市政隧道基坑支护体系及开挖方案优化研究

柴 磊,孙亚星

(中铁七局集团郑州工程有限公司,郑州 450052)

随着城市地下空间的大规模开发，基坑工程已成为市政建设中重要的工程课题之一。目前我国地下工程建设区域多分布在地质种类多样且复杂的城市中心，使基坑工程具有深度深、面积大、工期紧等特点。基坑工程实施时既要加快施工进度，也要保证基坑安全，近年来许多专家学者对基坑问题进行研究，在理论和实践方面都取得了进展。由于有限元分析方法可以考虑桩、土的互相作用，协调两者变形并模拟基坑的施工过程，因此该方法在基坑工程中被广泛应用。高文华等[1]为上海香港广场深基坑围护结构建立三维有限元分析模型，并与实测结果进行对比，获得了围护结构水平位移的空间部分规律和随开挖时间延误而发生变化的相关规律。俞建霖等[2]用空间有限单元法研究了基坑开挖过程中围护结构变形、周围地表沉降、基坑底部隆起的空间分布以及影响围护结构变形的主要因素，并通过杭州市某基坑开挖工程实例验证了有限元分析的合理性。

传统的钢支撑支护一般采用加斜撑的方式增强结构稳定性，该施工方案使用钢板材料较多，且必须使用配套的切割及焊接设备。由于施工中切割与焊接难度较大，产生废料较多，会浪费人力、物力和财力，且作业效率较低，无法满足施工进度要求。因此本项目提出一种新的施工方案，即取消斜撑，抬高第一道钢管支撑标高来增强结构稳定性。这种优化方案有三大优势：①加快施工进度，减少施工工序；②材料损耗低，节约施工成本；③降低拆除第一道钢支撑的难度系数。依托南通啬园路隧道深基坑开挖工程，利用MIDAS GTS软件建立面向深基坑分步开挖和支护结构施工过程的三维有限元模型，模拟基坑开挖过程，考察支护结构位移、坑底变形和周围地表沉降位移等基坑变形特性。通过对比有无斜撑的2种方案下支护结构的位移和应力，验证优化施工方案的有效性和可行性，在确保支护结构稳定的前提下，依据数值分析结果确定第一道钢支撑的合理标高。

1 工程概况

1.1 工程介绍

依托南通啬园路隧道项目的一个施工标段作为研究对象，该标段全长为1.55 km，隧道采用明挖顺作法施工。该标段隧道基坑开挖深度为1.015～18.7 m。根据开挖深度的不同分别采用放坡、水泥土重力墙、钻孔桩+三轴止水帷幕或型钢+SMW(soil mixing wall)工法桩等围护结构方式，支撑主要采用Φ609×16钢管撑。基坑开挖过程中的降水措施为基坑开挖前20 d进行降水，基坑内采用管井降水，基坑设置四周隔水帷幕，降水深度控制在坑底以下1 m。基坑内外设置适量的水位监测井(孔)以监测基坑范围内地下水位，并检测降水对周围水位的影响，控制周围地面沉降。选取该标段中MK3+465～MK3+490段作为研究对象，该段基坑的地质层由上到下分别为填筑土、1-3粉土、1-3a软粉质黏土、2-3粉砂和2-4粉质黏土夹粉砂。支护结构采用Φ800@1 000钻孔桩+Φ850@600三轴搅拌桩止水帷幕的结构形式。MK3+465～MK3+490段传统支护结构横剖面如图1所示，传统的支护结构采用1道混凝土支撑+2道钢支撑+1道斜撑的方式。该项目为加快工期，提出免斜撑的优化施工技术方案，即在传统支护结构的基础上取消其中两侧斜撑，并适当抬高第一道钢支撑标高。优化后的施工方案可减少斜撑钢材的预埋，节省钢材使用量并加快施工进度。

图1 MK3+465～MK3+490段传统支护结构横剖面(单位：mm)

1.2 工程地质情况

该项目位于新三角洲平原地质区，地势低平，线路总体走向自东向西，地面标高为2.0～4.5 m。勘探资料揭示地层主要为全新统松散层及上更新统黏性土、粉土、粉细砂层。全新统土层分布及工程特性如表1所示。

表1 全新统土层分布及工程特性

2 基坑支护结构的三维数值建模

2.1 基本假定与材料参数选取

采用岩土隧道有限元分析软件MIDAS GTS NX，基于南通啬园路隧道基坑开挖工程的实际情况建立有限元仿真分析模型。有限元分析模型土中水的渗流规律遵循达西定律，应力和渗流耦合基于太沙基一维固结理论，通过一维固结理论计算渗流时孔隙水压力，再由太沙基原理得到土的等效应力。为简化计算，模型采用以下基本假定[3-6]。

(1)假定基坑周围各土层均匀层状分布，土体、首层混凝土支撑和冠梁均采用各向同性实体单元模拟。与冠梁连接的钻孔桩和三轴搅拌桩也采用实体单元建模。下层钢支撑、斜撑、围檩等支护结构以及抗拔桩均采用梁单元模拟。支护桩桩体中插入钢筋笼以提高强度，为简化有限元模型，略去桩体中钢筋，以等效弹性模量取代钢筋作用。弹性模量利用刚度等效原则换算获得，以钻孔桩为例，刚度等效原则示意如图2所示。

图2 刚度等效原则示意

采用实体单元模拟的混凝土钻孔桩的主要参数包括：桩的弹性模量、桩的泊松比、桩的截面面积、桩的惯性矩和桩体密度。其弹性模量E利用刚度等效原则换算获得，如式(1)所示。

(1)

式中，Ac为支护桩体中混凝土的横截面积；Ec为支护桩体中混凝土的弹性模量；Ag为支护桩体中钢筋笼的横截面积；Eg为支护桩体中钢筋笼的弹性模量；Ae为支护桩体中混凝土保护层的横截面积；Ee为支护桩体中混凝土保护层的弹性模量。

为简化模型单元，提高计算效率，将钻孔桩和SMW工法桩等效为一定厚度的连续墙。钻孔桩的厚度如式(2)所示进行等效计算。

(2)

式中，D为桩直径，t为桩缝长度，h为等效厚度。

(2)首层混凝土支撑、钢支撑和围檩的材料均采用弹性本构模型，基坑周围各土层土体本构模型采用修正的摩尔-库伦弹塑性模型。

(3)基坑开挖前土体的初始应力假设为静止土压力。

2.2 计算模型建立及网格划分

由弹性力学分析理论可知，基坑开挖施工对周边土体的影响范围约为3倍左右的基坑开挖深度。因此所选取的总体有限元分析模型的水平边界为总开挖深度的4倍。MK3+465～MK3+490标段的基坑长度为25 m、宽度为38.3 m、深度为11.656～12.440 m。采用MIDAS GTS NX软件的混合网格生成器对有限元模型中的实体单元和梁单元进行自动单元网格划分，土体+支护结构的有限元模型如图3(a)所示，传统包含斜撑的支护结构有限元模型如图3(b)所示。隧道为暗埋型隧道，高度为9.65 m，在MK3+465标段处隧道深度为地下11.656 m，MK+490标段处深度为地下12.44 m。

(a)土体+支护结构的有限元模型

3 采用传统钢支撑结构的施工过程仿真分析

在MIDAS GTS软件中考虑降水对施工过程的影响，将整个开挖过程和隧道施工过程分为16个计算工况：工况1为初始渗流分析，即针对初始水位的渗流分析；工况2为初始应力场分析；工况3为围护结构施工；工况4为开挖前降水；工况5为降水应力分析；工况6为第一次开挖，架设第一道混凝土支撑；工况7为第二次降水；工况8为第二次降水应力分析；工况9为第二次开挖，架设第一道钢支撑；工况10为第三次降水；工况11为第三次降水应力分析；工况12为第三次开挖，架设第二道钢支撑；工况13为第一层隧道施工，拆除第二道钢支撑；工况14为第二层隧道施工，架设斜撑并拆除第一道钢支撑；工况15为第三层隧道施工，拆除第一道混凝土支撑；工况16为回填土并拆除斜撑。

3.1 基坑周边地表位移

在基坑土体施工过程中，由于基坑开挖导致坑底凸起，与基坑内土体接触的支护结构和与支护结构连接的坑外局部地表相应也处于凸起状态。分析总结各工况下竖向位移模拟结果，基坑周边地表位移如图4所示。地表沉降最大值为6.18 mm，隆起最大值为13 mm。依据基坑支护结构设计要求，基坑待开挖深度>10 m，并且地表沉降应≤0.15%的基坑深度[6]，此段基坑深度>10 m，地表位移的安全值约为17.48 mm，在施工过程中地表沉降和隆起均小于安全值，故此段基坑施工过程中地表位移满足设计要求。

(a)第一次开挖后

3.2 冠梁位移

冠梁的水平位移和总位移如图5所示，冠梁处的水平位移在x方向位移很少，为10-2mm级别，可忽略不计，故图5中水平位移为y方向位移。水平位移随着施工的进行不断增大，由第一次开挖的1.452 34 mm到施工结束的5.484 33 mm。x、y和z这3个方向总位移在施工过程中最大值产生在工况12的第三次基坑开挖施工时，数值为13.845 70 mm。依据设计要求，对于基坑深度>10 m的工况，变形控制标准的水平位移应≤0.18%的基坑深度[6]，故水平位移控制值为20.98 mm，此外该项目支护结构的水平和竖向总位移控制在27 mm。此段基坑在施工过程中水平位移和总位移均小于设计值，故此段基坑施工过程中桩顶位移满足设计要求。

图5 冠梁的水平位移和总位移

3.3 钢支撑轴力

钢支撑轴力如图6所示，在基坑施工阶段，始终是第一道钢支撑的轴力较大，最大值为753.772 kN；隧道施工架设斜撑后，斜撑始终处于受拉状态，最大拉力为741.439 kN；第三次开挖后第二道钢支撑轴力最大值为703.885 kN。根据本项目给定的支撑设计轴力限值，该分析区段第一道钢支撑设计轴力为2 433 kN，第二道钢支撑设计轴力为1 415 kN，斜撑设计轴力为1 144 kN。

(a)第二次开挖后

因此，图6分析得到的第一道钢支撑、第二道钢支撑和斜撑轴力均未超过限值。

4 优化后的施工过程仿真分析

为加快南通啬园路隧道工程施工进度，通过取消斜撑并抬高第一道钢支撑标高的方式优化施工过程，现对施工过程进行仿真分析。通过将MK3+465～MK3+490标段中第一道钢支撑抬高0.5 m，分析该工况地表位移、冠梁位移和钢支撑轴力等重要参数，反映结构安全性和稳定性，通过与传统方案对比验证优化方案的合理性。

4.1 优化后的基坑周边地表位移

抬高0.5 m支撑后的基坑周边地表位移如图7所示，地表沉降最大值为6.2 mm，隆起最大值为12.4 mm。在施工过程中地表沉降值和隆起值均远小于安全值17.48 mm，且与传统钢支撑结构施工过程模拟得到的数值相差不大。

4.2 优化后的冠梁总位移

冠梁总位移如图8所示，由图8可知，支撑抬高0.5 m后冠梁总位移最大值为13.875 10 mm，在支护结构水平位置控制范围内。对比传统施工方案发现支撑抬高0.5 m后，冠梁总位移略大于含换撑工况下的最大位移13.845 70 mm。

图8 冠梁总位移

4.3 优化后的钢支撑轴力

支撑抬高0.5 m后在第二层施工时，抬高的第一道钢支撑代替了换撑的作用，抬高0.5 m支撑后的钢支撑轴力如图9所示。钢支撑轴力为643.3 kN，为第一道钢支撑在基坑施工过程中最大轴力，此轴力值高于传统施工方案中换撑在第二层隧道施工时最大轴力585.74 kN，但低于传统施工方案中第一道钢支撑最大轴力；第二道钢支撑的最大轴力为755.1 kN，远高于含换撑施工方案中相同工况下的最大轴力703.885 kN，主要由于第一道支撑抬高后，第一道支撑距离第三次开挖坑底距离变大，第二道钢支撑承受载荷变大。

(a)第二次开挖后

5 优化方案的验证和比对

5.1 数值模拟结果比对

2种方案数值模拟结果对比如图10所示，图10(a)给出传统方案和取消斜撑、抬高第一道钢支撑0.5 m的优化方案下，钢支撑的轴力图。4种施工工况分别为第二次土体开挖、第三次土体开挖、第一层隧道施工和第二层隧道施工，均为较危险工况。由图10(a)可知，2种方案下钢支撑的轴力最大值分别为-755 kN和-753 kN，均显著低于本项目施工说明规定的轴力限值，表明支护结构强度满足要求。

图10(b)给出传统方案和取消斜撑、抬高第一道钢支撑0.5 m的优化方案下，冠梁的位移图。6种施工工况分别对应第一次土体开挖、第二次土体开挖、第三次土体开挖、第一层隧道施工、第二层隧道施工和第三层隧道施工。由图10(b)可知，第三次土体开挖时冠梁位移达到最大值，2种方案下分别为13.88 mm和13.85 mm。依据基坑支护结构设计要求，对于基坑深度>10 m的工况，总位移应控制在27 mm以内，故2种方案下桩顶位移均满足要求。

(a)2种方案下钢支撑的轴力

5.2 基坑施工现场监测验证

南通啬园路隧道项目采用优化方案进行施工，在MK3+475段对应的冠梁位置和MK3+483段对应的钢支撑位置布置传感器，监测冠梁的累计竖向位移、水平位移和第一道钢支撑的轴力，对109 d的基坑施工现场监测数据进行分析，基坑施工现场监测结果如图11所示。根据基坑支护设计要求[6]，冠梁累计竖向位移报警值≥15 mm，水平位移报警值≥25 mm，钢支撑轴力设计值为1 850 kN。由图11(a)和图11(b)可知，支护结构冠梁在62 d后才出现监测值，因为在62 d前未进行土方开挖。支护结构冠梁的累计竖向位移和水平位移最大值分别为12 mm和23 mm，未超过报警值，在施工过程中是安全的。由图11(c)可知，在施工过程中最大轴力值为1 820 kN，未达到钢支撑轴力设计值。通过对基坑施工现场监测结果的分析，验证了优化方案的可行性。

(a)支护结构冠梁累计竖向位移曲线

6 结论

以南通啬园路隧道工程为研究背景，利用MIDAS GTS模拟了有无斜撑2种施工方案下的基坑开挖过程，获得基坑支护结构位移、周围地表沉降位移等变形特性以及钢支撑内力特性，结论如下。

(1)采用传统带有斜撑的施工方案能满足安全性和稳定性要求。在基坑土体施工过程中，受基坑开挖坑底凸起的影响，基坑周边地表小范围处于凸起状态；地表沉降最大值位置距基坑面有一定距离，地表沉降最大值为6.18 mm，隆起最大值为13 mm，满足设计要求。冠梁总水平位移最大值为13.845 70 mm，小于限值，故桩顶位移满足要求。在基坑施工阶段，始终是第一道钢支撑的轴力较大，最大值为753.772 kN；隧道施工架设斜撑后，斜撑始终处于受拉状态，最大拉力为741.439 kN，均未超过限值。

(2)采用取消斜撑、抬高第一道钢支撑0.5 m的优化方案能满足基坑支护结构设计要求。优化方案下，基坑地表沉降和隆起最大值分别为6.2 mm和12.4 mm，均满足设计的安全值要求。钢支撑的最大轴力为643.3 kN，显著低于本项目施工说明规定的限值，表明支护结构强度满足要求。第三次开挖土体时冠梁总位移达到最大值13.88 mm。依据基坑支护结构设计要求，对于深度>10 m的基坑，总位移应控制在27 mm以内，故该种方案下桩顶总位移满足要求。

(3)所提出的去除斜撑的优化施工方案与传统方案相比，无论是强度还是刚度方面，均未降低传统支护结构和隧道施工的安全性和稳定性，同时也起到显著加快工期、降低造价的作用，为同类深基坑开挖工程提供参考。