某深厚軟土地層基坑支護方案優化研究

萬先逵，袁聰聰，黃展軍，褚東升，曹成威，石鈺鋒，

（1. 南昌軌道交通集團有限公司，江西 南昌330038；2. 華東交通大學江西省巖土工程基礎設施安全與控制重點實驗室，江西 南昌330013；3. 中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州510230）

隨著我國城市交通建設的迅速發展，基坑在交通網絡構建中發揮的作用越來越大。 在深厚軟土地層中進行基坑開挖時，支護結構的強度要求和變形要求較高，設計要求高、施工難度大、造價高且易發生工程事故，其中以珠三角的深厚軟土地層最具代表性[1-3]。許多學者對軟土基坑變形規律進行了研究，以期為基坑支護設計提供更好的理論支持和方法，降低工程造價，減少基坑事故。 方燾等[4]應用MIDAS/GTS 有限元軟件分析得出基坑外側有限土體寬度對基坑變形的影響范圍為1.5 倍基坑開挖深度。 秦愛芳等[5]研究了受卸荷影響的被動區土體加固深度的范圍，得出上海地區加固深度建議值。 張磊[6]借助ABAQUS 軟件分析了樁體入土深度對基坑變形的影響。鄭俊杰等[7]研究表明基坑被動區加固使得地表沉降及地連墻變形減少超過35%。蔣建平[8]使用數值模擬方法，分析了被動區土體加固范圍對整個深基坑的影響，結果表明隨著加固范圍的擴大，整個基坑的變形減小且但存在臨界值。 王立[9]以廣東某深基坑案例為背景，發現在軟土地區對被動土體進行加固，可以大大減少支護結構變形和受力。劉念武等[10-11]分析現場監測資料發現地表沉降與監測點基坑圍護結構距離的關系呈三折線形狀。

依托珠三角地區某深厚軟土地層基坑工程項目，通過數值模擬方法，在原46 m 長的圍護樁基礎上，采用優化方案，縮短圍護樁長的同時對坑底被動區土體進行裙邊加固，分析在加固寬度不變條件下逐步增大加固深度時，對支護樁身的水平位移、坑底隆起、地表沉降的影響，最后對這幾種方案進行工程造價及施工難度對比分析，以期為該工程和今后類似工程的設計提供參考。

1 工程概況

該明挖隧道基坑全長410 m，寬度32～40 m，場地整平后最大開挖深度約為8.5 m，基坑支護局部平面圖如圖1 所示。 場地地基屬典型珠三角深厚軟土地層，軟土厚度可達40 余米，夾淤泥質粉細砂，基巖為中、強風化砂質泥巖。 該基坑原支護方案采用排樁入巖方式，支護排樁為灌注樁，樁徑1.0 m，樁間距1.3 m，樁長46 m，中間設置一道格構柱，連系梁為鋼筋混凝土結構，共設置兩道橫撐，截取原基坑支護典型橫斷面如圖2 所示。

圖1 基坑支護局部平面圖Fig.1 Partial plan view of foundation pit support

圖2 原方案基坑支護橫斷面圖（單位：m）Fig.2 Cross-sectional view of the original scheme of foundation pit support (Unit: m)

由于原方案圍護樁長度過長，施工過程中存在塌孔等工程問題，且不經濟。優化方案提出把排樁樁長縮短為38.5 m 不入巖，兩側采用三軸攪拌樁加固被動區土體，加固區域寬3.85 m，改變加固深度來尋求合理方案，以期在保證施工質量的前提條件下，減小基坑的變形和兩側地表沉降問題。

2 數值分析

2.1 模型建立

選用有限元計算軟件MIDAS/GTS NX 建立三維模型，該軟件能夠提供完全的三維動態模擬功能，配置多種本構及用戶自定義本構模型，因而在巖土工程中應用較廣。

根據基坑的實際尺寸，選用適當尺寸進行建模，圖3 為計算模型示意圖，基坑開挖深度為8.5 m，開挖寬度為40 m，考慮兩側有居民建筑，模型寬度取200 m，支護排樁底部土體向下取30 m，模型縱向長度取120 m，確定模型尺寸為120 m×200 m×76 m（長×寬×高），基坑共分3 層開挖，土體四周約束法向位移，底面固定，頂面自由。排樁根據剛度等效原則等效為地連墻，地連墻等效厚度為0.768 m。土體采用實體單元模擬，本構采用修正莫爾-庫倫模型（HS 模型）。

修正莫爾-庫倫模型由莫爾-庫倫模型擴展而來，其將非線彈性和塑性模型聯合起來，常用于砂土和淤泥。 修正莫爾-庫倫模型的屈服面為解耦雙硬化模型， 剪切破壞和壓縮破壞互不影響。已經有許多學者[12-13]使用修正莫爾-庫倫模型（HS 模型） 進行了深厚軟土基坑開挖模擬計算，結果與實測結果較吻合。

2.2 地層及支護參數

基坑土層參數參考相關地勘資料及室內土工試驗，得到表1 所示的計算參數。

圖3 有限元計算模型Fig.3 Finite element calculation model

表1 土層計算參數Tab.1 Soil layer calculation parameters

在數值計算中，冠梁、鋼筋混凝土支撐、腰梁、鋼支撐及支護排樁均采用梁單元模擬，支護計算參數如表2 所示。

表2 支護結構計算參數Tab.2 Sample parameters list

2.3 模擬施工步驟

基坑的開挖通過MIDAS 中的鈍化（R）來實現，支護通過MIDAS 中的激活（A）來實現。 開挖流程通過MIDAS 中施工階段助手設置， 具體步驟如下：

1） 地應力平衡計算。地層在自重作用下會產生位移應力變化，得到地層初始固結狀態，據此計算結果來判斷模型是否正常。

2） 圍護結構施工模擬。 模擬支護排樁、格構柱及立柱樁施工，此階段位移進行清零，不計入下階段的基坑開挖。

3） 模擬基坑開挖。 基坑共分3 層開挖，第1層開挖至1 m， 施作樁頂冠梁及第1 道混凝土橫撐； 第2 層開挖至5 m， 施作腰梁及第2 道鋼支撐；第3 層開挖至坑底，方案中如含有裙邊加固，在此階段施作。

2.4 模擬方案

依據原設計方案，結合現場條件進行優化比選，擬定6 種支護方案，方案1 為原方案，其余為優化方案，具體工況如表3 所示。

裙邊加固方式為三軸攪拌樁加固，樁徑850 mm，樁間距600 mm，咬合長度250 mm，故加固寬度為3850 mm（600×5+850）。方案1 為原方案，支護樁長為46 m（入巖），無裙邊加固，其余方案采用樁長38.5 m（不入巖），加固深度依次為0，1，2，4，6 m，加固深度0 m 時為坑底土體沒有被加固的情形。 裙邊加固布置方式如圖4 所示，攪拌樁水泥摻量為22%。

表3 支護方案表Tab.3 Support plan

圖4 裙邊加固布置方式Fig.4 Skirt reinforcement arrangement

3 計算結果分析

3.1 方案模擬結果對比分析

取基坑模型中部的支護排樁繪制最終工況下的樁身水平位移圖（圖5 所示），從圖5 可以看出：①樁身向坑內發生水平位移，在深度方向上大致呈拋物線型；②當采用方案2 排樁不入巖且不加固方式時，樁身水平位移峰值最大可達64.47 mm，原方案1 入巖排樁的最大峰值為24.44 mm；③當采取不入巖且施作裙邊加固深度為1，2，4，6 m 時，最大水平位移降為35.44，23.05，22.55，22.43 mm。

結果表明，相比單獨使用長排樁入巖方式，采用縮短樁長不入巖+適當增加裙邊加固深度，可以有效控制樁身水平位移，位移減小最大可達8.22%；同時裙邊加固深度具有范圍，當加固深度超過2 m 時，樁身最大水平位移值減小并不明顯。

圖5 支護排樁樁身水平位移Fig.5 Horizontal displacement of perfusion pile

在軟土地層進行基坑開挖時，坑底隆起也是用于判斷基坑是否穩定的一項重要因素。 取基坑底部一半繪制基坑隆起曲線圖（圖6 所示），可以看出：①隆起曲線隨著距離坑壁距離增加，大致呈現先增大后緩慢減小趨勢，最大隆起值在距坑壁15 m 處；②當采用方案2 排樁不入巖且不加固方式時， 最大隆起值為180.71 mm， 原方案1 入巖不加固的最大隆起為72.46 mm；③當采取不入巖且施作裙邊加固深度為1，2，4，6 m 時，最大隆起值分別為115.81，65.23，63.61，63.06 mm。

結果表明，采用加固深度0，1 m 時，最大隆起值大于原排樁入巖方式，但是采用加固深度為2，4，6 m 時，坑底隆起值得到有效控制，坑底隆起值較比原方案1 分別減小了7.23，8.85，9.40 mm，最大減小12.98%， 即在不入巖條件下采取適當的加固深度可以減小坑底隆起值；當加固深度超過2 m 時，坑底隆起值減小不明顯。

圖6 坑底隆起曲線圖Fig.6 Pit bottom uplift curve

由于基坑周邊存在2～3 層的民用建筑，需考慮各方案對地表沉降的影響， 取基坑外側80 m范圍內沉降數據，圖7 為沉降曲線圖，可以看出：①隨著離坑邊距離增加， 曲線大致為拋物線型，在距離坑邊20～30 m 范圍內沉降值達到最大；②原方案1 入巖地表沉降最大值為20.49 mm；③不入巖+不加固方案地表沉降最大， 最大值達到41.74 mm， 加固深度為1，2，4，6 m 時地表沉降最大值為27.96，15.62，9.18，9.22 mm。

結果表明，當加固深度不足2 m 時，相比排樁入巖方式地表沉降更大； 當加固深度大于2 m時，地表沉降可以大幅減小，但繼續增大加固深度，地表沉降控制效果相差不大。

3.2 工程造價及施工難度對比分析

采取優化方案時，在確保結構安全的條件下，也要考慮方案的經濟性和施工難易程度。通過這兩個影響因素來分析優化方案的可行性，表4 為隧道基坑K0+412～K0+504 段主要支護結構的工程造價分析數據。

圖7 地表沉降曲線Fig.7 Surface subsidence curve

表4 方案造價對比表Tab.4 Scheme cost comparison

考慮工程造價。 從表4 可知：①當采用長支護樁入巖方案時，總造價達到712.2 萬元；②當不入巖且加固深度0，1 m，造價相比原方案降低11.90%，7.00%；③當不入巖且加固深度2，4，6 m 時，造價相比原方案增加2.29%，20.89%，39.48%，方案4 造價雖高出原方案1 造價2.29%，但高出數值并不大。

考慮施工難度。 由于被動區地層主要為粉砂層，采用三軸攪拌樁進行裙邊加固時，旋挖鉆孔施工簡便，難度較小。 又因基坑外側需要施作三軸攪拌樁止水帷幕，與裙邊加固施工方法類似，可為裙邊加固施工提供經驗；因此裙邊加固不會增加施工難度，兩者方案施工難度相仿。

綜上所述， 結合數值分析結果和工程造價施工難易程度， 當采用方案4 排樁不入巖+2 m 深裙邊加固時， 相比原方案1 采取排樁入巖方式， 在控制排樁水平位移和坑底隆起以及地表沉降都能達到良好的效果， 而繼續增大加固深度則控制基坑變形效果相差不大， 且在工程造價上不經濟。 在原方案基坑隆起達72 mm 逼近基坑安全預警值時，采取偏安全的優化方案是更好的選擇。 所以，選擇施工方案時，建議采用方案4（不入巖+2 m 深裙邊加固）。

4 結論

依托珠三角地區某明挖隧道基坑工程實例，通過數值模擬建立不同優化方案的三維模型，根據模型的計算結果對比得到如下結論：

1） 在原先排樁入巖方案基礎上進行優化方案研究，發現排樁不入巖+適當深度的裙邊加固能有效減少排樁水平位移、坑底隆起、基坑周邊地表沉降。

2） 在此案例中，排樁不入巖且不加固會導致變形控制能力大幅降低，不能滿足工程安全要求。

3） 固定加固寬度而增大加固深度，隨著加固深度超過一定范圍后（本文為2 m），對減小基坑變形效果不明顯。

4） 采取優化方案4（不入巖+2 m 深裙邊加固）時，雖造價比原方案1 高出2.29%，但能夠有效控制基坑變形，且不增加施工難度，可為類似工程的設計提供一些參考。