北京市某基坑支護設計方案選型分析

吳麗萍，程凡偉

（長春工程學院，吉林 長春 130000）

自二十一世紀以來，我國的經濟迅速發展，高層建筑物日益增多，土地資源愈來愈匱乏，場地施工空間越來越狹小，導致很多建筑機械無法正常運行，地下空間的開發與利用離不開對土體的支護[1-2]。因此，對層數為17～40 層且高度在50 ～100 m 的商業住宅或層數在40 層以上且高度超過100 m 的商業住宅的超大深基坑施工技術提出了更嚴格的要求，在施工中不僅需要保證工程項目按進度計劃實施，還需要考慮施工方案中的某個施工工藝的技術安全性，在執行過程中所用的勞動力費用、建筑機械費用和材料費用。如今在建筑行業中大多數采用招投標的形式選擇一個既能保證施工安全且經濟效益最高的施工方案。

1 工程概況

本項目位于北京市海淀區，其擬建項目包括2 個地塊，用地面積為59 060.26 m2。基坑占地面積為51 282.28 m2，周長為1 105.8 m，支擋結構共有4 個剖面, 基坑的深度為7 ～10.5 m，基坑安全等級為二級。

2 水文地質條件

2.1 地質條件

根據現場實地勘察，在不擾動或者基本不擾動原位土層的情況下對土層做標準貫入、十字板剪切、靜載等試驗。根據沉積年代和成因類型等條件，本工程項目勘察最大勘探的深度達到35 m 范圍內的土層，分為人工填土、第四系新近沉積層、一般第四系地層，按地層特性把土層分為9 層。

2.2 水文地質條件

現場勘測深度達到21 m 時共揭露4 層地下水，第一層地下水的類型為潛水，后三層為承壓水。其初見水位埋深分別為2～3 m、9～10.7 m、13.3～15.7 m、18～20.7 m。該區域近幾年最高穩定水位標高41 m,水位變化幅度約1～2 m。

3 設計方案選型

3.1 常見的支護形式

通常根據基坑深度、基坑的周邊環境以及水文地質條件等因素把基坑的安全等級劃為3 個等級。根據基坑的安全等級，采用不同支護方式，常見的支護形式有支擋式結構、土釘墻、重力式水泥土擋墻、放坡、水泥土插型鋼等[3]。

（1）支擋式結構包括護坡樁+錨索、護坡樁+支撐、單排護坡樁、雙排護坡樁、地連墻等，在這些支護結構中，比較常見的是錨拉式和支撐式，共同的優點是擋土墻的本身強度較高，抵抗外力的變形的能力強，支護結構穩定性較好，一般情況下不會產生傾覆。樁頂的水平位移、豎向位移等變形較小。通常用于地下室層數大于或等于2 層的基坑支護中, 基坑的深度通常為8～22 m，適用較差的土層。但是它們共同的缺點是造價高、施工工期長。

（2）土釘墻包括單一土釘墻、預應力錨桿復合土釘墻、水泥土樁垂直復合土釘墻等。其中單一土釘墻是土釘墻中最常見的支護形式，其優點是擋土墻穩定可靠、造價較低、支護效果較好。缺點是對土質條件要求比較高，適用于地下水位的標高低于土釘底端的標高或者在基坑開挖前經過降水的非軟土基坑，還要考慮周邊建筑物是否在土體的滑動面上，若建筑物在基坑潛在的滑動面上，則不宜采用土釘墻支護。

（3）水泥土重力式。此支護形式的優點：①施工時不會對周邊環境造成污染；②水泥土土柱狀加固擋土墻不需要設置內支撐，不會因空間狹小導致土方開挖及施工效率低；③因重力式擋墻是將水泥漿和原狀土強制攪拌并相互搭接，所以擋土墻不僅有擋土的作用，還有止水的效果；④因為水泥的摻入量不高，所以造價相對較低。缺點是施工速度較慢，適用于較厚的回填土、淤泥、淤泥土質的地層，通常適用于基坑深度不大于7 m 的工程。

（4）SMW 工法：優點：①不需要鉆孔，不存在孔壁的淤泥質土坍塌現象，降低了臨近建筑物的影響；②SMW 工法的樁體相互搭接，因此具有較好的截水性；③適用填土、淤泥質土、黏性土、粉土等土層；④與其他支護形式相比，成樁速度快，工期縮短將近一半；⑤從經濟方面考慮，絕大多數的型鋼是可以回收的，降低了工程的造價。缺點是對施工工藝要求較高。

3.2 支護方案選型

根據各種基坑支護類型優缺點概述，再結合該項目的地質條件、基坑周邊是否存在建筑物、地下管線等因素。項目選擇了兩個支護方式方案，分別是樁錨+高壓旋噴、SMW 工法+錨索。

3.2.1 方案一

樁錨+止水帷幕設計參數：護坡樁樁徑為0.8 m，樁長為18 m，樁間距為1.3 m，護坡樁嵌入深度為7.5 m,護坡樁和冠梁混凝土強度等級為C25；設有3 道錨索，錨索孔的直徑為150 mm:MS-01 的自由端長度為10 m，錨固長度為15 m，鎖定值為230 KN,MS-02 的自由端長度為8.0 m，錨固長度為18 m，鎖定值為230 KN，MS-03 的自由端長度為10 m，錨固長度為15 m，鎖定值為330 KN；止水帷幕采用高壓旋噴止水帷幕，旋噴樁樁徑1 000 mm，樁間距為1 300 mm，樁長為1 650 mm。

3.2.2 方案二SMW 工法+錨索設計參數: 采用Φ650@400 的三軸水泥土攪拌樁+H500×200×10×16 的型鋼,其中樁長為18 m,水泥摻入量20%,嵌入深度為7.5 m;型鋼布置形式為插二跳一。設有3 道錨索,錨索孔的直徑為150 mm:MS-01 的自由端長度為10 m,錨固長度為15 m, 鎖定值為230 KN,MS-02 的自由端長度為7.0 m,錨固長度為19 m,鎖定值為230 KN,MS-03 的自由端長度為10 m,錨固長度為15 m,鎖定值為330 KN。

4 方案比選

4.1 數值模擬

4.1.1 MIDAS GTS NX 概述

MIDAS GTS NX 是一款關于巖土和隧道結構的有限元分析軟件，該軟件包括非線性彈塑性分析和施工階段分析等，在基坑支護建模中,為了模擬土方分層開挖對周邊建筑物以及地下管線的影響，采用的是施工階段分析，MIDAS GTS NX 的建模步驟：①先利用CAD 畫好幾何模型; ②導入dwg 格式的CAD 幾何模型;③設置材料參數;④生成并劃分實體;⑤生成網格單元;⑥增加自動約束及自重;⑦設置分析階段;⑧分析工況及求解。

4.1.2 本構模型的選擇

由于巖土體材料的彈性模量、黏聚力、泊松比等其他物理參數存在一定的差異性，因此人們很難采用統一的數學表達式來表示巖土體在外力作用下導致的力學響應特性。MIDAS GTS NX 提供了線彈性模型、摩爾- 庫倫模型、修正摩爾- 庫倫模型、范梅賽斯模型等本構模型。本案例選用的是修正摩爾- 庫倫本構模型。

4.1.3 材料參數的選擇

修正摩爾- 庫倫本構模型中通常有泊松比、容重、內摩擦角、黏聚力、三軸加載剛度E50ref、固結儀加載剛度Eoedref、三軸卸載剛度Eurref等參數。地勘報告上可以查找土的容重、內摩擦角、黏聚力、壓縮模量，根據前人經驗,E50ref=Eoedref，Eurref是E50ref的3～5 倍[4]。當內摩擦角為a°(a 大于30°),最終剪切摩擦角取(a-30)°;當內摩擦角為b°(b 小于等于30°),最終剪切摩擦角取0°。

4.1.4 建立模型

本案例選取的基坑深度為10.5 m,根據前人的經驗，在建立幾何模型時，基坑開挖的影響區域為開挖深度的3 倍，影響的深度范圍為開挖深度的2～3倍。確定此案例幾何模型的影響深度區域是32 m,基坑開挖影響區域是35 m。

4.1.5 結果分析對比

（1）周邊沉降對比分析。由圖1 和圖2 可知，工況4（開挖4）：方案一、方案二的周邊沉降最大值分別是-9.33 mm、-9.16 mm，方案一周邊沉降的最大值比方案二周邊沉降的最大值大0.17 mm, 且都在基坑監測控制值范圍內。

圖1 方案一周邊地表沉降圖

圖2 方案二周邊地表沉降

（2）樁頂水平位移對比分析。由3 和圖4 可知，工況4（開挖4）：方案一、方案二的樁頂水平位移最大值分別是-3.72 mm、-4.33 mm。方案一樁頂水平位移的最大值比方案二樁頂水平位移的最大值小0.61 mm，且都在基坑監測控制值范圍內。

圖3 方案一樁頂水平位移

圖4 方案二樁頂水平位移

4.2 經濟對比分析

根據本案例基坑支護的兩個方案類型。方案一的材料工程量主要包含鋼筋的費用、C25 混凝土費用、鋼絞線的費用；方案二的材料工程量主要包含型鋼的費用、水泥的費用、鋼絞線的費用。參考《北京地方單位估價表》，在不考慮價格隨市場變化的前提下，分別計算分項工程的綜合單價和分項工程的工程量。

由表1 和表2 可知，方案二比方案一少了130 多萬元。綜上所述，方案二比方案一更經濟。

表1 方案一預估價

表2 方案二預估價

5 結論

利用MIDAS GTS NX 分別對兩個支護方案進行建模，并且對建模結果進行分析，兩個方案的樁頂水平位移和周邊沉降相差不大且在基坑監測的范圍內；從經濟方面考慮，方案二比方案一少了130 多萬元。根據此案例驗證了SMW 工法+錨索的支護形式可行性，并且為類似的支護案例提供了寶貴的經驗。