孫 劍，范民浩，李 鑫

（1.北京愛地地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程公司，北京100144；2.北京航天地基工程有限責(zé)任公司，北京100070；3.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京102600）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了大量復(fù)雜深基坑工程，促進(jìn)了設(shè)計(jì)計(jì)算理論的提高和施工工藝的發(fā)展。對(duì)基坑工程進(jìn)行正確的設(shè)計(jì)和施工，能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，對(duì)加快工程進(jìn)度和保護(hù)周圍環(huán)境發(fā)揮重要作用［1-5］。

目前深基坑支護(hù)采用的方法為土釘墻（復(fù)合土釘墻）、護(hù)坡樁（樁錨、樁+內(nèi)支撐）及地下連續(xù)墻三大類［6］。土釘墻支護(hù)最大特點(diǎn)就是造價(jià)低、施工方便，但土體位移變形稍大，因此在邊坡位移無特殊要求的地方及對(duì)周圍環(huán)境影響不大的地方廣泛應(yīng)用［7］。護(hù)坡樁支護(hù)最大優(yōu)點(diǎn)是控制位移能力強(qiáng)，但投入大，成本高，施工復(fù)雜［8］。隨著實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的積累，人們發(fā)現(xiàn)采用2種或2種以上的支護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，不僅降低工程造價(jià)，而且更加合理，這樣形成了一種復(fù)合型支護(hù)體系，它既可以獨(dú)立采用，又可以聯(lián)合運(yùn)用，達(dá)到方案最優(yōu)化、施工簡(jiǎn)便的目的［9-13］。

本文以工程實(shí)例介紹一種新的聯(lián)合支護(hù)方法：護(hù)坡樁+微型鋼管樁復(fù)合土釘墻支護(hù)體系。該方法施工便利，造價(jià)介于完全護(hù)坡樁支護(hù)與土釘墻支護(hù)之間，對(duì)控制邊坡位移變形、增強(qiáng)整體穩(wěn)定性、保證邊坡開挖過程中不影響周圍環(huán)境等具有很好的作用，大大提高了邊坡的安全穩(wěn)定性。特別是在相對(duì)較好的地層中、無放坡空間或放坡坡度小、周邊有建筑物的邊坡支護(hù)，優(yōu)于常規(guī)土釘墻和護(hù)坡樁單獨(dú)支護(hù)的體系。

1 工程概況

某深基坑項(xiàng)目位于北京市豐臺(tái)區(qū)花鄉(xiāng)，南四環(huán)國(guó)際汽車博覽中心東側(cè)，東臨四合莊西路，南鄰汽車博覽中心南路，西鄰國(guó)際汽車博覽中心東路，北鄰1516-12-A綜合性商業(yè)金融用地。地上12層，高度≯50 m，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，地下3層，±0.00相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高47.9 m，目前自然地面標(biāo)高約48.0 m，基坑從自然地面算起深約14.5 m，基坑長(zhǎng)約147 m，寬約47.6 m。本文研究的重點(diǎn)部位為基坑南側(cè)與東側(cè)，長(zhǎng)度約160.0 m，詳見圖1?；?xùn)|側(cè)緊鄰用地紅線，用地紅線距四合莊西路馬路牙3.0 m，結(jié)構(gòu)邊線距用地紅線2.06 m；基坑南側(cè)距用地紅線約8.4～13.0 m，在用地紅線內(nèi)設(shè)置鋼筋加工區(qū)與堆放區(qū)、項(xiàng)目部辦公區(qū)及模板堆放區(qū)，護(hù)坡緊鄰加工場(chǎng)地和堆放場(chǎng)地，結(jié)構(gòu)邊線距項(xiàng)目部辦公區(qū)圍墻2.2 m。周邊環(huán)境較復(fù)雜，對(duì)基坑變形及穩(wěn)定性要求高，是該項(xiàng)目基坑支護(hù)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

圖1 基坑支護(hù)平面布置Fig.1 Layout plan of the foundation pit suppor t

本場(chǎng)地從自然地面至基礎(chǔ)底部，自上而下地層分布為：①層素填土，②層粘質(zhì)粉土，③層細(xì)中砂，④層圓礫，⑤層卵石，地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical parameters of the rocks and soils

2 基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)南側(cè)與東側(cè)的周邊環(huán)境，無放坡空間且無擴(kuò)展的可能，在這種情況下，根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 120—2012）［14］中支護(hù)結(jié)構(gòu)選型、場(chǎng)地周邊地下地上情況，結(jié)合多年的類似工程經(jīng)驗(yàn)，在總結(jié)類似基坑工程成功的經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，提出2種支護(hù)比選方案：

方案一：采用樁錨支護(hù)體系。這種支護(hù)體系屬于一種傳統(tǒng)深基坑支護(hù)形式，在空間上能滿足狹小場(chǎng)地內(nèi)深基坑施工的需求。優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)施工簡(jiǎn)單，工藝成熟，結(jié)構(gòu)剛度大，邊坡位移小，技術(shù)可靠，安全系數(shù)高。但最大的缺點(diǎn)就是成本高，不經(jīng)濟(jì)。

方案二：一種安全可靠又比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方案，鑒于《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 120—2012）第3.3.2條規(guī)定微型鋼管樁復(fù)合土釘墻支護(hù)基坑深度不宜超過12.0 m，本工程基坑深度為14.5 m，提出了“護(hù)坡樁+微型鋼管樁復(fù)合土釘墻”的支護(hù)體系。這種支護(hù)體系是一種符合現(xiàn)場(chǎng)條件且具有安全穩(wěn)定性好、節(jié)省投資的方案，由土釘（鋼花管式土釘）、預(yù)應(yīng)力錨桿、微型鋼管樁、護(hù)坡樁、噴射混凝土面層共同形成的一種新的支護(hù)體系。護(hù)坡樁+微型鋼管樁復(fù)合土釘墻支護(hù)就是在坡面中增設(shè)護(hù)坡樁。護(hù)坡樁+微型鋼管樁復(fù)合土釘墻支護(hù)體系仍然采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）5.1、5.2、5.3條中設(shè)計(jì)計(jì)算方法，而坡面中增設(shè)護(hù)坡樁在計(jì)算中不作考慮，作為安全儲(chǔ)備的作用，其作用是提高護(hù)坡面的表面剛度，使整個(gè)邊坡形成一個(gè)整體，它對(duì)控制坡面位移、地面沉降、防止土方開挖過程中局部出現(xiàn)坍塌以及控制每層開挖到支護(hù)前這段時(shí)期內(nèi)的位移、抗傾覆方面都有重要的作用，對(duì)周圍建筑物的保護(hù)提供可靠的保證。

2.1 樁錨支護(hù)

采用磚墻構(gòu)造柱+樁錨支護(hù)體系，垂直開挖，上部3.0 m做磚墻構(gòu)造柱，下部為樁錨結(jié)構(gòu)，樁長(zhǎng)14.50 m，樁間距1.6 m，樁徑800 mm，冠梁尺寸800mm×934 mm×500 mm，錨索水平間距分別是2.4、1.6 m，長(zhǎng)度23.0、17.0 m，如圖2所示。

圖2 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面Fig.2 Section view of the pile?anchor supporting structure

2.2 護(hù)坡樁+鋼管樁復(fù)合土釘墻支護(hù)

采用磚墻構(gòu)造柱+護(hù)坡樁+鋼管樁復(fù)合土釘墻支護(hù)體系，垂直開挖，上部3.0 m為磚墻結(jié)構(gòu)，下部為護(hù)坡樁+鋼管樁復(fù)合土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)，樁長(zhǎng)14.50 m，樁間距1.6 m，樁徑800 mm，冠梁尺寸800 mm×934 mm×500 mm，鋼管樁樁長(zhǎng)14.50 m，間距1.0 m，7道土釘，矩形狀布設(shè)，橫向間距1.0～3.2 m，縱向間距1.5 m，長(zhǎng)4.0～9.0 m，4道錨桿，橫向間距3.2～2.4 m，與土釘間隔布設(shè)，長(zhǎng)18.0～10.0 m，如圖3所示。

圖3 灌注樁-微型鋼管樁復(fù)合土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面Fig.3 Sectional view of the support structure of cast?in?place piles+the composite soil nail wall with micro steel pipe piles

3 基坑支護(hù)方案比選

通過基坑支護(hù)設(shè)計(jì)軟件對(duì)2種支護(hù)方案的整體穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析，最后從施工費(fèi)用及施工工期2方面對(duì)2種方案進(jìn)行對(duì)比分析，確定選擇經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案。

3.1 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

依據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012），整體滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算可采用圓弧滑動(dòng)條分法，應(yīng)滿足以下規(guī)定：

利用深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件驗(yàn)算基坑開挖后的穩(wěn)定性，結(jié)果表明方案一的整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.512，方案二的整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.482，均大于規(guī)范要求的二級(jí)基坑安全系數(shù)1.3，滿足設(shè)計(jì)要求。從整體穩(wěn)定性方面對(duì)比，方案一優(yōu)于方案二。

3.2 工程造價(jià)比較

2種方案的工程造價(jià)見表2。經(jīng)過對(duì)比，方案二工程造價(jià)比方案一節(jié)約40.122萬元。

表2 工程總造價(jià)對(duì)比Table 2 comparison of the otal project cost

3.3 工期比較

方案二基坑支護(hù)計(jì)劃施工工期35天，如果采用方案一樁錨支護(hù)體系計(jì)劃施工工期47天，可節(jié)約工期12天。

3.4 方案選擇

綜上所述，新組合基坑支護(hù)體系在工期和經(jīng)濟(jì)上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，同等條件下與樁錨支護(hù)體系相比，可節(jié)約造價(jià)約25%左右（包含縮短工期的費(fèi)用）。所以選用方案二支護(hù)方案。

4 數(shù)值模擬

4.1 模型建立

基坑的南側(cè)與東側(cè)在平面上大致呈L形，長(zhǎng)約147 m，寬約66 m，基坑深約14.5 m。本文利用Mi?das GTS有限元分析軟件，取基坑?xùn)|、南兩側(cè)長(zhǎng)度的一半進(jìn)行建模分析，建立的三維模型如圖4（結(jié)構(gòu)整體繞Z軸旋轉(zhuǎn)180°所得）所示。模型尺寸為150 m×70 m×35 m，其中計(jì)算總長(zhǎng)度為150 m，基坑開挖部分長(zhǎng)73.5 m，開挖面后長(zhǎng)76.5 m；計(jì)算總寬度為70 m，基坑開挖部分寬33 m，開挖面后寬37 m；計(jì)算深度為35 m，是支護(hù)結(jié)構(gòu)總深度的2倍。

圖4 基坑模型Fig.4 Foundation pit model

為簡(jiǎn)化模型、方便操作，將支護(hù)樁等剛度轉(zhuǎn)換為地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，建立的支護(hù)結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 支護(hù)結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Supporting structure model

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

從圖6中可以看出，基坑開挖完畢，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為24.97 mm，小于安全報(bào)警值44 mm（3‰h），基坑一直處于安全狀態(tài)。

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移云圖Fig.6 Cloud pictur e of the hor izontal displacement of the support structure

4.2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移

從圖7中可以看出，支護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移在各工況下變化趨勢(shì)基本一致，在上部磚墻部分，水平位移隨深度的增大逐漸減??；而在下部組合結(jié)構(gòu)部分，隨著基坑深度的增大，水平位移先增大后減小，底端位移幾乎為零，最大值出現(xiàn)在基坑中下部支護(hù)結(jié)構(gòu)。支護(hù)結(jié)構(gòu)整體最大水平位移為24.18 mm，小于安全報(bào)警值58 mm，支護(hù)結(jié)構(gòu)處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 支護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移曲線Fig.7 Deep horizontal displacement curve of the support str ucture

4.2.3 基坑周邊道路沉降及坑底隆起

從圖8中可以看出，隨著基坑的不斷開挖，周邊道路將發(fā)生不均勻沉降，且沉降值逐漸增大，最大值達(dá)7.29 mm，小于安全控制值25 mm，不影響道路的正常使用。

圖8 周邊道路沉降及坑底隆起云圖Fig.8 Cloud picture of the surrounding road settlement and pit bottom uplift

同時(shí)，在基坑開挖過程中，坑底將出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，坑底隆起隨開挖深度的增大而增大，最大值達(dá)15.25 mm，出現(xiàn)在坑底中部的位置，距離基坑側(cè)壁越近，隆起量越小。

4.2.4 錨桿軸力

從圖9中可以看出，施工竣工且基坑達(dá)到最終穩(wěn)定狀態(tài)后，第一道錨桿軸力達(dá)到383.8 kN，小于其安全控制值404 kN，其余幾道錨桿的軸力同樣也小于安全控制值，表明各道錨桿均能正常發(fā)揮作用，從而保證基坑的安全。

圖9 錨桿軸力云圖Fig.9 Cloud picture of the bolt axial force

5 基坑監(jiān)測(cè)

5.1 基坑監(jiān)測(cè)內(nèi)容

依據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50497—2019）［15］相關(guān)規(guī)定，對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平及豎向位移、基坑上沿地面沉降、基坑周邊道路沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移、錨桿軸力等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［16］，以確?；影踩??；颖O(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置見圖10。

圖10 基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置Fig.10 Layout plan of the foundation pit monitoring points

5.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警、報(bào)警值

依據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50497—2019），并綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定基坑監(jiān)測(cè)預(yù)警、報(bào)警值見表3。

表3 監(jiān)測(cè)預(yù)警及報(bào)警值Table 3 Early warning and alar m values for monitor ing

5.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

5.3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移分析

從圖11中可以看出，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移隨時(shí)間的變化趨勢(shì)大致相同，在土方開挖過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移隨開挖深度的增大逐漸增大，待土方開挖完畢、基坑正常使用過程中，位移變化趨于穩(wěn)定，最大水平位移為21.80 mm，小于安全報(bào)警值44 mm，在可控范圍之內(nèi)。支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移量較小，且變形均勻、平穩(wěn)，在監(jiān)測(cè)過程中未出現(xiàn)突變現(xiàn)象，基坑整體穩(wěn)定性較好，達(dá)到了預(yù)期支護(hù)效果。

圖11 支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移曲線Fig.11 Top horizontal displacement curve of the support structure

5.3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部豎向位移分析

從圖12中可以看出，隨著土體的開挖，應(yīng)力釋放，基坑底部產(chǎn)生隆起，帶動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)向上移動(dòng)，待基坑開挖完畢，支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部豎向位移趨于穩(wěn)定，最大位移發(fā)生在Z4監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最大值為7.10 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其安全控制值31 mm。在基坑開挖過程中，位移變化均勻、平穩(wěn)，未發(fā)現(xiàn)突變，基坑一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖12 支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部豎向沉降曲線Fig.12 Top vertical settlement curve of the support structure

5.3.3 深層水平位移分析

從圖13中可以看出，基坑開挖完成后，沿基坑深度方向，支護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移先增大后減小，基坑開挖范圍內(nèi)位移大，坑底以下位移小，支護(hù)結(jié)構(gòu)底端幾乎為零。最大位移發(fā)生在基坑中下部，大約距坑底H/3（H為基坑開挖深度）的位置，最大值約20.80 mm，遠(yuǎn)小于安全報(bào)警值58 mm。

圖13 基坑開挖完成后深層水平位移曲線Fig.13 Deep horizontal displacement curve after foundation pit excavation

5.3.4 錨桿軸力變化分析

基坑?xùn)|、南兩側(cè)共布設(shè)6組錨桿軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每組監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)上下4道錨桿進(jìn)行監(jiān)測(cè)，共監(jiān)測(cè)24根錨桿的軸力值。由于監(jiān)測(cè)數(shù)量多，每組第一道錨桿軸力大、變化明顯，故將其作為分析對(duì)象。錨桿孔徑150 mm，全長(zhǎng)18 m，其中自由段長(zhǎng)6 m，錨固段長(zhǎng)12 m，內(nèi)插4d15（7?5）低松弛型預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨固力設(shè)計(jì)值505 k N，預(yù)加拉力405 k N，錨桿軸力變化如圖14所示。

從圖14中可以看出，錨桿軸力隨時(shí)間的變化呈3個(gè)階段，即預(yù)應(yīng)力快速下降階段、預(yù)應(yīng)力“抬頭”階段和預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定變化階段，預(yù)應(yīng)力總損失率在37%～52%之間。錨桿張拉鎖定后，預(yù)應(yīng)力立即損失近40%，此時(shí)測(cè)得的最大值為265 kN。錨桿軸力變化受多方面因素影響，鋼絞線張拉后回縮、鋼絞線應(yīng)力松弛、土體變形、混凝土徐變、錨桿施工偏差等，均會(huì)引起錨桿預(yù)應(yīng)力的損失。隨著基坑的不斷開挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)與周圍土體發(fā)生位移變形，錨桿軸力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，待基坑工程施工完成后，錨桿軸力最終趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸力設(shè)計(jì)值，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖14 錨桿軸力隨基坑開挖時(shí)間變化曲線Fig.14 Variation curve of the bolt axial force vs the excavation time of foundation pit

5.3.5 周邊道路沉降分析

從圖15中可以看出，周邊道路沉降隨時(shí)間變化大致呈緩慢增長(zhǎng)、顯著增長(zhǎng)和穩(wěn)定變化3個(gè)階段。第一階段為排樁施工階段，排樁施工會(huì)使周圍土體受到一定程度的擾動(dòng)，進(jìn)而使基坑周邊道路產(chǎn)生較小的沉降；第二階段為基坑開挖階段，隨著基坑土方的開挖，基坑側(cè)壁約束解除，周邊土體應(yīng)力釋放，土體結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生較大的水平和豎向變形，從而引起周邊道路豎向沉降；第三階段為支護(hù)體系正常使用階段，基坑工程施工完畢，支護(hù)結(jié)構(gòu)與周圍土體有效結(jié)合形成統(tǒng)一整體，支護(hù)結(jié)構(gòu)的正常使用有效控制了周圍土體的位移變形，從而限制了周邊道路的豎向沉降。周邊道路最大沉降為6.85 mm，遠(yuǎn)小于安全報(bào)警值25 mm，未影響道路的正常使用。

圖15 周邊道路沉降曲線Fig.15 Settlement curve of the surrounding roads

綜上所述，在基坑開挖及使用過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移與豎向位移、深層水平位移、錨桿軸力、周邊道路沉降均未達(dá)到安全報(bào)警值，基坑一直處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

對(duì)比分析支護(hù)結(jié)構(gòu)位移與內(nèi)力、基坑周邊道路變形的有限元分析結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，隨基坑開挖的變化趨勢(shì)基本吻合，模擬值與實(shí)測(cè)值雖有差異，但差值很小。

6 結(jié)論

本文以北京市某深基坑工程為例，介紹了新型組合深基坑支護(hù)體系——護(hù)坡樁+鋼管樁復(fù)合土釘墻支護(hù)體系，通過與樁錨支護(hù)體系的對(duì)比分析，以及有限元模擬與現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)的對(duì)比研究，得出以下結(jié)論：

（1）在同樣保證基坑施工與使用安全的前提下，與樁錨支護(hù)體系相比，護(hù)坡樁+鋼管樁復(fù)合土釘墻支護(hù)體系可節(jié)省工期數(shù)天，節(jié)約造價(jià)25%左右。

（2）對(duì)比分析有限元模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移、周邊道路沉降隨基坑開挖的變化趨勢(shì)基本一致，模擬值與實(shí)測(cè)值雖有差異，但差值很小，驗(yàn)證了該組合支護(hù)體系的合理性與可行性。

（3）該組合支護(hù)體系的成功運(yùn)用，解決了周邊環(huán)境復(fù)雜、要求位移小、基坑支護(hù)造價(jià)低等深基坑支護(hù)的技術(shù)難題，驗(yàn)證了這一支護(hù)形式的可行性，其在深基坑支護(hù)中具有常規(guī)土釘墻和護(hù)坡樁無法相比的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，對(duì)類似工程積累了可靠的施工數(shù)據(jù)，對(duì)處理該類似情況的深基坑積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，在未來會(huì)有很大的發(fā)展空間，具有推廣價(jià)值及良好的社會(huì)效益。