2）南侧 FG段建筑外墙线距已建道路约4.20m。3）西侧 GH、HA段建筑外墙线距规划道路约5.0m，距18层住宅楼约10.0m。

4）东侧 BC段建筑外墙线距3层砖房约3.50m和1层砖房（上加1层彩钢房）约4.60m；CD段建筑外墙线距1层砖房（上加1层彩钢房）最近处约5.0m；DE段建筑外墙线距围墙约6.0m；EF段建筑外墙线距2层砖房约1.50m。

1.2 工程地质概况

该项目场地整体地形平坦，地面标高介于1297.990～1 300.230m，地面最大高差2.24m。场地地貌单元属小沙沟河洪积扇和渭河南岸Ⅱ级阶地的复合部位。根据拟建场地勘察报告，勘测范围内地层主要由杂填土层、砂土夹圆砾层、粉质黏土层、圆砾层组成。场地内的地下水类型为潜水，主要赋存于第4层圆砾中，受大气降水和地表水下渗补给，向西北方向径流；地下水埋深30.15～31.80m，因此可不考虑地下水对基坑支护结构的影响。土层分布范围及特性如表1所示。

表1 土层分布范围及特性

2 基坑支护方案设计

由图1可知，基坑平面呈不规则形状，且周围存在已建民居。为在基坑开挖时不引起周围已有建筑物过大沉降，同时为节约成本，基坑支护设计将采取“因地制宜”的设计理念，视基坑周围具体情况采取对应措施进行加固。支护结构设计使用PKPM施工软件4.0和理正深基坑7.0计算，最终设计结果如下。

1）基坑支护北侧AB段、东侧DE段和西侧GH、HA段有一定放坡条件，采用土钉墙支护结构。花管土钉均以与水平向15°夹角斜向下打入土中，花管土钉长6m，AB和DE段直径0.05m，GH、HA段直径为0.048m。

其中AB段边坡坡度1∶0.3，共3排土钉，第1排土钉设置在距坡顶以下约2.5m处，其余土钉分别位于距上一排土钉1.50m和1.44m处；DE段边坡坡度1∶0.4，第1排土钉位于坡顶以下约2.0m处，其余土钉与上一排土钉的竖向距离分别为 1.53，1.40，1.47m。

GH段边坡坡度为1∶0.4，共4排土钉，第1排土钉设置在坡顶以下约2.5m处，其余土钉与上一排土钉的竖向距离分别为1.48，1.46，1.48m；HA段边坡坡度仍为1∶0.4，共3排土钉，其余土钉与上一排土钉距离分别为1.36，1.58m。

2）基坑东侧BC、CD、EF段基坑附近主要毗邻已有建筑物，不具备放坡条件，故采用拉锚式钢管桩支护结构。

此处开挖深度6.1m，基坑侧壁采用Q235 140mm×4mm锚拉式双排钢管桩支护结构，钢管桩壁厚不小于4.0mm，长10m，嵌固深度3.90m，外露6.10m。桩端进入砂土夹圆砾层；BC段桩排距和桩间距均为0.5m，CD段桩排距为0.5m、桩间距为0.8m，钢管桩桩身内外采用32.5R水泥浆灌注，水灰比0.5。钢管支护桩桩顶通长设置300mm×200mm冠梁，前排桩和后排桩设置300mm×20mm连梁，使各支护桩连接在一起形成整体。

BC、CD段在桩顶以下-3.0m处选用1根 28的HRB400级钢筋作1排预应力锚杆，长9.0m，其中BC段水平间距1.5m，CD段水平间距1.6m，入射角均为15°；选用1根［18a作为腰梁与预应力锚杆连接。

基坑东侧EF段仍采用拉锚式钢管桩支护结构。开挖深度-8.0m，基坑侧壁采用Q235 140mm×4mm拉锚式双排钢管桩支护结构，钢管桩壁厚不小于4.0mm，长13m（桩端进入砂土夹圆砾层），嵌固深度6.50m，外露6.50m，桩排距为0.5m，桩间距为0.6m，钢管桩桩身内外采用32.5R水泥浆灌注，水灰比0.5。钢管支护桩桩顶通长设置300mm×20mm冠梁，前排桩和后排桩设置300mm×200mm梁，使各支护桩连接在一起形成整体。

在桩顶以下-2.0，-4.0m处分别选用1根 28的HRB400级钢筋制作2排预应力锚杆，长度均为9.0m，水平间距均为1.80m，入射角15°；选用1根［18a作为腰梁与预应力锚杆连接。锚杆采用机械钻孔，成孔直径130mm，注浆材料用水泥浆，水灰比为1∶0.5，注浆压力为0.6MPa。

桩外侧喷射80mm厚C20混凝土面层，喷射混凝土骨料最大粒径不大于16mm，水灰比宜为1∶0.5。混凝土护面钢筋网为单层双向设置，网片钢筋采用 6.5HPB300级钢筋，间距250mm×250mm，接头宜绑扎搭接，搭接长度不小于200mm，钢筋网伸至坑底。

3）基坑南侧fg段 考虑到基坑开挖将影响西环路的稳定性且放坡空间较小，宜采用桩锚支护结构。

基坑南侧边坡采用1排预应力锚杆结构+排桩支护体系进行支护。支护桩桩径800mm，桩间距2.0m，支护桩桩长13.0m，支护桩桩顶通长设置800mm×500mm冠梁，使各支护桩连接在一起形成整体。

在桩顶以下2.50m处设置1排预应力锚杆，长度15.0m，预应力锚杆孔径130mm，自由长度5.0m，水平间距2.0m，入射角15°；锚杆杆体为 28钢筋锚杆，选用1根［18a作为腰梁与预应力锚杆连接。

4）基坑南侧Ff、gG段有一定放坡条件，但基坑深度较大，采用复合土钉墙支护结构，如图2所示。边坡坡度1∶0.3；花管土钉与预应力锚杆交替布置，共5排。第1层土钉距坡顶竖向距离为1.77m，其后每层土钉（或预应力锚杆）与上层土钉（或预应力锚杆）的竖向距离分别为1.50，1.45，1.48，1.52m。

3 基坑开挖数值模拟研究

3.1 模型参数

上述基坑支护方案均经过计算软件验算得出，现对基坑开挖过程进行数值模拟分析，数值计算所需参数如表2，3所示。

为消除边界效应影响，选取合适的模型尺寸至关重要。吴桐等[12-14]认为开挖影响范围为基坑开挖深度的2～3倍较为合理，故基坑模型最终尺寸确定为186m（长）×113m（宽）×35m（高）。基坑周围的建筑物自重采用在建筑物桩基或浅基础上添加竖向轴力或均布力的方式模拟，不考虑建筑物本身刚度的影响。模型土体采用3D实体单元模拟；土钉、预应力锚杆、钢腰梁、钢管灌注桩及混凝土桩均采用1D植入式桁架单元模拟；基坑内侧喷射混凝土层采用2D板单元模拟。

基坑在开挖前首先进行初始地应力平衡，随后激活各个桩构件（模拟打桩过程）。紧接着分层开挖基坑土体并分层施作相应的支护结构，直至基坑开挖到预定深度。模型建成后的基坑平面如图3所示。

3.2 结果分析

在实际工程中，考虑到所有支护结构最终会被喷射混凝土层覆盖，所以本次数值模拟主要研究基坑内侧喷射混凝土层顶部的位移结果，并以此判断实际工程中基坑支护效果。

表2 土体物理力学参数

表3 支护结构材料参数

图3 数值模拟基坑平面

图2 Ff与gG段复合土钉墙剖面

由第1层土开挖后基坑总位移云图可以看出，首层土体开挖结束后基坑内底部土体产生上拱，最大隆起位移约7.6mm，这是由于上部土体开挖卸荷所致。

同样在基坑开挖结束后地面也发生隆起现象，最大隆起位移为60mm。开挖引起的土体位移主要集中在基坑周边，对于远离基坑周围的土体基本没有影响。

现实中考虑到基坑开挖后放置时间较长，应在施工过程中及基坑放置期间加强周边地面及基坑顶部的沉降位移观测，随时掌握沉降位移发生量及变化趋势，发现异常情况立即停止，查清原因后及时解决。实际工程中基坑位移监测报警值如表4所示。数值模拟计算完成后提取相应的位移云图与表中预警值进行比对，以验证实际工程中的支护结构是否安全合理。

表4 基坑支护结构监测报警值

由基坑内侧喷射混凝土层水平位移云图可知，喷射混凝土层顶部最终的收敛位移均非常小，水平收敛位移普遍在13mm以内，远小于表4中的墙（坡）顶水平位移监测报警值。

水平收敛位移最大值位于BC段双排钢管桩的下部，最大位移约24.7mm，仍小于土钉墙或支护桩的水平位移报警值。所以，通过数值计算结果分析得出:基坑开挖所采取的支护措施，在控制水平收敛方面合理有效。

由基坑内侧喷射混凝土层竖向位移云图可知:基坑喷射混凝土层顶部竖向位移数值普遍在5.6～15.6mm，满足表4中的有关要求。竖向位移最大值在DE（土钉墙）段靠近坑底位置，最大值约22.2mm，仍满足土钉墙或支护桩的竖向位移要求。

综上所述，在该基坑支护方案条件下，喷射混凝土层顶部的水平、竖向位移均满足安全施工要求。

4 技术创新

由以上基坑支护方案可知:基坑东侧存在建筑物地段采用钢管桩+锚索支护结构，但如何选择合理的材料填充钢管桩内部值得研究与探讨。一般来说，钢管桩内部常见的填充材料为混凝土或水泥浆，而水泥浆的流动性显然更好。考虑到砂土夹圆砾层是基坑开挖面的主要土层，并且黏聚力极低，较松散。选择水泥浆填充正好可利用其良好的流动性，在增强钢管桩刚度的同时也可加固松散地层（在钢管周围钻孔使水泥浆易于流入土层），提高土层的自稳能力。因此，相较混凝土来说，采用水泥浆填充显然是更好的加固方法。

5 结语

1）本基坑开挖工程在考虑基坑周围建筑情况及经济技术等方面的要求后，根据不同支护要求采取分段独立设计的方法，完成了基坑支护设计。并针对砂土夹圆砾层黏聚力极低、较松散的特殊情况，将填充料由混凝土改为水泥浆，不仅增加了钢管桩的刚度，同时也增强了松散地层的自稳能力。

2）通过Midas有限元软件模拟基坑开挖过程，主要研究基坑内侧喷射混凝土层顶部的水平收敛位移及竖向位移，水平收敛位移普遍在13mm左右，竖向位移普遍在5.6～15.6mm，满足监测报警值要求。因此，本工程所采取的支护措施安全有效。