摘要：通过MIDAS有限元分析软件探讨了基坑施工时地表沉降、基坑隆起以及围护桩变形的规律，并针对围护桩桩径参数对变形的影响做出进一步的研究。可以得到如下结论：随着不断开挖的基坑深度，周围地表表现出“U”型的变化规律，基坑坑底有不断增加的隆起，围护结构变形也在不断增加，且桩径的增加能够提高其自身承载力和稳定性。
关键词：数值模拟；基坑支护；变形分析；钢筋混凝土
0引言
基坑工程开挖深度的不断加深，使其需面对的施工条件也越来越复杂多样，这对于基坑项目的施工提出了较大挑战[1]。当前，已有较多关于深基坑的研究，如国内黄华等人通过有限元模拟软件，分析了深基坑支护结构的参数[2]。杨欢欢等人对围护墙的变形和土体温度间的联系进行了研究[3]。牛恒达则基于MSD法探讨了围护结构和地面沉降的联系[4]。国外学者Benmebarek通过有限元建模的方式，探讨了深基坑项目的建设流程[5]。GrabeJ对桩锚打桩进行了模拟，探讨了墙体的应力分布情况[6]。基坑工程是岩土类研究中难度较高课题之一[7]，基坑工程中有较多的基坑支护方式，不同方法有不同的优缺点，需综合各种条件进行考虑，基坑支护是否合理对施工的安全性及工程质量有着较大影响，因此对基坑工程的支护结构施工开展进一步的研究非常有必要。
1钢筋混凝土内支撑施工
1.1施工要点
1.1.1土方开挖施工
时按照远到近的方式先进行支护后开挖。若基坑中的支撑数目较多，应基于支撑层数分层进行开挖。每层开挖时，按照基坑深度和施工机械伸展性能决定如何分层。必须确保混凝土强度满足要求后，再进行下一层土体的开挖。此外，开挖基坑时必须确保基坑降水满足要求，一般情况下可按照地下水程度设置降水井。为避免支撑梁被车辆压坏，需将50cm以上的土覆盖到支撑梁上部位置，以进行保护。开挖基坑时，还需要做好支撑柱和护臂支撑点凿毛工作。
1.1.2护壁施工
施工前需做好围檩梁连接位置的凿毛工作，以确保连接时具有一定的可靠性。不同的支撑点位置护壁施工的方案也有所不同，若在顶部设置支撑点，则应先将钢筋预留在顶部位置。若支撑点在某一标高之上，也需要将多出钢筋拉直。
1.1.3支撑梁施工
应基于规范标准进行混凝土灌注和养护等施工。可通过将适量早强剂添加到混凝土中的方式节省施工时间，但必须确保上层混凝土强度满足要求后再开挖下层土体。为确保拆除后期支护结构更为方便，应在浇筑混凝土前将爆破孔预留好。为确保施工安全，应将焊接杆件预留到两侧支撑梁上。为确保支撑体系稳定，应做好钢筋混凝土支撑梁及围檩同步浇筑。若对支撑梁起拱高度有一定的要求，则应遵照设计规范设计。
1.2施工特点
大跨度钢筋混凝土内支撑梁通过机械化施工，虽然需要一次性投入较高的资金，但具有较好的整体稳定性，能够极大程度提高施工效率。以混凝土为支撑材料，能够在一定程度上确保基坑周边土体的稳定性，保障基坑内支护的稳定性。同时内支撑所需的施工空间也较大。在大型深基坑支护中，钢筋混凝土支撑作为最为常见的内支撑结构，其特点为变形较小。水平受压是钢筋混凝土支撑的主要受力方式，随着不断加大的开挖深度，挡土结构的水平压力也在不断增大，从而确保钢筋混凝土支撑结构的材料特性能够得到有效的发挥。若将钢筋和支撑截面增大，则即可使钢筋混凝土支撑强度得到提升，也能确保地下施工的安全。施工钢筋混凝土支撑不受场地所约束，能够保障施工顺利进行。若场地允许，还可将临时施工便道搭设到施工平台上。以钢筋混凝土内支撑的方式进行设置，能够在一定程度上将施工周期缩短，因其内支撑形式内部空间较大，能够同时进行多台机械的施工。
2工程概况
某钢筋混凝土薄壁结构采用筏板基础，并设有抗拔桩，由于不均匀的地基沉降对其产生较大影响。从现场调研报告可知，施工场地为堆土区，自开挖完上部土方之后，周边地面约有28~33m的自然标高，基坑底板约有9.5~13m的标高，实际上基坑有15~23m的开挖深度。以I级的等级标准进行基坑施工。使用灌注桩和三层钢筋混凝土支撑的方式进行基坑两侧的支护，为保护桩间土，在较厚填土区域设置有高压钻喷桩。基坑施工分块图1所示。在进行第一道支撑梁底膜施工时，以设计标高为准开凿围护桩顶。通过素土夯实、上部贴塑料薄膜，一侧用围护体加固、一侧用木质模块加固的方式，加固第二和第三道支撑腰梁的底模。施工时，为确保能够有效衔接围檩和围护体，需通过凿毛的方式处理两者的接触面，并采用清水进行清理。基于场地地质条件，选择以旋挖成孔的方式施工钻孔桩，具体流程如图2所示。
3基坑施工及监测
该基坑项目约有15~23m的开挖深度，以一级的安全等级标准进行支护结构的建设。
3.1支撑施工
3.1.1第一道支撑
施工前，先在已经完成平整的场地运送好第一道支撑梁钢筋，再按照相关规定放置并绑扎好第一道支撑。通过木模以及斜撑等支护好已完成绑扎的钢筋笼，以确保在浇筑混凝土时不会有漏浆等现象出现。在保证完成上一步骤之后，通过大型吊运车将混凝土搅拌车吊运到位，浇筑已完成支护的模具，浇筑完支模后再对其进行养护。当混凝土强度满足设计强度要求后，即可将原有模具进行拆除。
3.1.2第二道支撑
先进行第二层土体开挖。为缩短施工工期，在开挖区域同时使用多台机械进行施工。施工到设计标高之后，进行残留土体的整平并施工支撑垫层。在完成上一道施工工序之后，重新采用木模等进行支护，以保证在浇筑混凝土时不会有漏浆等情况出现。在完成上述施工后即可进行模板浇筑和养护施工。
3.1.3第三道支撑
同理，当第二层支撑的混凝土强度满足要求后，即可通过挖掘机开挖第三层土体。在浇筑完三层支撑后需开展清理工作。
3.2有限元模型建立
该基坑项目最长边长度241.05m，最短边尺寸长度88m，为尽量避免模型尺寸对结果造成影响，在建模时以大于2倍的开挖深度作为模型的纵向尺寸，以3~5倍的开挖深度作为模型的横向尺寸[8]，以432m×280m×50m作为建模尺寸。项目围护体系使用的钻孔灌注桩，直径为1.2m，间距为5.5m。模型中以3m作为开挖土体网格单元，以5m作为土体网格单元，以5m控制模型边界尺寸，使用六面体混合网格作为网格划分器。基坑三维模型图3所示。
3.3监测结果分析
限于篇幅，本文仅列出部分数据。在基坑周围的地表沉降中，地表在1m的基坑开挖深度时约有14.8816mm的沉降，在6.6m的开挖深度时约有15.8235mm的沉降，在11.6m的开挖深度时有17.1045mm的沉降。在进行最后一层土体的开挖时，因为有10.5m的较大开挖深度，为确保施工安全转变为分层开挖。从图4所示结果可以看出，此时的土体约有17.4007mm的沉降。地表沉降保持在规范值内，说明模型具有合理性。在开挖基坑时，基坑坑底隆起不断增加，因围护墙深度较大且相比于土体有更大的刚度，导致基坑坑底土体被不断挤压，最终呈现出“中间大，周围小”的规律，基坑坑底的中部位置分布着最大的基坑隆起值。在围护墙变形中，灌注桩的水平位移随着不断增加的开挖深度表现出线性增大规律。围护墙在第一层土体开挖时有4.68mm的变形值，之后的围护墙位移随着不断开挖的土体不断增加，整体上的变形规律表现为中间大上下小。从模拟结果可以看出，在第三道横向支撑中最大内支撑横向轴向压力为2914kN，相同位置的第一道支撑的轴力为78.2kN，第二道支撑的支撑轴力为1130kN。相比于支撑杆件承载力的最大值，内支撑的各个杆件具有较大的轴力，且变形也较小。总体上看，内支撑构件布置方式合理，能够确保整个支护体系保护效果良好。对于灌注桩的刚度而言，桩径大小对其有起着决定性作用。本文在控制其他参数不变的前提下，仅对灌注桩桩径做出改变。在原有1200mm桩径基础之上，增加1000mm和1400mm桩径作为对照组。从结果可以看出，围护墙水平位移最大值在桩径上升到1200mm时地表沉降有显著降低，约从91.73mm降低到82.06mm。由此看出，对于围护结构而言，提高灌注桩直径对其有较大影响，除了能使围护桩自身承载力有所增加之外，还会使其稳定性有所增大。围护桩变形值在桩基从1200mm上升至1400mm时，地表沉降从82.06mm降低为73.22mm，对于基坑的安全性有较大提升。
4结语
本文结合具体工程项目，通过MIDAS有限元分析软件探讨了基坑施工时地表沉降、基坑隆起以及围护桩变形的规律，并针对围护桩桩径参数对变形的影响做出进一步的研究。可以得到如下结论：在大跨度深基坑中，采用内支撑的方式进行支护是可行的。基坑地表的沉降随着不断土体的不断开挖表现不断增大的规律，从整体上看，其沉降规律表现为“U”型，对于基坑变形而言，围护桩桩径对其有较大影响。在围护结构中，桩身和桩底有较大的水平位移，因此要尽可能降低第二道和第三道支撑深度。随着不断开挖的基坑，基坑隆起也不断增加，施工时应加强对其的监测，以避免出现安全事故。
作者：王维家 单位：中铁十九局集团第五工程有限公司