某深厚软土地层基坑支护方案优化研究

万先逵，袁聪聪，黄展军，褚东升，曹成威，石钰锋，

（1. 南昌轨道交通集团有限公司，江西 南昌330038；2. 华东交通大学江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室，江西 南昌330013；3. 中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州510230）

随着我国城市交通建设的迅速发展，基坑在交通网络构建中发挥的作用越来越大。 在深厚软土地层中进行基坑开挖时，支护结构的强度要求和变形要求较高，设计要求高、施工难度大、造价高且易发生工程事故，其中以珠三角的深厚软土地层最具代表性[1-3]。许多学者对软土基坑变形规律进行了研究，以期为基坑支护设计提供更好的理论支持和方法，降低工程造价，减少基坑事故。 方焘等[4]应用MIDAS/GTS 有限元软件分析得出基坑外侧有限土体宽度对基坑变形的影响范围为1.5 倍基坑开挖深度。 秦爱芳等[5]研究了受卸荷影响的被动区土体加固深度的范围，得出上海地区加固深度建议值。 张磊[6]借助ABAQUS 软件分析了桩体入土深度对基坑变形的影响。郑俊杰等[7]研究表明基坑被动区加固使得地表沉降及地连墙变形减少超过35%。蒋建平[8]使用数值模拟方法，分析了被动区土体加固范围对整个深基坑的影响，结果表明随着加固范围的扩大，整个基坑的变形减小且但存在临界值。 王立[9]以广东某深基坑案例为背景，发现在软土地区对被动土体进行加固，可以大大减少支护结构变形和受力。刘念武等[10-11]分析现场监测资料发现地表沉降与监测点基坑围护结构距离的关系呈三折线形状。

依托珠三角地区某深厚软土地层基坑工程项目，通过数值模拟方法，在原46 m 长的围护桩基础上，采用优化方案，缩短围护桩长的同时对坑底被动区土体进行裙边加固，分析在加固宽度不变条件下逐步增大加固深度时，对支护桩身的水平位移、坑底隆起、地表沉降的影响，最后对这几种方案进行工程造价及施工难度对比分析，以期为该工程和今后类似工程的设计提供参考。

1 工程概况

该明挖隧道基坑全长410 m，宽度32～40 m，场地整平后最大开挖深度约为8.5 m，基坑支护局部平面图如图1 所示。 场地地基属典型珠三角深厚软土地层，软土厚度可达40 余米，夹淤泥质粉细砂，基岩为中、强风化砂质泥岩。 该基坑原支护方案采用排桩入岩方式，支护排桩为灌注桩，桩径1.0 m，桩间距1.3 m，桩长46 m，中间设置一道格构柱，连系梁为钢筋混凝土结构，共设置两道横撑，截取原基坑支护典型横断面如图2 所示。

图1 基坑支护局部平面图Fig.1 Partial plan view of foundation pit support

图2 原方案基坑支护横断面图（单位：m）Fig.2 Cross-sectional view of the original scheme of foundation pit support (Unit: m)

由于原方案围护桩长度过长，施工过程中存在塌孔等工程问题，且不经济。优化方案提出把排桩桩长缩短为38.5 m 不入岩，两侧采用三轴搅拌桩加固被动区土体，加固区域宽3.85 m，改变加固深度来寻求合理方案，以期在保证施工质量的前提条件下，减小基坑的变形和两侧地表沉降问题。

2 数值分析

2.1 模型建立

选用有限元计算软件MIDAS/GTS NX 建立三维模型，该软件能够提供完全的三维动态模拟功能，配置多种本构及用户自定义本构模型，因而在岩土工程中应用较广。

根据基坑的实际尺寸，选用适当尺寸进行建模，图3 为计算模型示意图，基坑开挖深度为8.5 m，开挖宽度为40 m，考虑两侧有居民建筑，模型宽度取200 m，支护排桩底部土体向下取30 m，模型纵向长度取120 m，确定模型尺寸为120 m×200 m×76 m（长×宽×高），基坑共分3 层开挖，土体四周约束法向位移，底面固定，顶面自由。排桩根据刚度等效原则等效为地连墙，地连墙等效厚度为0.768 m。土体采用实体单元模拟，本构采用修正莫尔-库伦模型（HS 模型）。

修正莫尔-库伦模型由莫尔-库伦模型扩展而来，其将非线弹性和塑性模型联合起来，常用于砂土和淤泥。 修正莫尔-库伦模型的屈服面为解耦双硬化模型， 剪切破坏和压缩破坏互不影响。已经有许多学者[12-13]使用修正莫尔-库伦模型（HS 模型） 进行了深厚软土基坑开挖模拟计算，结果与实测结果较吻合。

2.2 地层及支护参数

基坑土层参数参考相关地勘资料及室内土工试验，得到表1 所示的计算参数。

图3 有限元计算模型Fig.3 Finite element calculation model

表1 土层计算参数Tab.1 Soil layer calculation parameters

在数值计算中，冠梁、钢筋混凝土支撑、腰梁、钢支撑及支护排桩均采用梁单元模拟，支护计算参数如表2 所示。

表2 支护结构计算参数Tab.2 Sample parameters list

2.3 模拟施工步骤

基坑的开挖通过MIDAS 中的钝化（R）来实现，支护通过MIDAS 中的激活（A）来实现。 开挖流程通过MIDAS 中施工阶段助手设置， 具体步骤如下：

1） 地应力平衡计算。地层在自重作用下会产生位移应力变化，得到地层初始固结状态，据此计算结果来判断模型是否正常。

2） 围护结构施工模拟。 模拟支护排桩、格构柱及立柱桩施工，此阶段位移进行清零，不计入下阶段的基坑开挖。

3） 模拟基坑开挖。 基坑共分3 层开挖，第1层开挖至1 m， 施作桩顶冠梁及第1 道混凝土横撑； 第2 层开挖至5 m， 施作腰梁及第2 道钢支撑；第3 层开挖至坑底，方案中如含有裙边加固，在此阶段施作。

2.4 模拟方案

依据原设计方案，结合现场条件进行优化比选，拟定6 种支护方案，方案1 为原方案，其余为优化方案，具体工况如表3 所示。

裙边加固方式为三轴搅拌桩加固，桩径850 mm，桩间距600 mm，咬合长度250 mm，故加固宽度为3850 mm（600×5+850）。方案1 为原方案，支护桩长为46 m（入岩），无裙边加固，其余方案采用桩长38.5 m（不入岩），加固深度依次为0，1，2，4，6 m，加固深度0 m 时为坑底土体没有被加固的情形。 裙边加固布置方式如图4 所示，搅拌桩水泥掺量为22%。

表3 支护方案表Tab.3 Support plan

图4 裙边加固布置方式Fig.4 Skirt reinforcement arrangement

3 计算结果分析

3.1 方案模拟结果对比分析

取基坑模型中部的支护排桩绘制最终工况下的桩身水平位移图（图5 所示），从图5 可以看出：①桩身向坑内发生水平位移，在深度方向上大致呈抛物线型；②当采用方案2 排桩不入岩且不加固方式时，桩身水平位移峰值最大可达64.47 mm，原方案1 入岩排桩的最大峰值为24.44 mm；③当采取不入岩且施作裙边加固深度为1，2，4，6 m 时，最大水平位移降为35.44，23.05，22.55，22.43 mm。

结果表明，相比单独使用长排桩入岩方式，采用缩短桩长不入岩+适当增加裙边加固深度，可以有效控制桩身水平位移，位移减小最大可达8.22%；同时裙边加固深度具有范围，当加固深度超过2 m 时，桩身最大水平位移值减小并不明显。

图5 支护排桩桩身水平位移Fig.5 Horizontal displacement of perfusion pile

在软土地层进行基坑开挖时，坑底隆起也是用于判断基坑是否稳定的一项重要因素。 取基坑底部一半绘制基坑隆起曲线图（图6 所示），可以看出：①隆起曲线随着距离坑壁距离增加，大致呈现先增大后缓慢减小趋势，最大隆起值在距坑壁15 m 处；②当采用方案2 排桩不入岩且不加固方式时， 最大隆起值为180.71 mm， 原方案1 入岩不加固的最大隆起为72.46 mm；③当采取不入岩且施作裙边加固深度为1，2，4，6 m 时，最大隆起值分别为115.81，65.23，63.61，63.06 mm。

结果表明，采用加固深度0，1 m 时，最大隆起值大于原排桩入岩方式，但是采用加固深度为2，4，6 m 时，坑底隆起值得到有效控制，坑底隆起值较比原方案1 分别减小了7.23，8.85，9.40 mm，最大减小12.98%， 即在不入岩条件下采取适当的加固深度可以减小坑底隆起值；当加固深度超过2 m 时，坑底隆起值减小不明显。

图6 坑底隆起曲线图Fig.6 Pit bottom uplift curve

由于基坑周边存在2～3 层的民用建筑，需考虑各方案对地表沉降的影响， 取基坑外侧80 m范围内沉降数据，图7 为沉降曲线图，可以看出：①随着离坑边距离增加， 曲线大致为抛物线型，在距离坑边20～30 m 范围内沉降值达到最大；②原方案1 入岩地表沉降最大值为20.49 mm；③不入岩+不加固方案地表沉降最大， 最大值达到41.74 mm， 加固深度为1，2，4，6 m 时地表沉降最大值为27.96，15.62，9.18，9.22 mm。

结果表明，当加固深度不足2 m 时，相比排桩入岩方式地表沉降更大； 当加固深度大于2 m时，地表沉降可以大幅减小，但继续增大加固深度，地表沉降控制效果相差不大。

3.2 工程造价及施工难度对比分析

采取优化方案时，在确保结构安全的条件下，也要考虑方案的经济性和施工难易程度。通过这两个影响因素来分析优化方案的可行性，表4 为隧道基坑K0+412～K0+504 段主要支护结构的工程造价分析数据。

图7 地表沉降曲线Fig.7 Surface subsidence curve

表4 方案造价对比表Tab.4 Scheme cost comparison

考虑工程造价。 从表4 可知：①当采用长支护桩入岩方案时，总造价达到712.2 万元；②当不入岩且加固深度0，1 m，造价相比原方案降低11.90%，7.00%；③当不入岩且加固深度2，4，6 m 时，造价相比原方案增加2.29%，20.89%，39.48%，方案4 造价虽高出原方案1 造价2.29%，但高出数值并不大。

考虑施工难度。 由于被动区地层主要为粉砂层，采用三轴搅拌桩进行裙边加固时，旋挖钻孔施工简便，难度较小。 又因基坑外侧需要施作三轴搅拌桩止水帷幕，与裙边加固施工方法类似，可为裙边加固施工提供经验；因此裙边加固不会增加施工难度，两者方案施工难度相仿。

综上所述， 结合数值分析结果和工程造价施工难易程度， 当采用方案4 排桩不入岩+2 m 深裙边加固时， 相比原方案1 采取排桩入岩方式， 在控制排桩水平位移和坑底隆起以及地表沉降都能达到良好的效果， 而继续增大加固深度则控制基坑变形效果相差不大， 且在工程造价上不经济。 在原方案基坑隆起达72 mm 逼近基坑安全预警值时，采取偏安全的优化方案是更好的选择。 所以，选择施工方案时，建议采用方案4（不入岩+2 m 深裙边加固）。

4 结论

依托珠三角地区某明挖隧道基坑工程实例，通过数值模拟建立不同优化方案的三维模型，根据模型的计算结果对比得到如下结论：

1） 在原先排桩入岩方案基础上进行优化方案研究，发现排桩不入岩+适当深度的裙边加固能有效减少排桩水平位移、坑底隆起、基坑周边地表沉降。

2） 在此案例中，排桩不入岩且不加固会导致变形控制能力大幅降低，不能满足工程安全要求。

3） 固定加固宽度而增大加固深度，随着加固深度超过一定范围后（本文为2 m），对减小基坑变形效果不明显。

4） 采取优化方案4（不入岩+2 m 深裙边加固）时，虽造价比原方案1 高出2.29%，但能够有效控制基坑变形，且不增加施工难度，可为类似工程的设计提供一些参考。