随着我国社会和经济的迅猛发展, 全国城市化的进程加快, 兴建高层建筑、开发和利用地下空间已成为我国城市建设中随处可见的工程项目。随着建设规模越来越大, 基坑支护工程日益增多, 所遇到的工程地质问题和涉及的支护问题也日益增多^[1,2,3,4]。

　　 现阶段, 经过国内外一大批学者对深基坑的支护研究, 尤其是各种新型挡土结构的出现和应用为基坑支护技术的进一步发展开辟了广阔的前景, 并积累了大量的工程经验, 形成了较好适用性的半经验的设计施工和预测基坑变形的方法。例如, 文献^[5,6]提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法, Bjerrum等^[7]给出了深基坑坑底隆起的分析方法;刘书斌等使用硬化土模型对在苏南地区的深基坑开挖进行了分析与研究^[8], 徐文杰等对深基坑中数字基坑的应用进行了应用研究^[9];近些年, 随着时空效应的提出, 基坑支护技术更是得到了长足的发展, 如刘建航参考新奥法隧道施工面时空效应理论和上海大量软土基坑实践而提出的时空效应法^[10,11], 吴兴龙等指出在基坑设计中充分考虑时空效应, 挖随支, 约束土体变形产生, 可以减小土体强度的衰减, 增加支护结构的稳定性和安全性^[12]。

　　 本文结合徐州市和信广场实际工程地质条件, 最终决定采用斜抛撑的支护方式, 并利用数值模拟软件, 对支护效果进行模拟, 最终得到的结果为基坑开挖与支护形式提出合理的建议。

　　 和信广场基坑项目位于徐州市火车东站繁华闹市区, 复兴北路西侧, 镇平街与丰财一道街之间。本工程为二期基坑工程, 二期工程拟建高层建筑设有3F地下室, 设计±0.000为43.60m, 基底标高约30.60m, 现地面标高约40.600m, 基坑尺寸为160m×130m, 基坑开挖深度约14.7m。

　　 拟建建筑场地为原橡胶厂拆迁场地, 勘察期间场地内建筑垃圾、碎石垫层及原有建筑物基础较多, 现场地尚未拆迁, 周边地下管线分布较复杂, 场地地面标高为40.55~41.71m, 地表相对高差1.16m。拟建建筑场地位于徐州市区, 黄河故道东岸, 由于受故黄河的历次泛滥影响, 形成了粉土~黏性土交互沉积的地层结构。该地貌单元为废黄河高漫滩地貌单元。

　　 根据区域地质资料, 本场地位于徐州复背斜东翼近轴部, 上部地层主要由故黄河泛滥冲、洪积的粉土及黏性土组成, 其下为一般黏性土和老黏土, 第四系覆盖层厚度约26.0~29.0m。本场地基岩以寒武系长山组及凤山组浅灰、灰色薄层状泥质条带灰岩夹鲕粒灰岩、竹叶状灰岩, 薄层灰岩、泥灰岩与灰岩互层为主, 走向NE-SW, 倾向SE, 倾角约30°~50°。

　　 场地附近地质构造较发育, 断层F11从场地西南侧约40m处经过, 废黄河断裂带从场地西南约700~1 800m处经过。

　　 场地内土层上部为拆迁建筑垃圾, (2) ~ (6) 层为第四纪全新世 (Q₄) 新近沉积土, 主要为黄河泛滥冲洪积形成的粉土、黏性土;⑺层为第四系全新世一般沉积土; (8) 层为第四系晚更新世 (Q₃) 老沉积土, 该场地下伏基岩为灰岩, 走向NE-SW, 倾向SE, 倾角约30°~50°。根据勘探成果, 结合室内土工试验结果, 对本工程基坑支护参数建议如表1, 2所示。

　　 因为基坑开挖深度较深, 平面规模大, 属特大特深基坑, 基坑开挖深度范围涉及的土层均为弱透水, 渗透系数较大, 工程性质较差。坑底粉砂夹黏土层地下水具有一定的承压性, 如果不进行有效的排水、降水措施, 坑底存在管涌、隆起、流砂等工程事故的可能性, 所以基坑开挖之前应进行必要的隔水、降水、排水措施。

　　 由于场内地质较为均匀, 以黏土为主, 结合徐州地区深基坑施工的经验, 本基坑工程基坑采用单排850@1 200三轴深搅桩止水帷幕组成闭合的止水帷幕。作为地下连续隔水帷幕进行隔水, 水泥搅拌桩桩长20.5~22.1m, 穿过黏土层进入含砂姜黏土层1~2m, 进入基坑底面5.8~7.4 m, 以隔断基坑范围砂层中的承压水与外界的水力联系。

　　 基坑围护结构主要承受基坑开挖卸荷所产生的水压力和土压力, 并将此压力传递到支撑, 是稳定基坑的一种施工临时挡墙结构。

　　 本地区常用的围护结构有2种:地下连续墙、钻孔灌注桩。

　　 1) 地下连续墙的优点是对开挖的地层适应性强, 在我国除熔岩地质外, 可适用于各种地质条件。施工全盘机械化, 速度快、精度高, 并且振动小、噪声小, 适用于城市密集建筑群及夜间施工。缺点是施工技术要求高, 制浆及处理系统占地较大, 管理不善易造成现场泥泞和污染。

　　 2) 钻孔灌注桩的优点是机械化作业, 具有承载力能力高, 施工方便。工期短。造价低, 施工时无振动、无地面隆起或侧移, 对周边建筑物危害小, 使用范围大, 适用于各种地质条件。缺点是可能会产生大量的泥浆垃圾, 处理难度大, 对环保要求高;对现场道路的通行标准有要求。

　　 根据周边深基坑施工的经验以及工程经济考虑, 本基坑工程基坑采用钻孔灌注桩作为围护结构, 围护灌注桩的直径为1 100, 1 200, 桩间距1 300, 1 400mm, 桩型选择钻孔灌注桩, 最终采用的围护结构布置如图1所示。

　　 深基坑平面支护体系中常用的传力体系主要有内支撑和锚杆两种方法。

　　 基坑尺寸为160m×130m, 基坑开挖深度约14.7m, 基坑工程面积较大, 开挖深度较深, 属于一级基坑。

　　 如果采用钻孔灌注桩加锚杆的支护设计方法主要有以下不利因素。

　　 1) 本工程开挖深度较大, 平面规模大, 属特大特深基坑。基坑开挖深度范围涉及的土层均为弱透水, 渗透系数较大, 在基坑开挖深度的范围以内, 分布有比较厚的软弱粉质黏土, 工程性质差。不能提供给锚杆足够的锚固力。

　　 2) 和信广场基坑工程南侧为在挖基坑, 基坑北侧为环城路, 地下室外墙距离该侧用地红线仅约10m;基坑西侧为6~7住宅建筑。

　　 3) 基坑东侧为复兴北路, 地下室外墙距离该地用地红线仅为3.3m;基坑南侧一定距离外为建筑, 地下结构距离该侧用对红线较近。

　　 4) 选用锚杆不仅无法满足锚杆的受力要求以及对周边环境的保护要求;而且不具备施工锚杆的空间。

　　 如果采用水平支撑支护设计主要有以下几方面方面的不利因素。

　　 1) 基坑开挖面积较大, 基坑开挖深度深, 选用水平支撑为支护结构的传力体系, 会导致杆件过于密集, 并且基坑内部挖土空间较小, 在一定程度上会降低挖土效率。

　　 2) 由于水平支撑的长度很长, 导致拼接的节点过多, 施工偏差容易积累, 支撑构件的传力可靠性无法保证。

　　 3) 基坑横向、纵向2个方向的距离均较大, 水平支撑刚度不能满足要求, 不利于控制基坑变形和保护周边的环境, 不能满足对邻近市政管线的保护要求。

　　 4) 基坑周边道路、管网、建筑密集, 施工场地狭小。

　　 此外和信广场建筑工程项目, 工程量大、建筑物为高建筑、工期紧张, 施工时应创造多个工作面, 争取多段施工, 缩短施工工期的原则划分施工区段。应在保证安全和质量的基础上, 加快主体建筑施工进度。

　　 采用“盆式开挖结合两道斜支撑”的设计方案的可行性。

　　 1) 采用被动区留土设计技术对于工程规模较大、工期紧的情况有很好的效果。

　　 2) 内支撑支护难度大时, 利用被动区留土的支护方案 (中心岛施工法) 可大幅度节约支护造价, 缩短施工工期。

　　 3) 被动区留土可产生负孔隙水压力, 非饱和土可产生基质吸力, 有利于边坡的稳定。但应加快施工进度, 注重时空效应。

　　 4) 充分考虑留置土坡自身的稳定性。

　　 5) 被动区留土的土方开挖应采用分段开挖、分段施工的方式, 并结合利用已施工底板承台设置竖向斜撑或利用已施工的地下室结构楼板、框架梁设置临时水平换撑等进行施工。

　　 6) 该设计方法整个工况流程在时间空间上衔接的非常紧密, 设计与施工环节非常紧凑, 实现了安全、经济、工期三轴的高度统一。

　　 综上所述, 为了减少工期, 节约基坑工程造价, 采用中心盆式开挖放坡至坑底, 待中心主体结构地板浇筑施工后, 再分段抽条开挖并架设斜抛撑, 斜抛撑分别支撑于-2.900m和-8.900m处, 基坑角都设置2道混凝土对撑。对于超大面积的基坑, 采用这种斜抛撑, 将极大的减少内支撑设置和拆除的费用, 方便土方开挖运输, 能够加快地下工程的施工进度, 具体工况如图2, 3所示。

　　 为了方便MIDAS/GTS数值模拟计算, 对和信广场斜抛撑支护结构分析的模型进行简化。简化模型取原有基坑的一部分, 其他岩土层的物理参数不变, 模型基坑深度为-15m, 钻孔灌注桩长根据逐层开挖法计算为-23m, 止水帷幕的厚度为1m, 止水帷幕深度为-22m, 放坡开挖1m后, 在-2.900m处设置第1道斜抛撑, 在-8.900m处设置第2道斜抛撑。基坑简化模型如图4所示。

　　 第1阶段开挖深度为-2.9m, 施工模拟验算的结果如图5~7所示。

　　 第1阶段施工模拟验算的结果显示, x方向基坑内土体最大位移量<15mm, z方向基坑内土体最大位移量约为50mm, 三维单元应力也较小。通过图形分析, z方向土体位移最大量集中在基坑底部, 在基坑开挖的过程中, 应对斜抛撑底部牛腿进行重点观测, 防止在基坑开完过程中周围变形量过大影响工程进度。

　　 第2阶段施工模拟验算的结果显示:围护结构及土体位移变形量均可以满足基坑支护设计预警值要求。x方向基坑内土体最大位移量集中在基坑侧壁底部, z方向基坑内土体最大位移量约为50mm, 但部分斜抛撑支护杆件轴力较大, 在土方开挖的过程中, 为了增加基坑支护工程的安全系数, 应该增强支护杆件的强度, 建议增加强杆件的配筋比或提高混凝土的截面面积, 来增强杆件的强度。也可以对基坑内侧采取加固措施。第2阶梯土方开挖时, 支撑杆件受力开始增大, 下期应对支撑杆件的轴力进行重点监测, 防止突发事故影响整体施工的进度。

　　 第3阶段开挖深度至基坑底板, 施工模拟验算的结果如图12~15所示。

　　 3个阶段施工模拟验算的结果显示:第1阶段开挖至斜抛撑位置时, 基坑围护桩及土体水平及竖直位移量开始增大, 随着基坑的开挖, 坑顶水平位移也逐渐变大, 且从第2阶段开挖后支撑杆件受力增加, 按施工顺序在基坑开挖至坑底时, 支护水平位移最大, 但待底层底板浇注后, 基坑土体的水平位移及支撑杆件受力也趋于稳定, 最终模拟结果验证了“盆式开挖结合两道斜抛撑的支护形式”在本次基坑开挖模拟中的应用合理性。

　　 结合和信广场工程地质条件, 对基坑降水、围护、支护方案进行了探讨, 最后使用数值模拟软件对基坑三次开挖过程中的位移及支护结构应力分布进行分析, 可得到如下结论。

　　 1) 以本文的研究对象和信广场深基坑工程为例, 通过对比水平支撑与锚杆加固措施的可行性, 为了降低基坑工程造价、提高出土效率和节约工期。选择了“盆式开挖结合2道斜抛撑的支护形式”的设计方法。

　　 2) 运用MIDAS/GTS软件对和信广场斜抛撑支护设计进行了数值模拟分析, 根据模拟结果可以对深基坑开挖过程中的土体变形和土体的应力变化做出预测, 为基坑支护设计方案提供合理的建议及预警方案, 并为施工开挖提供借鉴。

　　 3) 对于类似和信广场基坑工程的超大面积基坑, 采用“盆式开挖结合2道斜抛撑的支护形式”, 将极大的减少内支撑设置和拆除的费用, 方便土方开挖运输, 同时能够加快地下工程的施工进度, 其应用前景十分广阔。