摘要
本文结合某深大基坑工程支护工程，将不同的工艺合理地用在同一个基坑工程中。通过对监测数据进行详细分析与研究，得以动态掌握基坑以及周边道路的变形状况，进而发现设计环节存在的不足之处，为施工发挥了重要的指导作用。同时结合现场监测和数值模拟，分析在该支护形式下，基坑施工过程中的土体和支护结构力学及变形特征。结果表明：数值模拟计算结果与监测数据基本相符，基本变形趋势与实际情况大体一致。基坑工程是一种复杂的力学系统，受环境变化和岩土性质影响大，仅仅依靠理论很难精确计算基坑的稳定状态，依据监测数据作出超前预警，从而保障生命财产安全，为类似工程提供了参考和借鉴。
Abstract
In this paper， different technologies are reasonably used in the same foundation pit project in combination with the support project of a deep and large foundation pit project. The monitoring data was analyzed and studied in detail， the deformation of the foundation pit and surrounding roads was dynamically grasped， and the deficiencies in the design were discovered in time， which played an important role in guiding the construction. At the same time， by combining on-site monitoring and numerical simulation， the mechanical and deformation characteristics of soil and support structure during the construction of foundation pit under this support form are analyzed. The results indicate that the numerical simulation results are basically in line with the monitoring data， and the basic deformation trend is generally consistent with the actual situation. Foundation pit engineering is a complex mechanical system， which is greatly affected by environmental changes and geotechnical properties. It is difficult to accurately calculate the stable state of the foundation pit only by relying on theory， and advance warnings are made based on monitoring data to ensure the safety of life and property. References are provided.
0 引言
高层建筑持续兴起，对地下空间的使用要求越来越高，多层地下室已经较为常见，深基坑已经较为常见。对于深基坑，应把设计、施工、监测当成一个整体加以考虑。然而，由于实际工程存在专业划分的状况，这三者在工程实际操作中往往单独进行，在大部分专业研究里也互不关联。但通过将三者融合起来进行研究并相互借鉴，能够收获更多可供深入钻研的素材。
近年来，岩土数值分析和神经网络稳定性预测 （管宏飞等，2019）是岩土界两大热点问题，岩土数值分析是对岩土工程进行定量研究，为岩土工程的防治和管理提供依据的一种手段，传统的稳定性分析方法往往难以考虑岩土工程的非线性和不确定性特征，因此近年来应用数值方法进行稳定性分析得到了广泛的关注（管宏飞，2013）。
本文以某一深大基坑工程设计作为实例，对复杂条件下多种支护共同使用的基坑支护设计展开详细剖析，对基坑的支护结构变形进行分析，探究在基坑开挖工程里支护结构变形以及地表沉降的变化规律，同时对基坑施工各个工况的稳定性进行数值模拟与分析，旨在为相似工程提供参考借鉴。
1 工程设计方案
1.1 工程概况
该工程为多栋集办公和商业的大型建筑基坑，由 5 栋 25 层住宅楼附属商业及地下室组成。地下室基坑最大深度达 17 m，开挖面积约为 15600 m2。基坑的东侧、西侧以及北侧均为已建成的道路。在这些道路下方分布着煤气管和污水管，因此空间较为有限，且需对变形进行严格控制。而基坑的南侧为施工空地，场地条件相对较为宽松。
1.2 工程地质条件
场区内上覆土层为素填土、粉质黏土，下伏基岩为泥质粉砂岩。地层自上而下分别为：①第一层为素填土，土层厚 0.90～24.4 m；②红褐色粉质黏土，层厚 3.90～10.50 m；③-1 强风化基岩，呈紫红色，土层厚度 0.50～6.20 m；③-2 中风化泥质粉砂岩，揭露厚度 2.90～26.90 m。其中素填土其力学性质较差，厚度较大。不仅其自稳能力偏弱，对基坑整体稳定性影响较大。
1.3 水文地质条件
从区内地层结构看：①素填土，土质较为松散，判定为强透水层、②粉质黏土属相对隔水层、③-1 强风化泥质粉砂岩裂隙较发育，属透水层，③-2 中风化泥质粉砂岩属相对隔水层。
已修建的东站路，属回填分层碾压，导致场地地下水补给系统被截断。场地外大气降水基本沿公路雨水收集器流入路边的城市排污管道。
场地内地下水受原始地形地貌及地表岩性（② 粉质黏土、③-2 中风化泥质粉砂岩属相对隔水层） 控制，大气降水多以地表径流形式排出场区，最后流入西南侧的共强东城花园三期小区内已修好的排污管道。由于①素填土层顶部黏粒较多，部分以上层滞水赋存于填土层中。
1.4 支护设计方案
由于此基坑周边环境复杂，多为填土，自稳能力差，同时基坑深度较深。因为要在基坑开挖过程中对周边道路及管线进行有效保护，所以拟根据不同地质情况采用不同的支护方式，支护形式应根据基坑的受力与变形特性对支护结构进行综合选型，才能采取最优方案进行支护设计（朱琦，2020）。
对于 AB 和 KA 段，考虑为深厚填土，决定采用双排桩支护，并且在桩顶土层处采用挡土墙加放坡支护的方式。在支护桩施工前，对桩间以及桩后的土体进行注浆加固。BC 段则采用桩顶放坡+排桩+ 锚索进行支护。HK段同样采用排桩加锚索方式进行加固，并对桩后的土体进行注浆加固；EF 段采用放坡+土钉进行支护。基坑支护平面如图1所示，典型剖面如图2所示。
2 现场监测分析
2.1 监测方案
（1）监测布置
监测内容包括土体地表沉降监测（C01～C48，基坑四周及周边道路）、土体深层水平位移监测 （CX01～CX13）以及支护桩水平位移和沉降监测 （S01～S16），监测平面布置见图3。
（2）基坑变形容许值
①边坡土体、支护结构水平位移监控预警值为20 mm，其变化速率≤2 mm/d。
图1基坑支护平面图
②变形监测等级宜为一级。
2.2 监测结果分析
基坑监测周期从 2017 年 8 月初开始施工起至 2018 年 9 月结束，监测周期共 25 期，每次监测周期一般为 15 d。本次选取变形较大，具有代表性观测点作为研究，对统计得到的监测数据进行分析。
（1）支护结构顶部水平、竖直位移（冠梁顶）
由图4a可知，1-1剖面的 S05—S10段位移变形较大特别是第 6 期位移急剧增大，分析主要原因为 1-1剖面填土较厚，且为新近填土，施工单位设置的排水管未穿过双排桩桩间土的加固体，致使排水不畅，引起变形加剧。后采取措施使得排水畅通后，后期位移趋于稳定。
根据图4b可以看出，支护结构顶部最大竖向位移为 11.2 mm，发生在 S08位置，累计位移没有超过规程要求的限值。竖向位移和水平位移较大的点位均出现在第 5 期~第 9 期之间。这是因为在这个阶段，基坑开挖的深度和范围不断扩大，对土体和支护桩的影响也逐渐增强，从而导致水平和竖向的变形同时显现。
同时由图可看出，支护结构两端部分点位出现水平位移较小，然而竖向位移却较大的情况。在实际工程中，我们需要充分考虑各种因素的影响，对经典理论进行适当的修正和完善，以提高工程的安全性和可靠性（张昆，2005）。
（2）土体深层水平位移
土体深层水平位移较大的有两个点位 CX04， CX05，最大位移分别为19. 02 mm、21.66 mm，由图5可知，CX04、CX05变形的数值和发生时间与围护桩顶水平位移的发展基本一致。这充分说明桩体和土体的变形是相互作用及影响的。在实际工程中，围护桩和土体之间存在着相互作用，土体的变形会引起围护桩的变形，而围护桩的变形也会反过来影响土体的变形。因此，在进行基坑设计和施工时，需要充分考虑围护桩和土体的相互作用，采取合理的支护措施，以确保基坑的安全和稳定。
（3）周边道路沉降
本次仅对距离基坑较近的点位进行统计及分析，根据检测数据及位移累计图（图6），道路沉降最大的点为 C19，沉降量为 32.79 mm，变形较大，变形特性与桩顶水平位移的发展基本一致，根据道路沉降变化特性图可以看出（图7），东侧道路沉降呈马鞍形，道路沉降最大值位于基坑东北角，亦是填土最厚的地段，根据现场监测资料，该点位道路在第 10 期出现明显沉降和裂缝。这说明土体变形较支护结构变形慢。出现沉降较大的情况主要是由地下水渗流以及扰动荷载作用下土体的蠕变变形所导致。
图2基坑支护典型剖面图（AB段）
因此，在基坑开挖过程中，为了保证基坑周围环境的安全，应当采取一定措施来控制基坑外的纵向不均匀沉降。例如，可以采用止水帷幕等措施来减少地下水渗流对土体的影响；合理安排施工顺序，避免扰动荷载的集中作用；对基坑周边土体进行加固处理，提高土体的强度和稳定性等。同时，加强对基坑周边环境的监测，及时发现和处理问题，确保施工安全。
3 基坑支护数值模拟分析
3.1 模型建立
Midas-GTS是一款针对岩土领域研发的通用有限元分析软件，国内多名学者已应用 Midas GTS 对某基坑在不同施工工况下进行了受力特性计算。 （赵中椋，2014；丁亚中，2020；周毅，2020；乐翔等， 2024；龙治强等，2024；温世聪和周汇智，2024；张鹏等，2024）。
图3基坑监测点布置平面图
图4支护结构顶监测点位移曲线图
a—水平位移；b—竖向位移
本文从较为复杂基坑 AB 段进行建模分析，为探明开挖后基坑的变形特征，采用Midas-GTS 对AB 段基坑建立有限元模型，揭示了该深基坑支护结构的变形特征与规律。根据现场情况，确定模型尺寸为 51.1 m×37.2 m。整体有限元模型计算网格如图8所示。在该模型中，上部边界可自由变形，对模型侧边给与施加水平约束来控制侧向变形，模型底部边界施加固定水平约束和竖直约束。作用在模型上的荷载包括：自重荷载和基坑顶均布荷载。模型中土层材料参数如表1所示。
图5土体深层监测点位移曲线图
a—CX04深层水平位移；b—CX05深层水平位移
图6周边道路沉降曲线图
图7周边道路沉降变化特性图
该剖面支护形式为双排桩支护。支护桩桩径为1 m，支护桩总长为23 m，桩中心间距为1.5 m，两排桩排距为4 m，。在模拟中，使用梁单元来模拟该支护结构。梁单元能够较好地反映桩的抗弯和抗剪性能，从而为分析支护结构的受力和变形提供较为准确的结果。中间联系梁也采用梁单元模拟。各支护构筑物参数如表2所示。
表1模型材料计算参数
3.2 工况模拟
基坑开挖的施工进程具有连续化与动态化的特性。GTS-NX 软件借助激活与钝化的功能对这一动态过程予以模拟。确切地说，通过对不同的土体以及结构进行激活和钝化操作，能够模拟出各异的施工阶段。数值模拟的具体工况如表3所列。这种模拟方法能够较为真实地反映基坑开挖过程中土体和结构的变化情况，为工程设计和施工提供重要的参考依据。
表2支护体系模型物理力学参数
图8有限元模型计算网格
3.3 计算成果分析
（1）位移变形分析
图9给出了基坑开挖以及支护后的水平方向位移云图。从图9可以看出，基坑外的土体有向基坑内运动的趋势。总体而言，水平位移等值线大致指向坡面方向，表现出从坡外至坡内位移值逐步减小的特点。这种位移变化情况反映了基坑开挖过程中土体的受力状态和变形规律。在基坑开挖过程中，土体卸载与应力重分布使得基坑周围土体产生向坑内的水平位移。与此同时，随着距坡面的距离不断增加，土体所受影响逐渐减弱，水平位移值也随之逐渐减小。而变形最大值则出现在支护桩直立开挖处的中下部，此处为直立临空面，根据土压力理论分析，在支护桩悬臂段中下部所受主动土压力越来也大，故土体变形最大处出现在此处，这与实际情况亦相符，支护桩范围内水平位移为 37~56 mm，这与监测结果相差不大，数值模拟主要在于变形趋势，其数值与弹性模量、泊松比等参数有关。
表3基坑模拟施工工况
图9基坑水平方向位移云图（单位：mm）
（2）应力分析
图10、图11分别给出了基坑支护后的最大主应力和塑性区云图。总体来讲（图10），土体的最大主应力伴随深度的增加持续变大。在基坑靠近坡面临空面位置，应力分布较为复杂，大致与坡面平行。在支护桩基坑坡脚的位置，应力集中现象较为严重。这是因为在基坑开挖过程中，坡脚处受到土体的压力和支护结构的反力作用，导致应力集中。从图11的塑性区云图（彩色部分代表塑性区）同样能够看出，塑性区主要也是集中在这个部位。这种应力集中可能会对支护结构和周围土体的稳定性产生不利影响，因此在设计和施工中需要特别关注坡脚处的应力情况，采取相应的加固措施来缓解应力集中。
图10基坑最大主应力云图（单位：kPa）
图11基坑塑性区分布图
4 结论
本文以某一深大基坑工程支护项目为依托，通过采用现场监测和数值模拟的方法对基坑施工过程中的土体和支护结构力学变形特性进行了研究，并进行分析研究得出以下主要结论：
（1）本基坑周边受限，放坡空间不足，采用排桩加锚索和双排桩较为实用和经济，通过监测数据表明，该方法整体刚度和稳定性较好，虽然局部位移较大，在支护结构未出现大的变形破坏前采取合理的应急处理手段，外侧道路未发生垮塌，管线未发生破坏，保证了基坑安全。
（2）有限元数值分析可以非常直观地反映出基坑的应力应变情况、变形趋势以及分布规律，分析得出基坑土体水平位移等值线大体指向坡面，从坡外到坡内位移值逐渐减小，变形最大值出现在支护桩直立开挖处中下部，支护桩基坑坡脚处应力集中较为严重，塑性区也主要集中在该部位，计算结果与监测数据基本相契合，基本的变形趋势与实际情况大致相同。
（3）基坑支护设计应进行动态设计，施工、监测应与设计紧密配合，监测方既要构建完善的基坑监测方案，还需敏锐地察觉设计环节存在的不足以及施工过程中的缺陷。共同采取积极的应对措施来调整施工步骤与进度，以防产生严重后果。通过本工程的实践验证了三方配合的重要性，这对类似的基坑工程施工也具有参考意义。
图(11)
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表(3)
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引用本文
管宏飞，江平，郑天涯，张红琼，李红涛，陈鹏. 2024. 深基坑排桩支护监测分析与变形特征研究［J］. 矿产勘查，15（s2）：201-209.
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Guan Hongfei，Jiang Ping，Zheng Tianya，Zhang Hongqiong，Li Hongtao，Chen Peng. 2024. Monitoring analysis and deformation characteristics of pile row support in deep foundation pit［J］. Mineral Exploration，15（s2）：201-209.
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