北京市某基坑支护设计方案选型分析

2022-09-14吴丽萍程凡伟

科学技术创新 2022年25期

吴丽萍，程凡伟

（长春工程学院，吉林长春 130000）

自二十一世纪以来，我国的经济迅速发展，高层建筑物日益增多，土地资源愈来愈匮乏，场地施工空间越来越狭小，导致很多建筑机械无法正常运行，地下空间的开发与利用离不开对土体的支护[1-2]。因此，对层数为17～40 层且高度在50 ～100 m 的商业住宅或层数在40 层以上且高度超过100 m 的商业住宅的超大深基坑施工技术提出了更严格的要求，在施工中不仅需要保证工程项目按进度计划实施，还需要考虑施工方案中的某个施工工艺的技术安全性，在执行过程中所用的劳动力费用、建筑机械费用和材料费用。如今在建筑行业中大多数采用招投标的形式选择一个既能保证施工安全且经济效益最高的施工方案。

1 工程概况

本项目位于北京市海淀区，其拟建项目包括2 个地块，用地面积为59 060.26 m2。基坑占地面积为51 282.28 m2，周长为1 105.8 m，支挡结构共有4 个剖面, 基坑的深度为7 ～10.5 m，基坑安全等级为二级。

2 水文地质条件

2.1 地质条件

根据现场实地勘察，在不扰动或者基本不扰动原位土层的情况下对土层做标准贯入、十字板剪切、静载等试验。根据沉积年代和成因类型等条件，本工程项目勘察最大勘探的深度达到35 m 范围内的土层，分为人工填土、第四系新近沉积层、一般第四系地层，按地层特性把土层分为9 层。

2.2 水文地质条件

现场勘测深度达到21 m 时共揭露4 层地下水，第一层地下水的类型为潜水，后三层为承压水。其初见水位埋深分别为2～3 m、9～10.7 m、13.3～15.7 m、18～20.7 m。该区域近几年最高稳定水位标高41 m,水位变化幅度约1～2 m。

3 设计方案选型

3.1 常见的支护形式

通常根据基坑深度、基坑的周边环境以及水文地质条件等因素把基坑的安全等级划为3 个等级。根据基坑的安全等级，采用不同支护方式，常见的支护形式有支挡式结构、土钉墙、重力式水泥土挡墙、放坡、水泥土插型钢等[3]。

（1）支挡式结构包括护坡桩+锚索、护坡桩+支撑、单排护坡桩、双排护坡桩、地连墙等，在这些支护结构中，比较常见的是锚拉式和支撑式，共同的优点是挡土墙的本身强度较高，抵抗外力的变形的能力强，支护结构稳定性较好，一般情况下不会产生倾覆。桩顶的水平位移、竖向位移等变形较小。通常用于地下室层数大于或等于2 层的基坑支护中, 基坑的深度通常为8～22 m，适用较差的土层。但是它们共同的缺点是造价高、施工工期长。

（2）土钉墙包括单一土钉墙、预应力锚杆复合土钉墙、水泥土桩垂直复合土钉墙等。其中单一土钉墙是土钉墙中最常见的支护形式，其优点是挡土墙稳定可靠、造价较低、支护效果较好。缺点是对土质条件要求比较高，适用于地下水位的标高低于土钉底端的标高或者在基坑开挖前经过降水的非软土基坑，还要考虑周边建筑物是否在土体的滑动面上，若建筑物在基坑潜在的滑动面上，则不宜采用土钉墙支护。

（3）水泥土重力式。此支护形式的优点：①施工时不会对周边环境造成污染；②水泥土土柱状加固挡土墙不需要设置内支撑，不会因空间狭小导致土方开挖及施工效率低；③因重力式挡墙是将水泥浆和原状土强制搅拌并相互搭接，所以挡土墙不仅有挡土的作用，还有止水的效果；④因为水泥的掺入量不高，所以造价相对较低。缺点是施工速度较慢，适用于较厚的回填土、淤泥、淤泥土质的地层，通常适用于基坑深度不大于7 m 的工程。

（4）SMW 工法：优点：①不需要钻孔，不存在孔壁的淤泥质土坍塌现象，降低了临近建筑物的影响；②SMW 工法的桩体相互搭接，因此具有较好的截水性；③适用填土、淤泥质土、黏性土、粉土等土层；④与其他支护形式相比，成桩速度快，工期缩短将近一半；⑤从经济方面考虑，绝大多数的型钢是可以回收的，降低了工程的造价。缺点是对施工工艺要求较高。

3.2 支护方案选型

根据各种基坑支护类型优缺点概述，再结合该项目的地质条件、基坑周边是否存在建筑物、地下管线等因素。项目选择了两个支护方式方案，分别是桩锚+高压旋喷、SMW 工法+锚索。

3.2.1 方案一

桩锚+止水帷幕设计参数：护坡桩桩径为0.8 m，桩长为18 m，桩间距为1.3 m，护坡桩嵌入深度为7.5 m,护坡桩和冠梁混凝土强度等级为C25；设有3 道锚索，锚索孔的直径为150 mm:MS-01 的自由端长度为10 m，锚固长度为15 m，锁定值为230 KN,MS-02 的自由端长度为8.0 m，锚固长度为18 m，锁定值为230 KN，MS-03 的自由端长度为10 m，锚固长度为15 m，锁定值为330 KN；止水帷幕采用高压旋喷止水帷幕，旋喷桩桩径1 000 mm，桩间距为1 300 mm，桩长为1 650 mm。

3.2.2 方案二SMW 工法+锚索设计参数: 采用Φ650@400 的三轴水泥土搅拌桩+H500×200×10×16 的型钢,其中桩长为18 m,水泥掺入量20%,嵌入深度为7.5 m;型钢布置形式为插二跳一。设有3 道锚索,锚索孔的直径为150 mm:MS-01 的自由端长度为10 m,锚固长度为15 m, 锁定值为230 KN,MS-02 的自由端长度为7.0 m,锚固长度为19 m,锁定值为230 KN,MS-03 的自由端长度为10 m,锚固长度为15 m,锁定值为330 KN。

4 方案比选

4.1 数值模拟

4.1.1 MIDAS GTS NX 概述

MIDAS GTS NX 是一款关于岩土和隧道结构的有限元分析软件，该软件包括非线性弹塑性分析和施工阶段分析等，在基坑支护建模中,为了模拟土方分层开挖对周边建筑物以及地下管线的影响，采用的是施工阶段分析，MIDAS GTS NX 的建模步骤：①先利用CAD 画好几何模型; ②导入dwg 格式的CAD 几何模型;③设置材料参数;④生成并划分实体;⑤生成网格单元;⑥增加自动约束及自重;⑦设置分析阶段;⑧分析工况及求解。

4.1.2 本构模型的选择

由于岩土体材料的弹性模量、黏聚力、泊松比等其他物理参数存在一定的差异性，因此人们很难采用统一的数学表达式来表示岩土体在外力作用下导致的力学响应特性。MIDAS GTS NX 提供了线弹性模型、摩尔- 库伦模型、修正摩尔- 库伦模型、范梅赛斯模型等本构模型。本案例选用的是修正摩尔- 库伦本构模型。

4.1.3 材料参数的选择

修正摩尔- 库伦本构模型中通常有泊松比、容重、内摩擦角、黏聚力、三轴加载刚度E50ref、固结仪加载刚度Eoedref、三轴卸载刚度Eurref等参数。地勘报告上可以查找土的容重、内摩擦角、黏聚力、压缩模量，根据前人经验,E50ref=Eoedref，Eurref是E50ref的3～5 倍[4]。当内摩擦角为a°(a 大于30°),最终剪切摩擦角取(a-30)°;当内摩擦角为b°(b 小于等于30°),最终剪切摩擦角取0°。

4.1.4 建立模型

本案例选取的基坑深度为10.5 m,根据前人的经验，在建立几何模型时，基坑开挖的影响区域为开挖深度的3 倍，影响的深度范围为开挖深度的2～3倍。确定此案例几何模型的影响深度区域是32 m,基坑开挖影响区域是35 m。

4.1.5 结果分析对比

（1）周边沉降对比分析。由图1 和图2 可知，工况4（开挖4）：方案一、方案二的周边沉降最大值分别是-9.33 mm、-9.16 mm，方案一周边沉降的最大值比方案二周边沉降的最大值大0.17 mm, 且都在基坑监测控制值范围内。