唐福源， 衣利伟， 曹勇， 陈正红， 陈秋南*， 吴岑佳

(1.中国建筑第五工程局有限公司， 长沙 410004； 2.湖南科技大学土木工程学院， 湘潭 411201)

在基坑施工过程中，基坑开挖将引起周围土体发生应力重分布，导致基坑发生变形。对于软土地基中深基坑施工而言，由于开挖深度大，土体力学性能差，为控制基坑变形，对深基坑施工技术有着更高的要求。为此，众多研究人员对软土中深基坑的支护和变形进行了研究。如Shakeel等[1]对软土地基深基坑桩群的沉降与荷载传递机理进行了研究。Tan等[2]通过对上海多个自上而下开挖的软土深基坑现场数据进行了比较分析，研究了基坑尺寸对开挖的影响规律。徐中华等[3]对通过现场测量，对深基坑开挖对邻近建筑的影响进行了研究。也有研究人员基于工程实测数据，对软黏土地区深大基坑开挖全过程中的开挖性状的发展演变规律进行了分析[4-5]。刘铭等[6]通过数值分析研究了软土地区基坑施工对其附近土堤稳定性的影响,并对基坑施工影响的控制措施进行了研究。黄伟[7]通过下卧海相沉积软土的蠕变力学特性和本构模型的研究，探索了填海造陆地区深大基坑变形时空效应及最优变形控制方案。喻卫华[8]根据结构计算和现场实测，探讨了软土地区深基坑设计与施工关键技术。李海亮等[9]利用层次分析法与模糊数学理论，对临海富水软弱地层中深基坑支护方案进行了优选。孔维耀[10]通过数值模拟和现场监测，提出了在软土地区超大规模深基坑进行整体顺逆结合设计方法。苏秀婷等[11]以济南黄河隧道北岸盾构工作井基坑工程为依托，对软土地层深基坑连续墙的变形进行预测，同时论证了改进的可动强度设计(mobilizable strength design, MSD)法预测体系的可靠性。

从上述近年来的一些代表性研究不难看出，虽然目前对软土地层中基坑开挖的支护和变形进行了大量研究，但缺少对处于复杂填海区域的软土地层中狭长带状深大基坑支护方案的优选研究与基坑变形分析。基于此，现以深圳地铁13号线深登明挖区间配线段的填海软土地层基坑项目为依托，通过对基坑支护结构水平位移和内力的设计计算，对支护结构的截面参数进行优选，同时将优选结果应用到数值模拟中，预测基坑土体的变形，并与最终地表沉降监测数据进行对比，补充了深圳地区复杂填海软土地层中的深基坑工程研究工作，以期为后续深基坑研究工作提供一定的指导。

1 工程背景

1.1 基坑概况

深圳地铁13号线的深圳湾口岸站～登良东站明挖区间配线段项目位于深圳湾口岸附近，配线段北侧为东滨路、南侧为深圳湾口岸。地面现状主要有在建的东滨路隧道施工围挡、绿化用地、道路，配线段基坑影响范围内无建构筑物，存在少量管线，在基坑施工之前均已迁移出基坑范围。基坑平面图如图1所示，左右线路总长386.76 m，基坑大致呈矩形形状，长约194 m，宽11.5～13.33 m，基坑深度为19.6～22 m。

1.2 地质概况

深登明挖区间配线段的基坑工程周边地面高程3.07～9.57 m，地面坡度一般小于15°。地层结构为复杂软弱填海地层，从上到下依次为：素填土、填碎石土、淤泥质黏土、粉质黏土、砾砂、砾(砂)质黏土、全风化花岗岩。地下水稳定水位埋深2.80～6.00 m，以孔隙潜水为主，孔隙水主要赋存于第四系人工填土、海相沉积淤泥质砂层及砾(砂)质黏性土层中。本工程具体土体力学参数如表1所示。

2 咬合桩施工原理及结构计算原理

2.1 咬合桩施工原理

根据该基坑工程地质情况和周围环境，该基坑围护结构采用“套管咬合桩+支撑”的支护措施。套管咬合桩的施工流程，如图2所示。桩的排列方式按照素混凝土桩(A桩)和钢筋混凝土桩(B桩)间隔布置，施工时先施工A桩后施工B桩，施工工艺流程是：A1—A2—B1—A3—B2—A4—B3……，如图2所示。A桩混凝土采用超缓凝混凝土，要求必须A桩混凝土初凝之前完成B桩的施工。B桩施工时采用全套管钻机切割掉相邻A桩相交部分的混凝土，以实现AB桩的咬合。

图1 基坑平面布置图Fig.1 Layout of foundation pit

表1 土层物理力学参数Table 1 Physical mechanical Parameters of soil layers

图2 套管咬合桩施工工艺流程Fig.2 Construction process of secant piles

2.2 咬合桩结构计算原理

当咬合桩的咬合良好，咬合面满足剪应力传递的情况下，A桩和B桩达到变形协调状态，可将其作为一个整体进行分析。因此，在计算咬合桩的结构内力和变形时，可按照抗弯刚度等效原则将其等效为一定厚度的地下连续墙，如图3所示。

将咬合桩视为线弹性材料，根据抗弯刚度等效原则可得

(1)

d为桩径；a为咬合量；咬合桩结构可等效为长度2(d-a)、厚度h 的地下连续墙结构图3 咬合桩等效为地下连续墙Fig.3 Secant pile is equivalent to diaphragm wall

等效地连墙截面的惯性矩；E1、E2、E3分别为素混凝土、钢筋混凝土、等效地下连续墙混凝土的弹性模量。惯性矩I1的计算方法如图4所示，I1=I2-4I′1，I′1为1/4咬合区截面的惯性矩，计算公式为

(2)

图4 咬合桩惯性矩计算简图Fig.4 Inertia moment calculation of secant pile

3 基坑支护整体方案

深登明挖区间配线段基坑工程选用“套管咬合桩+内撑”的支护方案，基坑支护方案内容主要有以下3个方面。

(1) 咬合桩支护方案。配线段基坑周边按照施工原理布置相互咬合的A桩和B桩，桩径和桩间距根据优化分析结果确定。咬合桩嵌固深度取8 m，局部桩底未穿过透水层的地方应嵌固加深穿过透水层不小于1 m，嵌固段中有淤泥质土等软弱土层时，按软弱地层最大厚度相应加深嵌固深度。

(2) 内撑支护方案。内支撑竖向设置4道支撑，第1、3道采用钢筋混凝土支撑(800×1 000 mm)，第2道和第4道采用Φ800 mm钢支撑。

(3) 主要工程材料。咬合桩B桩桩身砼采用C35水下P6，A桩桩身砼采用超缓凝C35水下P6；冠梁、腰梁、砼支撑采用C30混凝土；钢筋：采用HPB300、HRB400钢筋；钢支撑采用Φ800 mm，壁厚20 mm，材料为Q235-B。

4 支护截面参数优化分析

通过改变咬合桩的桩径和咬合量，并分析不同桩径和咬合量对咬合桩内力和位移的影响结果，对支护参数进行优选。分别取桩径800、1 000、1 200、1 400、1 600 mm，咬合量100、200、300、400、500 mm，对其进行优化分析。

根据式(1)和式(2)，计算不同桩径和咬合量所对应的等效地下连续墙厚度h，结果如表2所示。将表2中的h代入地下连续墙支护结构计算模型中进行计算。计算模式为荷载-结构模式，模拟施工过程中支护结构的受力及变形特点。支护结构内力按弹性地基杆系有限元法分析，模拟开挖、支撑的实际施工过程，基坑外侧土压力按照朗肯土压力计算。本基坑为狭长形，可沿开挖宽度选取典型断面进行研究，本节取该项目的Y(Z)DK1+042.228断面为对象进行分析，其开挖深度为20.5 m，地面超载按20 kPa计算，考虑施工期间的各种工况，对本基坑的支护结构进行位移和内力计算。

表2 不同咬合桩尺寸对应的等效地下连续墙厚度Table 2 Equivalent thickness of diaphragm wall to the size of secant pile

4.1 截面参数对支护桩水平位移和弯矩的影响

在上述5种不同桩径和4种不同咬合量情况下，根据基坑支护计算模型得到的桩身水平位移和弯矩如图 5和图6所示。可以看出，随着桩径的增大，桩身水平位移逐渐减小，桩身弯矩逐渐增大，但是桩身水平位移和弯矩分布规律基本不变，每种桩径下最大水平位移发生在距桩顶 17.5 m左右，最大弯矩发生在距桩顶18 m左右。同时，当桩径从 0.8 m 增加到 1.2 m 的过程中，桩身的水平位移明显减小，但当桩径从 1.2 m继续增加至 1.6 m 的过程中，桩身的水平位移减小的幅度较小。桩身的弯矩的增大幅度基本不变。另外，咬合量的变化对桩身位移的大小和位移分布规律影响较小。

4.2 截面参数的优选

图7为不同桩径和咬合量下桩身最大水平位移和最大弯矩图。由图7可以看出，随着咬合量和桩径的增大，桩身最大水平位移逐渐减小，最大弯矩逐渐增大。因此，为了获得更小的桩身水平位移，需要增大桩径和咬合量，而为了获得更小的桩身弯矩，需要减小桩径和咬合量。若桩径和咬合量太小，将导致桩体水平位移大幅提高，给施工安全方面带来无穷后患；反之若桩径和咬合量太大，尽管一定程度上能够保证施工安全性能，但也带来了桩体弯矩值变大的情况，加大了工程造价成本。所以，咬合量和桩径不能过大或过小，选择合适的桩径和咬合量可以控制支护桩位移效果，并降低工程造价。

图5 不同桩径和咬合量下桩身位移图 Fig.5 Pile displacement under different pile diameters and occlusal quantities

图6 不同桩径和咬合量下桩身弯矩图Fig.6 Pile bending moment under different pile diameters and occlusal quantities

图7 不同桩径和咬合量下桩身最大位移和弯矩图Fig.7 Maximum horizontal displacement and bending moment under different pile diameters and occlusal quantities

根据得到的不同桩径和咬合量下桩身最大水平位移和最大弯矩值，将二者分别分为4个等级，A、B、C、D，其中A代表等级最优，即更小的位移或者弯矩值(图8)。从图8中等级划分结果可以看出，当位移和弯矩重要性一致的条件下，不同桩径和咬合量下，截面参数的优劣程度可以组合得到4种不同的分类，即AD(DA)、BC(CB)、AC(CA)、BB。若要同时保证位移和弯矩较小，则本工程案例支护结构参数的最佳选择是桩径1 200 mm、咬合量300 mm。

图8 不同桩径和咬合量下最大位移和最大弯矩等级划分Fig.8 Classification of maximum displacement and maximum bending moment under different pile diameters and occlusal quantities

5 基坑变形数值模拟

5.1 数值模型的建立

在确定支护结构参数的基础上，对基坑典型断面Y(Z)DK1+042.228进行有限差分法数值模拟，以获得基坑变形结果。数值模型如图9所示，基坑深20.5 m、长12.5 m。对于软土，沉降影响范围约为2倍开挖深度[12]，因此，模型总长度取112.5 m，模型总高度取约两倍基坑深，即40 m，模型厚度取单位厚度 1 m。土层通过Mohr-Coulomb本构模型和对应力学参数进行模拟。采用的桩径1 200 mm、咬合量300 mm的咬合桩按照表2等效为1 115 mm的地下连续，并利用Elastic本构模型对其进行模拟。内撑通过Beam结构进行模拟。同时，在桩顶进行1.5 m的放坡处理，坡后0.5 m外的地表作用20 kPa的地面超载。

5.2 基坑变形分析

为验证数值模型准确性，将右侧桩的水平位移与第4节中通过弹性法得到的水平位移进行对比。从图10中可以看出，数值模拟得到的桩身水平位移变化规律与弹性法得到的基本相同：数值模拟得到的最大水平位移为27.85 mm，位于距桩顶18 m处，弹性法得到的最大水平位移为28.02 mm，也发生在距桩顶17.5 m处，因此，模型合理。

图9 基坑数值模型Fig.9 Numerical model of foundation pit

图10 右侧桩水平位移图 Fig.10 Horizontal displacement diagram of the right pile

图11为不同工况下土体竖向位移场。由图11可以看出，工况1完成时，最大土体沉降值为24.77 mm，最大土体回弹值为16.65 m。工况2、工况3和工况4施工过程中，沉降趋势平缓，但坑内土回弹现象明显。工况5、工况6和工况7、工况8施工过程中，土层发生较大沉降和回弹，最大土体沉降值为14.34 mm，土体回弹96.27 mm。在工况9开挖完成后，最大沉降值为16.99 mm。按照一级基坑要求，沉降值小于基坑开挖深度的千分之三，该基坑的沉降满足该要求，且未超过警戒值，但最大土体回弹值达到110.45 mm。因此在本基坑的施工过程中应密切注意防止坑底隆起，在施工过程中采用了石子包增加压重，并在基坑开挖至坑底时尽快完成垫层浇筑。

图11 土体竖向位移场Fig.11 Vertical displacement field of soil mass

图12为工况9完成后，右侧坑外地表沉降的模拟值与实测值对比。由图12可以看出，地表沉降表现出“凹槽”形，模拟值与实测值基本吻合。地表沉降的主要影响范围距离放坡位置30 m以内，地表最大沉降量δvm发生在0.5倍基坑深度的附近，即距离放坡边缘10 m左右的位置。

图12 右侧坑外地表沉降图 Fig.12 Surface subsidence map on the right side of the foundation pit

6 结论

基于深圳地铁13号线的深圳湾口岸站～登良东站明挖区间项目，对支护结构位移、内力以及基坑土体变形进行全面分析。主要结论如下。

(1)随着桩径和咬合量的增大，桩身水平位移逐渐减小，弯矩逐渐增大，但水平位移和弯矩沿桩身的分布规律基本不变，最大水平位移和最大弯矩分别发生在距桩顶17.5 m和18 m左右。

(2)根据对应的最大水平位移和最大弯矩值，可将不同截面参数下的支护结构优劣组合为4种不同等级。在保证基坑安全和降低造价的前提下，该工程支护结构参数的最优选择是桩径1 200 mm，咬合量300 mm。

(3)在最优支护结构参数下，开挖完成后基坑土体最大沉降为16.99 mm，满足要求，但土层回弹值达到110.45 mm，因此在基坑的施工过程中应密切注意防止坑底隆起。