摘要：深基坑的开挖会给基坑周边建筑及基坑自身带来了一系列安全问题，那么，如何合理的选择支护形式及预测开挖引起的变形将成为基坑开挖工程安全性成败的关键。国内外许多学者对于基坑变形的预测提出了很多经验公式，但都具有其局限性，基坑支护计算多采用软件建模模拟分析。本文基于汉阳人信汇地下通道基坑工程，分别利用天汉桩锚、理正深基坑及同济启明星软件对基坑围护结构变形及土体沉降值进行建模分析，并得到了很多有用的结论。
关键词：深基坑；变形；建模分析
引言
随着我国城市化进程的推进，空间资源不足限制城市发展的问题日渐凸显，地下空间的开发成为解决这一问题的有效措施。深入地下的发展促使深基坑工程日益增多，在我国大中型城市已经修建了大量高层建筑地下室、城市地铁、地下停车场及商场等地下项目，大大扩展了城市可利用空间资源。然而，深基坑的开挖也给城市带来了一系列问题，基坑开挖引起的地层变形给城市建筑、市政管线及道路等带来了不同程度的危害，同时基坑本身支护不足导致失稳引起的事故也屡见不鲜，因而研究基坑开挖引起的沉降及本身支护的变形特性具有十分重要的现实意义[1，2]。
基坑开挖是一个涉及多学科的复杂性工程，通常具有以下四个方面的特点[3]：①综合性。基坑工程是一种多种复杂系统因素相互影响的复杂工程，涉及岩土工程、土力学及渗流问题、围护结构、变形等各方面，如何协调这些方面以保证基坑工程的顺利进行是一项尚待发展和完善的学科。②区域性。我国幅员辽阔，地层特征多种多样，不同地区的地质情况不大相关，基坑开挖也会遇到不同的问题，工程经验的采用具有一定的局限性，这就要求不同的基坑项目应制定不同的开挖及支护方案。③环境影响性。基坑开挖不仅涉及到基坑本身，其对周围建筑、道路及管线等的影响也不容忽视。基坑开挖导致周围土体应力及水位变化，造成周边一定区域内的地层发生不均匀位移，严重时甚至导致周边建筑的正常使用。④危险性。基坑开挖使周边土体得到大规模应力释放，对基坑的围护结构产生推力，土体本身也会产生大的拉力，而基坑围护结构往往都是临时支护措施，施工单位往往不愿投入过多资金，导致围护结构的安全系数较小，为基坑工程埋下了安全隐患。与此同时，基坑项目的施工不当及连续降水引起的荷载增加都可能导致基坑失稳倒塌，造成财产损失和人员伤亡。因而，选择合适的围护形式及对基坑工程进行变形分析及监控是十分必要的。
1 基坑开挖围护形式
基坑的支护形式很多，在选择过程中要充分考虑土层适用性、安全性及经济性的因素，选择合适的支护结构对基坑开挖具有重要意义。通常的支护形式主要有以下几种：
① 放坡开挖。放坡开挖简单又经济，但是对场地要求较高，需要在放坡范围内无建筑物，而深基坑项目多集中于城市内部开发，因而这种方式并不多见。
② 钢板桩支护。钢板桩围护是一种适用于浅基坑项目的经济围护方式，可以实现钢板桩的回收利用，但是其本身的强度较小，难以承受大的土体应力，如果支撑或锚拉不当都可能导致变形过大，因而在深基坑及周围堆载较大的工程中都很少利用。
③ SWM工法桩。SWM工法是一种新型的深基坑围护形式，施工过程中采用多孔重叠搭接并插型钢增加其强度，高效形成具有阻水效果的连续墙，具有排土量小、噪音振动小及对周围地基影响小等优点，目前在深基坑项目中得到广泛应用。
④ 水泥搅拌桩。水泥搅拌桩围护是利用深层搅拌或高压旋喷设备，以水泥为固化剂，在地基深处将水泥和原状土强制拌合，经过土和水泥的一系列物理和化学反应，形成具有一定强度和整体结构的水泥土桩系统。水泥土桩的强度通常并不高，需要靠自重来抵抗基坑外的土压力，阻水效果也不好，适用于深度不大黏土地区的基坑工程。
⑤ 排桩围护。排桩围护是通过在支护区域以一定间隔布置钻孔灌注桩，利用钢筋混凝土的强度及深入地下部分的固定作用抵抗开挖范围外的土压力，具有较强的适用性，可以用于深基坑的开挖围护，但其本身并不具有阻水功能，在地下水发育的区域常常需要配合止水帷幕使用。
⑥ 地下连续墙。地下连续墙围护是目前使用较多的深基坑围护方式，通过在维护区域建立一道钢筋混凝土墙来阻挡水土压力，本身防水性比较好，适用于各种地层，强度高，变形小。对基坑周边有沉降敏感建筑的基坑，多采用地下连续墙围护。同时，地下连续墙不仅可以作为围护结构，有时还可以成为建筑的一部分，实现综合利用。
2 基坑变形分析
不论选择何种支护形式，都只能控制基坑开挖引起的变形，而不能避免。基坑开挖变形主要有三个方面，即基坑外地面的沉降、基坑底部隆起及围护结构倾斜和沉降。
基坑外土体受到一侧的卸荷作用而对围护结构产生主动土压力，围护结构会发生一定的水平位移和变形，引起土层的损失，使坑外地面发生不均匀沉降，另外开挖对土壤的扰动使土体发生固结沉降和次固结沉降也是引起地面沉降的一个原因。Capse通过研究将坑外土体分为三个区域，分别是非扰动区、弹性区和塑性区，给坑外土体的变形提供了定性的解释，为后续研究奠定了理论基础。Peck根据工程经验提出了适用于不同地质条件的沉降经验曲线，间接地将地表变形与基坑稳定性联系起来。国内外学者通过大量的理论研究和工程实践认为坑外土体沉降主要有两种形式，凹槽形和三角形，给出了基坑开挖影响范围的预测，并先后给出了一系列沉降预测方法。
基坑在开挖后，基坑底部会产生一定程度的隆起，主要由以下几方面原因造成。首先是基坑开挖使得底部土体得到应力释放，产生一定的回弹；另一方面，围护结构在基坑外土体的压力下向基坑内产生一定的挤压变形，基坑内部土体在被动土压力下相当于处于一个三轴拉伸状态，被动区土体产生拉伸剪切变形，造成基坑底部隆起；基坑底部水的渗透压力及可能存在承压水的水头压也都会促使坑底隆起的产生。坑底土体隆起量主要有以下理论计算公式：
基坑围护结构的变形主要是由基坑内外两侧土体压力及支撑力共同作用引起，其变形模式与基坑围护形式、支撑体系刚度、围护结构入土深度、土层性质及开挖状况等紧密相关。围护结构的变形模式与变形量受多种因素影响，目前主要有两种计算方法，即经验公式法和数值建模分析法。
对于基坑开挖引起的坑内外土体变形及围护结构的变形计算，虽然国内外学者根据经验或理论给出了一些近似计算公式，但基坑开挖涉及多学科交叉融合，施工工艺、应力路径及周边超载都不确定，所提出的公式通常不具有普遍适用性，因而目前较为流行的计算方法为数值建模分析方法。刘旭政等利用有限元Midas GTS对西安市位于地铁附近的某基坑项目进行了数值建模，计算分析了基坑开挖各施工阶段基坑的变形情况及对地铁管片的影响。天津大学的闫澍旺等人对天津港南疆焦泊位卸车坑及走廊工程进行了有限元PLAXIS建模，得到了基坑开挖过程中的土体及围护结构变形情况，与实测变形吻合较好；贺永俊则用理正深基坑支护软件完成了对某高层建筑物地下停车场深基坑项目的建模分析；何海龙等人则利用同济启明星基坑支护软件对基坑开挖项目进行了数值建模，分析变形特性并与实测数据对比，得到很多有用的结论；董永等人利用天汉软件对武汉地区的深基坑项目进行了建模分析，并完成了基坑支护的结构设计[18]。
由上面可以看出，可以用来进行基坑开挖支护分析的软件有很多，我国目前基坑设计及计算多采用界面更加友好、操作更为简洁的专用基坑设计软件，如理正深基坑软件、同济启明星软件及湖北地区的天汉软件等。本文结合武汉工程地质实际情况，对汉阳地区人信汇基坑开挖项目进行建模分析。
3 人信汇工程建模
3.1 工程概况及地质条件
人信汇地下通道基坑开挖项目地处王家湾商业圈附近，为两座商业楼之间的地下连通通道，基坑两侧无重要建筑物，距离主干道距离较远，基坑附近管线较少。基坑长45m，宽度为21m，开挖深度为10.95m，属于基坑侧壁安全二级深基坑工程。基坑采用D1000@1500mm钻孔灌注桩围护，钻孔灌注桩上浇筑1200x500mm冠梁，并在距离桩顶3m处设置D610x12mm的钢管支撑，钢管支撑处布置800x800mm腰梁。下图为围护结构剖面及俯视图。
本地区地质条件较好，以粘性土为主，开挖深度内未见地下水分布，也未见不良地质夹层，灌注桩围护计算范围共有五层土体，具体的土层参数见下表。
3.3 围护桩内力及变形结果及分析
基坑开挖分两步，首先开挖至桩顶以下3.0m，加7根横向钢管支撑后继续开挖至深度为10.95m。利用不同软件模拟整个开挖过程，得到不同开挖步围护桩内力及变形图如下：
由上面两图可以看出，在工况三，即基坑开挖至10.95m时围护变形值及内力都达到最大。两种不同软件的计算的排桩内力结果数值上有一定的差别，但整体趋势一致，弯矩在基坑底部附近达到最大值，最大设计弯矩值为975.8kN.m；剪力值在土压力和支撑的作用下则是在基坑底部1m附近达到最大，约为230kN；虽然内力计算结果有一定差别，但是位移结果却很接近（理正深基坑的计算位移15.7mm，天汉14mm，同济启明星13.2mm），围护桩位移自支撑处随着深度的增加位移先增大后减小，在基坑底部附近达到最大，从计算结果来看围护桩位移值均小于允许变形值，是安全的。
3.4 坑外土体变形结果及分析
从上图可以看出，随着开挖深度的增加，基坑两侧的变形逐渐增大，开挖至基底时变形达到最大；基坑开挖引起的坑外土体沉降范围略大于基坑深度，为14m；考虑到土体与围护桩的相互作用，选用同济抛物线土体沉降曲线模型，距离基坑边缘6-7m处沉降最大，为15mm，根据规范规定，二级基坑开挖引起的周边土体沉降值不得大于0.15H%，15mm<16.43mm（0.15*1095/100），故基坑开挖引起的坑外土体沉降满足要求。
3.5 坑底隆起安全度计算
根据我国基坑规范，对于基坑坑底隆起的安全计算多采用安全度系数来表征，目前用得比较多是能同时考虑土体c、ϕ值的墙底地基极限承载力抗隆起公式进行验算，如下式1。
利用三种基坑计算软件计算得出的抗隆起系数的Prandtl和Terzaghi解均大于3，远远大于规范要求的1.6，这可能与基坑开挖范围内土层性质较好，且没有地下水有关。基坑底部为硬塑粘性土，粘聚力达到42kPa，很难产生滑动面，故基坑底部不容易隆起。
4 结论
（1）基坑开挖工程具有综合性、区域性、环境影响性及危险性等特点，不同的项目应综合考虑这几点制定相应的对策。
（2）深基坑工程具有多种支护形式，应从安全性和经济性两方面着手选择合适的围护结构。
（3）基坑变形计算经验公式多具有局限性，采用基坑计算软件对人信汇基坑项目进行模拟，计算分析了基坑周边土体、坑内土体及围护桩变形情况并与规范对比，可以看出采用排桩加支撑的围护形式对人信汇地下通道基坑工程进行支护可以满足变形要求，是完全可行的。
参考文献：
[1]李晓红，王宏图，杨春和，贾剑青，胡国忠.城市地下空间开发利用问题的探讨[J].地下空间与工程学报，2005，03：319-322+328.
[2]刘蕊.浅谈城市地下空间开发利用存在的问题及建议[J].当代经济，2014，01：40-41.
[3]李超.基于软化模型的基坑开挖变形破坏特性研究[D].北京交通大学，2015.
论文作者:朱波,占婷
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/10
标签：基坑论文; 工程论文; 结构论文; 建模论文; 深基坑论文; 地下论文; 信汇论文; 《基层建设》2017年第23期论文;