綜合管廊大斷面異形基坑穩定性與支護技術研究

劉 陽，皮亞東

(1.民航機場建設工程有限公司，天津 300450；2.北京金港場道工程建設有限公司，北京 100071)

1 依托工程簡介及研究意義

1.1 依托工程簡介

北京大興國際機場飛行區地下綜合管廊工程位于飛行區內，由航站區分隔開來，分航站區東側管廊、西側管廊和北側磁大路管廊共3條，呈“兩縱一橫”布置，東西兩側管廊在航站樓附近與磁大路管廊相接。其中西側綜合管廊總長度約為3 016.07 m，基坑開挖深度為7.5～11.0 m。西綜合管廊南段與遠機位站坪區3#下穿通道走向相同，管廊結構外邊緣與下穿通道結構邊緣相距9.3 m。由于結構相距過近，如分別開挖溝槽將對結構產生相互影響，經設計單位同意，確定了綜合管廊與3#下穿隧道同槽開挖的施工方案。根據勘察報告及管廊(管線)的埋深情況，本基坑工程選用自然放坡、復合土釘墻(局部支護樁+內支撐)的支護形式，基坑支護橫斷面圖如圖1所示。下穿通道AK1+100.660至AK1+280.660樁號分別為U形槽與擋土墻段(對應綜合管廊樁號為FX+2472.500—FX+2652.500)，道面縱向坡度呈上升趨勢，由通道最低點標高16.00 m(絕對高程)升至設計地面標高23.00 m，而管廊基坑底面高程僅有2‰的坡度，同槽開挖造成AK1+100.660—AK1+280.660段的基坑在豎向上呈異形。

圖1 基坑支護橫斷面圖

1.2 工程地層主要特征

建設場地涉及勘探鉆孔最大深為22.00 m。依照地層成因和形成年代將地質勘探范圍內的地層從上至下共劃分為5個大層及其亞層，表層為人工填土層(第1大層)，其下為新近沉積層(2～3大層)及一般第四紀沉積層(4～5大層)，巖性以粉土、黏性土及砂土為主。

1.3 研究方法與意義

本文以大興國際機場附屬地下綜合管廊工程為背景，基于現有邊坡設計與穩定性理論分析大斷面異形基坑的整體穩定性和土層變形特性，將分析結果與現場實測結果相互驗證，對基坑支護結構和邊坡支護穩定性進行分析。最后，提出大斷面異形基坑邊坡支護的最佳方案和基坑邊坡支護的方法。本文的研究成果將有助于分析和認識北京地區綜合管廊異形深大基坑與圍護結構的穩定性及周邊土體變形特性，對指導這類基坑的設計和施工有借鑒意義。

2 基坑穩定性理論與變形機理

2.1 基坑失穩模式與機理

基坑失穩是指在基坑開挖或結構施工過程中，由于對某些關鍵工藝或關鍵部位如圍護樁結構施工、土釘或預應力錨索成孔、注漿以及降排水措施控制不嚴，在圍護結構本身及滲水、荷載等外力作用下，引發基坑坍塌、滑移等事故或達不到設計標準。

通常認為基坑土體強度不足和圍護結構的強度或剛度不足是引起基坑失穩的兩個主要原因，具體分析如下文所述。

2.1.1 整體或局部滑塌、失穩

基坑圍護結構嵌固深度不足，從而導致在外荷載作用下，基坑整體或局部失穩。導致這種現象的原因通常是采用了土釘或錨索等外圍護形式，并且土釘、外拉錨的長度不足，沒有深入到抗滑面以下，或者是圍護樁墻底沒有達到不透水層而處于軟弱土層中。

2.1.2 支撐結構變形過大或支撐、拉錨破壞

基坑支撐、拉錨拉出或者斷裂，內部支撐截面過小造成壓曲，圍檁破壞，從而導致支護失效而引起基坑失穩。導致這種現象的原因通常是設計時對施工環境及地質情況考慮不周和支撐結構施工存在質量問題，或是施工過程中外界環境條件發生改變。

2.1.3 基坑周圍土體沉陷、傾斜

降水施工引起的地下水位下降和基坑支護結構斷面過小是引起土體沉陷、傾斜的兩個主要原因，具體表現在降水施工引起的地下水位下降，土體有效應力增加，密實度增加，引起土體沉陷。基坑支護結構斷面過小，剛度不夠，在主動土壓力或上部荷載作用下，圍護結構上部向坑內出現位移，引發土體沉陷、傾斜。

2.1.4 坑底土體隆起

基坑開挖深度較大，且坑底土層為軟黏土層時，在基坑外側土體自重和外部上覆荷載的作用下，可能會發生坑底土體隆起，此時基坑支護體系可能不會被完全破壞，但會出現圍護樁、墻的傾斜或斷裂。

2.1.5 滲流破壞

當基坑四周的地下水位高于基坑內水位時，并且圍護樁墻沒有插入不透水層，或基坑底部覆土較淺，不足以抵抗地下水壓力時，地下水產生自下而上的動水壓力，土顆粒將出現懸浮狀態，一起隨水流動，形成一個流動通道，在滲流的作用下，通道不斷增大，引起流沙、管涌、突涌等情況，最終造成土體破壞。

需要指出的是，誘發基坑失穩或破壞的原因往往不是一種，破壞的表現形式往往也不是一種，而是幾種破壞形式綜合在一起。

2.2 基坑變形的模式與機理

基坑在開挖時，坑底土體的位移方向以向上為主，這是由于開挖面土體的卸荷和基坑四周土體的土壓力而引起的。另外，圍護結構水平與豎向偏移和基坑底土體向上隆起是導致基坑開挖過程中周圍地層位移的主要原因。

2.2.1 圍護結構變形

圍護結構變形主要分為水平變形和豎向變形兩種形式。圍護結構的結構形式、剛度和施工方法等都是引起圍護結構水平變形的主要原因。圍護結構水平變形主要可分為四類：懸臂型位移、拋物線位移和兩者組合形態位移以及踢腳型位移，如圖2所示。

圖2 維護結構水平位移圖

(1)懸臂型位移：圍護結構沿基坑內部的水平位移成懸臂式分布，圍護結構的最大變形處位于結構頂部，通常出現在基坑開挖較淺，未設置冠梁或第一道支撐時。

(2)拋物線型位移：開挖達到一定深度時，剛性圍護結構會出現向基坑內部的兩端小、中間大的三角形位移或整體平行位移，柔性結構會出現頂部向外位移或者頂部位移不變，中部向基坑內部突出的拋物線型位移形態。

(3)組合型位移：該形態一般呈懸臂式位移與拋物線型位移的組合，通常發生在設有多道支撐或拉錨的結構體系中。

(4)踢腳型位移：圍護結構底部土層為軟弱土層或透水層，并且入土深度較淺時，圍護結構底部會產生較大變形，而當圍護結構底部土層為堅硬土層或巖層時，則不會出現該種踢腳型位移。

圍護結構的豎向位移對圍護結構自身和基坑的穩定性有較大影響。主要體現在圍護結構的上升和下沉，如土體的開挖卸荷導致的土體應力釋放，將會使圍護結構上升，而圍護結構底部存在較厚的沉渣或位于軟弱土層時，將會使圍護結構下沉。

2.2.2 坑底隆起

基坑底部隆起模式通常可分為彈性隆起和塑形隆起。

(1)彈性隆起：坑底土體隆起形態呈現中部高而四周低。造成彈性隆起的主要原因通常是基坑開挖深度較淺時，隨著土體開挖，土體內應力得到釋放。

(2)塑性隆起：坑底土體隆起形態呈現四周大、中部小，造成塑性隆起的主要原因通常是基坑開挖深度較大時，圍護結構呈現中間部位位移比兩端位移大的受力形態，然而對于長條形或寬度較小的基坑，坑底土體隆起形態仍表現為中部大、四周小。

3 基坑穩定性計算結果分析與支護結構受力分析

3.1 基坑穩定性計算結果分析

根據《復合土釘墻基坑支護技術規范》(GB 50739—2011)5.3.2條、5.3.5條，通過對不同開挖深度模型計算，得到基坑整體穩定性計算結果。見表1。

表1 基坑整體穩定性計算匯總表

3.2 基坑支護結構受力分析

3.2.1 基坑土釘抗拔承載力計算

通過對基坑不同開挖深度的土釘抗拔承載力進行計算，結果見表2。

表2 基坑土釘抗拔承載力匯總表

3.2.2 基坑土釘驗收抗拔力計算

根據《復合土釘墻基坑支護技術規范》(GB 50739—2011)5.2.6條 ，土釘的工作系數φ=1.000，得到：

基坑右側土釘抗拔力：①Tyj(KN)=232.227；②Tyj(KN)=311.395；③Tyj(KN)=311.395；

基坑左側土釘抗拔力：①Tyj(KN)=311.395；②Tyj(KN)=311.395；③Tyj(KN)=311.395；④Tyj(KN)=311.395；⑤Tyj(KN)=232.227。

4 基坑實際監測成果

基坑東側每隔10 m設置一處沉降觀測樁。該基坑在2016年9月初開挖，于2016年10月初挖到底，至2017年9月基坑回填，此期間的實測位移曲線和沉降曲線如圖3所示，最大位移量為45 mm，最大沉降量為47.6 mm。位于基坑頂部靠近綜合管廊一側，基坑實際變形及沉降與理論分析結果大體相同。

圖3 基坑位移及沉降曲線圖

5 結論與展望

伴隨國內基建工程的發展，對于大型基坑，特別是異型基坑，目前規范的計算方法無法考慮深基坑的一些影響，對異形基坑的穩定性及支護技術研究不足。本文以北京大興國際機場附屬綜合管廊工程為背景，重點考慮各影響因素對異形基坑穩定性和變形性的影響，采用經典力學理論分析方法對基坑的整體穩定性、支護結構受力情況以及基坑抗傾覆能力進行計算，檢驗基坑整體安全系數滿足要求。開挖后的基坑主要出現了坑底的隆起和邊坡水平位移情況[1]。這時由于基坑邊坡有滑移的趨勢，使得邊坡下部的土體有向邊坡外側移動的傾向，而上部土體則有向邊坡內側移動的趨勢。總體上，此階段對基坑穩定性和變形的影響較小。隨著中間基坑邊坡坡度的變化，基坑整體呈現出一定的變化。基坑整體位移有向左移動的趨勢，豎向位移中左側隆起明顯高于右側；右側基坑出現向左擴移的水平移動趨勢。此時為關鍵階段，容易發生基坑失穩或變形加大。

本文在分析基坑穩定性與變形特性時，沒有考慮基坑暴露時間、地下水以及地震等多種不利因素的影響，而這些也是影響基坑穩定性的主要因素，值得進一步進行研究。同時本文只對明挖基坑放坡開挖的豎向異形基坑斷面穩定性進行了分析研究，沒有擴展到其他不同支護類型的縱橫向異形基坑穩定性研究上，因此還需進一步擴大研究類型與研究范圍。