隧道出口明挖深埋段基坑支護結構優化研究

摘要：以某隧道出口明挖深埋段基坑為研究背景，結合該項目實際情況，設計出兩種支護結構優化方案，通過有限元分析軟件對三種設計方案進行數值模擬分析，比較兩種優化方案與原有設計方案相比時的優化效果，最后采用層次分析法對三種支護結構進行綜合評價，最終得出優化方案一為最優方案的結果。

關鍵詞：明挖深基坑；數值模擬；層次分析法；支護結構優化

0" "引言

深基坑的支護設計對工程質量和施工安全有較大影響。在地質、水文以及周邊環境不同時，應采取不同的深基坑支護方式，而如何確定合理的支護結構是當前的難點所在[1-2]。現已有較多關于深基坑的研究，Cording等人通過對相關深基坑項目的研究探討了其對周邊建筑物的影響[3]。林立祥等人以某深基坑項目為背景，對溫度和支撐結構的聯系進行探討[4]。徐其新分析總結了深基坑支撐結構的施工經驗[5]。趙菲等基于有限元分析的方式探討了深基坑開挖時錨桿作用下的變形情況[6]。白洪潮則對深基坑支護優化方式進行探討[7]。

隨著施工環境的日趨復雜化，深基坑施工時將會遇到越來越多的問題，而其中的支護結構在確保施工質量和安全方面就顯得越發重要。為確保深基坑施工更為合理和安全，本文以深基坑項目為背景，對其支護結構的優化進行更深一步的分析。

1" "工程概況

某隧道出口某段有較大的埋深，使用明挖法進行施工，基坑圍護體系為放坡+鉆孔灌注樁+鋼筋混凝土的結構。基坑周邊的地質條件為人工填土和細砂等，存在較高的地下水位以及較差的土質條件。該隧道基坑在開挖過程中，因排水的影響造成淺層的黏性土出現壓縮固結，導致地面出現沉降，對周邊建筑的穩定性產生一定的影響。隧道在市區內，若開采地下水的程度過大，可能使地面出現大面積的沉降，導致地下結構出現一定的變形。為此設計時應結合地下結構受到地面沉降的影響進行考慮。

該深基坑采用鋼筋混凝土排樁的方式作為基坑支護結構，并將鋼筋混凝土冠梁設置到排樁頂面，以提高支護結構的穩定性。排樁樁徑1m，樁間距1.25m，支護樁長20m，冠梁尺寸為1m×0.8m，鋼筋混凝土內部支撐斷面形式為正方形結構，間距為5m。該基坑寬度為13.5m，深度為17.2m，冠梁頂到基坑底深度為12.8m。冠梁頂平臺開挖寬度為4m，邊坡斜率為1：1.5。橫斷面基坑支護結構如圖1所示。

2" "基坑支護結構優化分析

2.1" " 擬設計的支護結構

基于該隧道出口明挖深埋基坑實際條件，確定其安全等級為一級。基于相關理論分析和現有工程經驗[8-9]，初步確定如下支護優化方案：

2.1.1" 放坡開挖結合地下連續墻及一道內支撐

使用C30混凝土等級的鋼筋混凝土地下連續墻作為基坑支護結構，使用尺寸為8mm直徑的鋼筋，以150mm×150mm布置鋼筋網。將尺寸為1m寬、0.8m高的混凝土冠梁設置到地下連續墻頂面，并采用22mm直徑的鋼筋沿橫斷面均布設置。以609mm半徑、16mm壁厚的鋼支撐，作為冠梁頂部下1m的內支撐結構，以5m作為支撐間距。

冠梁頂部設置4m寬度的開挖平臺，以1：1.5作為邊坡坡率。采用有限元分析軟件對其進行建模模擬。模型建立時，為避免邊界效應帶來的影響，以3～4倍的基坑深度作為模型寬度，以2～3倍的基坑深度作為模型高度[10]。全部采用梁單元處理支護結構，不對土體滲流以及排水固結作用進行考慮。具體模型如圖2所示。

2.1.2" 不放坡開挖結合地下連續墻和兩道內支撐

該方案設計參數與優化方案一基本一致，只是在冠梁頂朝下5m的位置增添多一道內支撐。具體模型如圖3所示。數值模擬參數與優化方案一相同。

2.2" " 圍護結構水平位移分析

限于篇幅，本文僅列出部分數據。撐下樁樁身位移比較如圖4所示。從圖4可以看出，排樁結構有和地下墻支護結構基本一致的結構變形趨勢，地下墻支護結構比起排樁結構有更小的基坑側向變形，排樁支護時樁頂約有2.06mm的最大側向位移，地下連續墻支護結構約有0.75mm的最大側向位移。排樁結構在撐間位置和樁頂距離約8m位置，存在22.53mm的最大側向變形值，地下連續墻在此處則有6.28mm的最大側向變形值。排樁結構約為地下連續墻結構最大側向變形的3倍，這對基坑施工變形的控制而言，有較大參考價值。

比較撐下和撐間側向位移可知，兩者基本一致，且和實測結果的變形規律相似。在優化方案一中，相比于撐間位置，撐下位置的最大側向位移要小0.15mm，因此相比于排樁結構，地下連續墻具有更好的整體性。因撐下樁和撐間樁的相互作用僅依靠冠梁和土體，所以變形差距較大。地下連續墻有較強的整體性，因此其撐下和撐間變形規律相似。優化方案二與其他方案在結構尺寸上有所區別，為此單獨繪制其位移。優化方案二撐下和撐間地下連續墻位移情況如圖5所示。

在優化方案二中，因其開挖時不放坡，故地下連續墻具有24m的埋置深度。從結果上看，其在與墻頂距離約為12m的位置上有8.90mm側向最大變形值，與開挖基坑的變形要求相符，安全儲備較大。雖然未進行放坡開挖，且開挖深度較大，但第二道支撐支護效果較好，與放坡開挖相比土方量較少，在一定程度上避免了放坡開挖可能引發的問題。且相比于放坡開挖，設置鋼支撐工期更短，造價也更低。

2.3" " 圍護結構內力分析

各方案撐間樁樁身彎矩對比如圖6所示。從圖6可以看出，排樁結構和地下連續墻結構的撐間位置彎矩均大于撐下位置，且有基本一致的變化規律。但地下連續墻結構的彎矩最大值均小于排樁結構。

在優化方案一中，墻頂約有184.18kN·m的最大負彎矩，相比于實測方案要小131kN·m，且均出現于撐下位置。在與墻頂距離約7m的位置有355kN·m的最大彎矩值。其和現場實測的排樁結構所出現的最大彎矩值位置基本相同，表明兩種結構彎矩最大值位置基本一致。地下連續墻比起排樁支護結構有更小的內力值，其原因在于地下連續墻結構有更好的整體性，比起排樁結構剛度更大。

2.4" " 橫撐豎向位移

各方案橫撐豎向位移對比如圖7所示。從圖7可以看出，采用鋼管作為地下連續墻的內支撐，地下連續墻比排樁自身變形更小，相比于排樁結構的而言，地下連續墻結構有更小的橫撐變形，但兩者變形規律基本一致。對比兩種優化方案可知，方案一橫撐最大位移為3.7mm，方案二橫撐最大位移為2.8mm。綜上分析可知，相比于混凝土支撐，鋼支撐橫撐位移更小，對于提高結構的整體安全性更加有利。

3" "最優方案的確定

僅從結構安全的角度上確定最優方案仍然不夠，本文將結合層次分析法的方式對三種方案做出綜合評價，以得出最優方案。從結構安全性上看，圍護樁樁身位移大小對其有直接的影響，因此將圍護樁樁身位移作為評級因素。

從數值模擬結果上看，優化方案一有更小的樁身最大水平位移，因此將其作為其安全評價。在經濟性因素中，地下連續墻的造價較高，但后期隔水抗滲效果較好，能夠有效確保后期質量，降低后續的養護費用。相比之下，放坡開挖土方量較大，經濟性因素為中等。在工期因素中，放坡工期較長，以鋼管撐作為橫撐時的施工速度較快，工期因素為好。

在施工難度因素中，地下連續墻效率較高，因此施工難度因素為好。在環境因素中，地下連續墻隔水效果較好，能夠起到很好的治理效果，因此環境因素為很好。方案一各因素影響程度對比如表1所示。同理可得，優化方案二的因素影響程度如表2所示，方案三各因素影響程度如表3所示。

經過計算，得到優化方案一的綜合評價判別值為4.144，方案二的的綜合評價判別值為3.514，原設計方案綜合評價判別值為2.968。對比可知，放坡開挖結合地下連續墻和一道內支撐的支護體系為最佳的優化方案。

4" "結語

深基坑的支護設計對工程質量和施工安全有較大影響，在地質、水文以及周邊環境不同時，應采取不同的深基坑支護方式。本文以某隧道出口明挖深埋段基坑為研究背景，結合該項目實際情況，設計出兩種支護結構優化方案，通過有限元分析軟件對三種設計方案進行數值模擬分析，比較兩種優化方案與原有設計方案相比時的優化效果，最后采用層次分析法對三種支護結構進行綜合評價，得到以下結論：

方案一采用地下連續墻替換排樁結構，方案二采用不放坡開挖并增設第二道支撐的方式，在結構變形以及內力上均好于原有設計方案，安全性更好。

在優化方案一中，采用地下連續墻有更大優勢，具有隔水擋土作用，能夠節省較多后續的養護維修成本。地下連續墻具有更大的整體剛度，相比于排樁結構有更佳的承受土壓力的性能。不放坡環境下增設一道鋼支撐，能夠使基坑開挖的變形和內力均符合要求，且使工程量大大縮小，施工效率大大，同時施工成本也有所降低。因此，對于軟弱地層或者有嚴格變形控制要求的基坑，可使用地下連續墻進行圍護。

從本文中三種方案的對比可知，采用放坡開挖結合地下連續墻和一道內支撐結構的支護體系更有利于基坑開挖施工。

參考文獻

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