大跨度深基坑內支撐支護施工研究

摘要：通過MIDAS有限元分析軟件探討了基坑施工時地表沉降、基坑隆起以及圍護樁變形的規律，并針對圍護樁樁徑參數對變形的影響做出進一步的研究。可以得到如下結論：隨著不斷開挖的基坑深度，周圍地表表現出“U”型的變化規律，基坑坑底有不斷增加的隆起，圍護結構變形也在不斷增加，且樁徑的增加能夠提高其自身承載力和穩定性。

關鍵詞：數值模擬;基坑支護;變形分析;鋼筋混凝土

0" "引言

基坑工程開挖深度的不斷加深，使其需面對的施工條件也越來越復雜多樣，這對于基坑項目的施工提出了較大挑戰[1]。當前，已有較多關于深基坑的研究，如國內黃華等人通過有限元模擬軟件，分析了深基坑支護結構的參數[2]。楊歡歡等人對圍護墻的變形和土體溫度間的聯系進行了研究[3]。牛恒達則基于MSD法探討了圍護結構和地面沉降的聯系[4]。國外學者Benmebarek通過有限元建模的方式，探討了深基坑項目的建設流程[5]。Grabe J對樁錨打樁進行了模擬，探討了墻體的應力分布情況[6]。

基坑工程是巖土類研究中難度較高課題之一[7]，基坑工程中有較多的基坑支護方式，不同方法有不同的優缺點，需綜合各種條件進行考慮，基坑支護是否合理對施工的安全性及工程質量有著較大影響，因此對基坑工程的支護結構施工開展進一步的研究非常有必要。

1" "鋼筋混凝土內支撐施工

1.1" "施工要點

1.1.1" "土方開挖

施工時按照遠到近的方式先進行支護后開挖。若基坑中的支撐數目較多，應基于支撐層數分層進行開挖。每層開挖時，按照基坑深度和施工機械伸展性能決定如何分層。必須確保混凝土強度滿足要求后，再進行下一層土體的開挖。

此外，開挖基坑時必須確保基坑降水滿足要求，一般情況下可按照地下水程度設置降水井。為避免支撐梁被車輛壓壞，需將50cm以上的土覆蓋到支撐梁上部位置，以進行保護。開挖基坑時，還需要做好支撐柱和護臂支撐點鑿毛工作。

1.1.2" "護壁施工

施工前需做好圍檁梁連接位置的鑿毛工作，以確保連接時具有一定的可靠性。不同的支撐點位置護壁施工的方案也有所不同，若在頂部設置支撐點，則應先將鋼筋預留在頂部位置。若支撐點在某一標高之上，也需要將多出鋼筋拉直。

1.1.3" "支撐梁施工

應基于規范標準進行混凝土灌注和養護等施工。可通過將適量早強劑添加到混凝土中的方式節省施工時間，但必須確保上層混凝土強度滿足要求后再開挖下層土體。為確保拆除后期支護結構更為方便，應在澆筑混凝土前將爆破孔預留好。為確保施工安全，應將焊接桿件預留到兩側支撐梁上。為確保支撐體系穩定，應做好鋼筋混凝土支撐梁及圍檁同步澆筑。若對支撐梁起拱高度有一定的要求，則應遵照設計規范設計。

1.2" "施工特點

大跨度鋼筋混凝土內支撐梁通過機械化施工，雖然需要一次性投入較高的資金，但具有較好的整體穩定性，能夠極大程度提高施工效率。以混凝土為支撐材料，能夠在一定程度上確保基坑周邊土體的穩定性，保障基坑內支護的穩定性。同時內支撐所需的施工空間也較大。

在大型深基坑支護中，鋼筋混凝土支撐作為最為常見的內支撐結構，其特點為變形較小。水平受壓是鋼筋混凝土支撐的主要受力方式，隨著不斷加大的開挖深度，擋土結構的水平壓力也在不斷增大，從而確保鋼筋混凝土支撐結構的材料特性能夠得到有效的發揮。

若將鋼筋和支撐截面增大，則即可使鋼筋混凝土支撐強度得到提升，也能確保地下施工的安全。施工鋼筋混凝土支撐不受場地所約束，能夠保障施工順利進行。若場地允許，還可將臨時施工便道搭設到施工平臺上。以鋼筋混凝土內支撐的方式進行設置，能夠在一定程度上將施工周期縮短，因其內支撐形式內部空間較大，能夠同時進行多臺機械的施工。

2" "工程概況

某鋼筋混凝土薄壁結構采用筏板基礎，并設有抗拔樁，由于不均勻的地基沉降對其產生較大影響。從現場調研報告可知，施工場地為堆土區，自開挖完上部土方之后，周邊地面約有28～33m的自然標高，基坑底板約有9.5～13m的標高，實際上基坑有15～23m的開挖深度。以I級的等級標準進行基坑施工。使用灌注樁和三層鋼筋混凝土支撐的方式進行基坑兩側的支護，為保護樁間土，在較厚填土區域設置有高壓鉆噴樁。基坑施工分塊圖1所示。

在進行第一道支撐梁底膜施工時，以設計標高為準開鑿圍護樁頂。通過素土夯實、上部貼塑料薄膜，一側用圍護體加固、一側用木質模塊加固的方式，加固第二和第三道支撐腰梁的底模。施工時，為確保能夠有效銜接圍檁和圍護體，需通過鑿毛的方式處理兩者的接觸面，并采用清水進行清理。基于場地地質條件，選擇以旋挖成孔的方式施工鉆孔樁，具體流程如圖2所示。

3" "基坑施工及監測

該基坑項目約有15～23m的開挖深度，以一級的安全等級標準進行支護結構的建設。

3.1" "支撐施工

3.1.1" "第一道支撐

施工前，先在已經完成平整的場地運送好第一道支撐梁鋼筋，再按照相關規定放置并綁扎好第一道支撐。通過木模以及斜撐等支護好已完成綁扎的鋼筋籠，以確保在澆筑混凝土時不會有漏漿等現象出現。在保證完成上一步驟之后，通過大型吊運車將混凝土攪拌車吊運到位，澆筑已完成支護的模具，澆筑完支模后再對其進行養護。當混凝土強度滿足設計強度要求后，即可將原有模具進行拆除。

3.1.2" "第二道支撐

先進行第二層土體開挖。為縮短施工工期，在開挖區域同時使用多臺機械進行施工。施工到設計標高之后，進行殘留土體的整平并施工支撐墊層。在完成上一道施工工序之后，重新采用木模等進行支護，以保證在澆筑混凝土時不會有漏漿等情況出現。在完成上述施工后即可進行模板澆筑和養護施工。

3.1.3" "第三道支撐

同理，當第二層支撐的混凝土強度滿足要求后，即可通過挖掘機開挖第三層土體。在澆筑完三層支撐后需開展清理工作。

3.2" "有限元模型建立

該基坑項目最長邊長度241.05m，最短邊尺寸長度88m，為盡量避免模型尺寸對結果造成影響，在建模時以大于2倍的開挖深度作為模型的縱向尺寸，以3～5倍的開挖深度作為模型的橫向尺寸[8]，以432m×280m×50m作為建模尺寸。

項目圍護體系使用的鉆孔灌注樁， 直徑為1.2m，間距為5.5m。模型中以3m作為開挖土體網格單元，以5m作為外圍土體網格單元，以5m控制模型邊界尺寸，使用六面體混合網格作為網格劃分器。基坑三維模型圖3所示。

3.3" "監測結果分析

限于篇幅，本文僅列出部分數據。在基坑周圍的地表沉降中，地表在1m的基坑開挖深度時約有14.8816mm的沉降，在6.6m的開挖深度時約有15.8235mm的沉降，在11.6m的開挖深度時有17.1045mm的沉降。在進行最后一層土體的開挖時，因為有10.5m的較大開挖深度，為確保施工安全轉變為分層開挖。從圖4所示結果可以看出，此時的土體約有17.4007mm的沉降。

地表沉降保持在規范值內，說明模型具有合理性。在開挖基坑時，基坑坑底隆起不斷增加，因圍護墻深度較大且相比于土體有更大的剛度，導致基坑坑底土體被不斷擠壓，最終呈現出“中間大，周圍小”的規律，基坑坑底的中部位置分布著最大的基坑隆起值。

在圍護墻變形中，灌注樁的水平位移隨著不斷增加的開挖深度表現出線性增大規律。圍護墻在第一層土體開挖時有4.68mm的變形值，之后的圍護墻位移隨著不斷開挖的土體不斷增加，整體上的變形規律表現為中間大上下小。

從模擬結果可以看出，在第三道橫向支撐中最大內支撐橫向軸向壓力為2914kN，相同位置的第一道支撐的軸力為78.2kN，第二道支撐的支撐軸力為1130kN。相比于支撐桿件承載力的最大值，內支撐的各個桿件具有較大的軸力，且變形也較小。總體上看，內支撐構件布置方式合理，能夠確保整個支護體系保護效果良好。

對于灌注樁的剛度而言，樁徑大小對其有起著決定性作用。本文在控制其他參數不變的前提下，僅對灌注樁樁徑做出改變。在原有1200mm樁徑基礎之上，增加1000mm和1400mm樁徑作為對照組。從結果可以看出，圍護墻水平位移最大值在樁徑上升到1200mm時地表沉降有顯著降低，約從91.73mm降低到82.06mm。由此看出，對于圍護結構而言，提高灌注樁直徑對其有較大影響，除了能使圍護樁自身承載力有所增加之外，還會使其穩定性有所增大。圍護樁變形值在樁基從1200mm上升至1400mm時，地表沉降從82.06mm降低為73.22mm，對于基坑的安全性有較大提升。

4" "結語

本文結合具體工程項目，通過MIDAS有限元分析軟件探討了基坑施工時地表沉降、基坑隆起以及圍護樁變形的規律，并針對圍護樁樁徑參數對變形的影響做出進一步的研究。可以得到如下結論：

在大跨度深基坑中，采用內支撐的方式進行支護是可行的。基坑外圍地表的沉降隨著不斷土體的不斷開挖表現不斷增大的規律，從整體上看，其沉降規律表現為“U”型，對于基坑變形而言，圍護樁樁徑對其有較大影響。

在圍護結構中，樁身和樁底有較大的水平位移，因此要盡可能降低第二道和第三道支撐深度。隨著不斷開挖的基坑，基坑隆起也不斷增加，施工時應加強對其的監測，以避免出現安全事故。

參考文獻

[1] 龔曉南.基坑工程實例[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2] 黃華，曾志成，張峰，等.不同粧錨支護結構受力性能及影響因素[J].公路交通科技，2015，32（12）：58-66.

[3] 楊歡歡，楊雙鎖，鮑飛翔，等.太原地鐵深基坑溫度效應有限元分析 [J].施工技術，2018.47（5）118-121.

[4] 牛恒達.基于MSD法深基坑變形預測研究[D].中國地質大學（北京）.2018

[5] Benmebarekm，Khelifa. Numerical Evaluaion of 3D Passive Earth"Pressure Corfficients for Retaiing Wall Subjected to Transiation [J].Computers and Geotechnics ，2008.35（1） 47-60.

[6] Grabe，Henke S，Schumann B. Numerical Simulation of Pile Driving"in the Passive Earth Pressure Zone of Excavation Support Walls [J]."Bautechnik ，2009（86）：40-5

[7] 吳野.基坑工程支護設計、施工與監測技術的研究[J].內蒙古科技大學，2007（5）：138.

[8] 齊振宇.基坑不同支護結構的數值模擬分析[J].水利與建筑工程學報，2007，15（1）：1990-203.