林齐鸣 万 历 唐 瑜

（中电建路桥集团有限公司，北京 100048）

1 工程简介

成都市五环路双流段项目拟建的成新蒲下穿隧道长度为810m，其中某段（220m）下穿成新蒲大道入城段。下穿隧道采用明挖顺筑法进行施工，因此需在成新蒲大道与下穿隧道交叉范围进行基坑开挖，为框架隧道提供工作面。基坑开挖深度为8.0m～9.6m，属于深基坑，安全等级为一级。基坑西侧距已建成的中电科大楼约为60m，东侧距现有双楠大道约为65m、距中铁大楼约为35m。由于下穿隧道施工周期较长且周边建（构）筑物众多，因此当基坑支护设计时应该重点考虑开挖支护对基坑自身及周边建（构）筑物的影响，保证基坑稳定。

2 基坑支护方案对比分析

根据基坑支护工艺技术成熟性的要求，框架段下穿隧道基坑支护工艺可选用放坡开挖、灌注桩支护、地下连续墙支护以及钢板桩支护等4 种支护工艺。

拟建隧道与既有成新蒲大道接近正交且框架段基坑开挖深度为8.0m～9.6m，若放坡开挖，则横向会大量占用既有道路，导致纵向与周边建（构）筑物安全距离不足。

当采用灌注桩支护工艺时基坑可接近垂直开挖，不额外占用既有道路及周边用地[1]。其较好的抗变形能力可保障基坑安全，但现浇结构因混凝土龄期特性所以会导致施工周期较长，制约项目工期及材料投入。

虽然地下连续墙支护结构刚度大，抗渗性、挡土和隔水效果好，但是当地下连续墙遇到坚硬土体或是岩层时施工较困难，需要特殊的成槽设备且施工费用较高[2]。

结合下穿隧道框架段地质情况，地面下约4～6m 为超厚卵石层且基坑开挖深度较深，采用钢板桩不仅难以抵抗巨大的土压力，还在卵石层中难以顺利打拔，不能保障基坑安全性。

通过上述分析，结合五环路双流段项目建设要求，初步拟定采用灌注桩支护及地下连续墙支护，具体结构形式及参数如下。

支护工艺1：灌注桩支护。采用φ1.2m 灌注桩及桩间挂网喷浆防护，桩顶设置冠梁，基坑横向设置两道格构柱，其下设置φ1.0m 立柱桩，其顶设砼支撑，沿基坑纵向间距8m共计12 排。

支护工艺2：地下连续墙支护。采用厚800mm 的自立式地下连续墙，“I”形断面，墙体为C35 混凝土，接头形式为钢筋混凝土接头。

3 支护结构稳定性分析

根据上文基坑支护方案对比分析结果，重点对灌注桩支护及地下连续墙支护这两种工艺的稳定性进行分析。

3.1 灌注桩支护稳定性分析

3.1.1 计算嵌固稳定性

灌注桩支护工艺属于单层支撑的支挡结构，根据文献[3]要求，其嵌固深度应符合下列嵌固稳定性的要求。结构受力简图如图1所示，计算嵌固稳定性如公式（1）所示。

图1 单层支撑的支挡结构嵌固稳定性计算结构简图

式中：Kem为嵌固稳定安全系数；当基坑安全等级为一级时，Kem≥1.25；Eak、Epk分别为基坑外侧主动土压力和内侧被动土压力合力标准值，kN；Za2、Zp2分别为基坑外侧主动土压力和内侧被动土压力合力作用点至支点的距离，m。

根据公式（1）和灌注桩支护工艺结构物参数，计算灌注桩嵌固稳定安全系数Kem=2.47≥1.25，满足规范要求。

3.1.2 计算坑底隆起稳定性

单层支撑的支挡结构嵌固深度应满足坑底隆起稳定性要求，结构受力简图如图2所示，计算抗隆起稳定性如公式（2）～公式（4）所示。

图2 挡土构件底端平面下土的抗隆起稳定性计算结构简图

式中：Khe为抗隆起安全系数，当基坑安全等级为一级时，Khe≥1.8；γm1、γm2分别为基坑外和基坑内挡土构件底面以上土的重度，kN/m3；D为基坑底面至挡土构件底面的土层厚度，m；h为基坑深度，m；q0为底面均布荷载，kPa；Nc、Nq为承载力系数；c为挡土构件底面以下土的黏聚力，kPa；φ为挡土构件底面以下土的内摩擦角，°。

根据公式（2）～公式（4）以及灌注桩支护工艺结构物与土层参数，计算灌注桩抗隆起安全系数Khe=3.60≥1.8，满足规范要求。

3.2 地下连续墙稳定性分析

3.2.1 嵌固稳定性计算

地下连续墙支护工艺属于悬臂式支挡结构，根据规范要求，嵌固深度应符合下列嵌固稳定性的要求。结构受力简图如图3所示，计算嵌固稳定性如公式（5）所示。

图3 悬臂式的支挡结构嵌固稳定性计算结构简图

式中：Kem为嵌固稳定安全系数；当基坑安全等级为一级时，Kem≥1.25；Eak、Epk分别为基坑外侧主动土压力和内侧被动土压力合力标准值，kN；Za1、Zp1分别为基坑外侧主动土压力和内侧被动土压力合力作用点至挡土构件底端的距离，m。

根据公式（5）以及地下连续墙支护工艺结构物参数，计算地下连续墙嵌固稳定安全系数Kem=1.77≥1.25，满足规范要求。

3.2.2 整体稳定性计算

悬臂式支挡结构应当满足整体稳定性要求，可采用圆弧滑动条分法进行整体稳定性计算，其结构受力简图如图4所示，计算整体稳定性如公式（6）、公式（7）所示。

图4 圆弧滑动条分法整体稳定性计算结构简图

式中：Ks为圆弧滑动整体稳定安全系数，当基坑安全等级为一级时，Ks≥1.25；Ks，i为第i个滑动圆弧的抗滑力矩与滑动力矩的比值；cj为第j土条滑动弧面处土的黏聚力，kPa；φj为第j土条滑动弧面处土的内摩擦角，°；bj为第j土条的宽度，m；θj为第j土条滑弧面中点处的法线与垂直面的夹角，°；lj为第j土条的滑弧长度，m，取lj=bj/cosθj；qj为作用在第j土条上的附加分布荷载标准值，kPa；ΔGj为第j土条的自重，按天然重度计算，kN；uj为第j土条在滑弧面上的孔隙水压力，kPa；坑底在地下水位以上时其值取0。

根据公式（6）、公式（7）和地下连续墙支护工艺结构物与土层参数，计算地下连续墙整体稳定安全系数KS=2.33≥1.25，满足规范要求。另外，根据规范要求，可不计算悬臂式支挡结构的抗隆起稳定性。

3.3 有限元数值模拟对比分析

3.3.1 有限元数值模型建立

通过上文理论计算得出灌注桩支护和地下连续墙支护各自的稳定性安全系数，为进一步验证在两种支护工艺情况下，基坑外侧土体变形数值及规律，采用MIDAS 软件，根据地基土物理力学指标及基坑支护结构物材料参数，用1m×1m 的微小单元模拟基坑土体，分别建立两种基坑支护工艺有限元数值模型，模型X方向为基坑横断面，Y为纵断面，Z向上为正。设置模型横向范围为50m，纵向选取15m。有限元数值模型如图5所示。

图5 基坑支护有限元数值模型

3.3.2 模型计算结果及分析

基坑开挖完成后，在不同基坑支护工艺情况下，基坑外侧土体变形将呈现不同规律[4]。通过有限元模拟，建立距基坑边缘不同距离工况，得到不同支护工艺情况下坑外深层土体位移变化曲线，如图6所示。

图6 不同支护工艺下坑外深层土体位移变化曲线

由图6 可知，基坑外侧深层土体距基坑越近，位移变形越大，反之越小。但不同的是，在灌注桩支护情况下，基坑外侧土体水平位移在地面下约6m 处出现最大值，约为2.4mm；而地下连续墙支护在地面下约8m 处出现最大值，约为6.3mm。这种差别是因为灌注桩支护工艺嵌固深度较大且桩顶设有冠梁及横向砼支撑，所以可大幅度抵抗基坑周围的主、被动土压力；而地下连续墙主要作用为抵抗主动土压力，较难影响基坑底面以下部分土体产生的被动土压力[5]。因此两者土体最大位移值均出现在基坑开挖深度范围内（基坑开挖深度为9m），但处于不同深度轴线上。

4 结论

经过对五环路双流段下穿隧道基坑支护方案进行对比分析，通过理论计算与有限元模拟对拟定的支护结构稳定性及坑外深层土体位移变形进行验证，可以看出，灌注桩支护工艺在支护结构稳定性方面，各项安全系数均大于地下连续墙支护，基坑外深层土体的位移变形远小于地下连续墙支护工艺。综合考虑工程项目建设相关规定、不同支护工艺各自的安全系数、施工内容、工期进度以及施工成本等，项目最终采用灌注桩支护工艺作为基坑支护首选方案。