SMW 工法＋环形支撑体系在基坑支护中应用研究∗

崔泽海，樊鹏鹏，胡发旺，李新强，栾 蔚

（中国建筑第八工程局有限公司，甘肃 兰州730030）

0 引言

随着城市地下空间的不断开发利用，基坑开挖技术也随之迅速发展，越来越多的规模大、基础深、环境复杂的基坑工程被建设。基坑开挖施工的过程中，会打破原有的土体结构平衡，对周围的基础进行扰动，导致变形或塌陷，近年来因基坑开挖不当引起的工程事故频发。为了保证开挖时基坑自身及周边环境的稳定，采用合适的支护结构和围护体系十分重要。

当前，基坑支护有着多种形式，常见的有排桩支护［1］、地下连续墙支护［2］、锚杆支护［3］和挡墙＋支撑［4］等多种组合支护形式，SWM 工法桩＋内支撑［5］是近年来兴起并被广泛应用的新支护形式，SMW 工法桩是在三轴水泥土搅拌桩内插入H 型钢，形成的复合围挡结构，具有挡土、止水、强度高等特点。王占生［6］研究了SMW 工法桩在施工期间对盾构隧道的影响，彭国东［7］阐述了SMW 工法桩的支护结构体系在实际工程中的应用，表明其具有一定优势。

SMW 工法桩既可以单独使用，也可与内支撑或锚杆等共同进行支护，伍丽珍［8］研究了钢绞线预应力锚索与SMW 工法桩联合在黄土地区中基坑支护，证明了该支护形式的优越性。内支撑支护具有刚度大、控制基坑变形能力强、且利于施工等特点，包含正交撑、角撑、圆环撑［9］等支护形式。曾运平［10］介绍了角撑体系在中国尊的超大型基坑土方开挖中的应用，贺振昭［11］利用有限元程序模拟分析了不同内支撑数量对深基坑支护结构的影响。而圆环支撑［12］是将支撑结构设置成圆环型结构，这样土体侧压力通过围护墙传递给内支撑，从而集中传递至圆环，受力的性能较好，适用于较大面积的基坑工程，也是众多学者的重要研究对象。王春艳［13］对圆环支撑体系水平刚度系数的计算进行了解析式的推导，提出了圆环支撑体系水平刚度系数的简易计算方法； 龚昕［14］论述了双圆环形支撑在基坑工程中的布置原则，分析了其受力合理性及工程适用性。以上学者多从理论层面进行了研究，并未有结合具体工程建立模型而进行的数值模拟［15－16］，且无法直观展示应力规律。

本文基于有限差分程序FLAC 3D［17］，依托某工厂基坑工程的实际案例，建立有限元数值模型，分析了SMW 工法桩与内环型支撑体系的联合作用效果，及基坑开挖过程中的土体变形和支护桩的受力特征分析，不仅一定程度上证实了理论，更可为实际工程提供一定的参考价值。

1 工程概况及数值模型构建

1.1 地质概况及模型

基于某厂房一期深基坑工程，选取1 号基坑的局部作为研究对象，根据现场勘测的地质资料，各土层的参数如表1 所示。图1 为建立的相应数值模型。模型横向长度211.5 m，纵向208 m，高度为50 m。基坑平面尺寸为111.5 ×108 m，开挖最大深度为6.45 m。顶部为1m 的1： 1 放坡，共划分9 个地层。在模型中考虑基坑边缘放坡，SMW工法桩支护，环形内支撑体系，考虑联合支护作用下的基坑降水和开挖导致的土体沉降和支护体系的变形特征。

图1 网格划分后的分层模型Fig.1 The hierarchical model after meshing

表1 各土层物理力学性质指标Table 1 Indexes of physical and mechanical properties of each soil layer

1.2 围护结构及支撑

采用三轴深层搅拌桩内插H 型钢的SMW 法作为基坑开挖的围护结构，内插H700×300×13×24型钢，顶部冠梁将工法桩连接成整体，环形内支撑内撑交接处设置立柱，材料参数如表2 所示。

表2 支撑体系参数Table 2 The parameters of support system

支撑平面布置见图2，采用1 道钢筋混凝土环形支撑，周边辅以联系撑，环形支撑直径97 m，立柱结构采用组合钢格构柱4∠140 mm×14 mm，断面为450 mm×450 mm，围护桩采用p800 mm 钻孔灌注桩，桩长24 m，建立了如图3 所示的支护模型。

图2 人员危险行为监控示意图Fig.2 Plane of enclosure and support system

图3 围护及支撑体系模型建立Fig.3 Establishment of enclosure and support system model

2 基坑开挖过程分析

基坑开挖共分为四层，第一层开挖0.9 m，第二层开挖1.9 m，第三层开挖1.9 m，第四层开挖1.55 m，在第一层开挖后，开始进支撑结构的施加。

2.1 基坑降水

模拟基坑开挖作用之前，首先要将基坑模型在降水之后求解至平衡，之后要将降水后的位移清除，进一步求解开挖工况，因为初始的地下场地水位偏高，开挖之前要进行降水，以便于基坑的顺利开挖，FLAC 3D 模拟降水作用，一般按照浮重度建立模型，之后在土体自重下达到平衡。

降水后整体位移结果如图4 所示，图5 为横向基坑中心处半截面示意图。由于基坑降水后水位下降，土体含水率下降，可见土体出现一定的沉降，更多集中在基坑内部和边缘范围，外部影响不大，中心处达到最大的沉降约为3.14 cm，边缘处沉降较小，大都为1 cm 左右，由内部向外部沉降逐渐减小，边缘25 m 外的土体沉降值基本为0。

图4 降水后基坑整体沉降Fig.4 The overall settlement after foundation pit dewatering

图5 横向中心截面基坑沉降Fig.5 The settlement of foundation pit with transverse central section

2.2 基坑底部土体隆起分析

随着开挖的进行，对于基坑内的土体来说，相当于一个卸荷的过程［18］，开挖深度越深，内部土层的应力状态改变越多，土体应力释放越大，基坑内外压力差增大，坑底土体的回弹值也会越大，这里对建立的三维模型进行分步开挖，同时对基坑内的土体位移进行分析，这里以纵向中心处的一半横截面进行分析，结果如图6 所示。

图6 分层开挖坑底土体回弹Fig.6 The rebound of bottom soil under layered excavatio

第一层土体开挖后，基坑边缘处土体发生轻微沉降，最大值约为7.9 mm，且沉降的轮廓线为圆弧状，而基坑底部土体发生回弹，最大值出现在基坑的中心处，约为11 mm，并由中心向边缘位置减小。边缘处因为有支护桩的作用，使土体沉降位移较小，表明了支护桩的作用，开挖结束后进行内支撑支护。第二层土体开挖后，坑底土体回弹值增大，最大回弹值约为27 mm，同样是位于基坑中心位置，基坑边缘处土体的沉降值约为5 mm，土体沉降的弧形分界更加明显。第三层土体开挖后，对围护桩产生影响，桩顶发生大约为2 mm沉降，基坑底部的土体位移回弹值再一次增大，在基坑中心位置的回弹值达到44 mm，基坑边缘处沉降约为6 mm，第四层土体开挖后，基坑底部中心位置处最大回弹达到45 mm，与第三次开挖相比相差不大，但在基坑边缘处的土体沉降已达到9 mm，基坑深处的大部分土体位移基本为零，说明逐渐趋于稳定。

2.3 基坑周围土体沉降分析

为研究基坑开挖对周边地表沉降的影响，取基坑横向中心截面，距离基坑边缘左侧50 m 的地表沉降值进行监测与分析，四次开挖后的监测结果如图7 所示。四次开挖的结果具有一定的共同特征，距离基坑边缘25 m 之外的地表基本未受到开挖影响而发生较大沉降，同时沉降最大位移均发生在地表位置，土体埋深越大则影响越小，改变关系基本为线性。第一层土体开挖后，地表处出现最大沉降约为2.2 mm，位置为靠近基坑边缘处，第二层土体开挖后，最大沉降值位置不变，数值约为6 mm，第三层土体开挖完成之后，对周围土体影响较小，地表沉降改变不大，说明周边地层已经趋于稳定的状态。第四层土体开挖完成之后，土体的最大沉降略有增大，基坑外侧边缘处地表最大沉降值达到3.6 mm，且距离基坑20 m外的土体在这时发生微弱的沉降，说明随着开挖进行到一定深度，土体与围护桩之间会发生相对错动，桩身和土体此时产生一定的滑移，开挖产生的影响就进一步扩大，扰动到远处土体。

图7 基坑外部土体沉降Fig.7 The settlement of soil outside foundation pit

3 基坑侧壁及支护桩变形分析

3.1 基坑侧壁位移分析

在土体的开挖过程中，基坑侧面的土体位移情况最能直观的反映出支护效果的好坏，基坑面很容易因变形过大而发生坍塌，所以在各个开挖工况下，对纵向基坑面和主要支护桩进行位移监测，监测位置如图8 所示，深度范围为从地表至地下15 m 处。

图8 监测面位置示意Fig.8 The position diagram of monitoring surface

四次开挖后，基坑侧壁的位移监测结果如图9所示，第一层开挖0.9 m 完成之后，基坑侧壁的横向位移很小，最大值只有约0.63 mm，顶端出现的负向位移可能是由于内部横撑作用，且位移随深度变化而变化，呈现先增大后减小的趋势。第二层开挖1.9 m 完后之后，基坑侧壁顶端负向位移值增大至4.3 mm，随着深度的增加横向位移逐渐增大，在3 m 深度处出现位移的最大值约为2.3 mm，3 m 以下的深度后土体位移开始减小至0.8 mm。第三层开挖1.9 m 完后之后，基坑侧壁的土体位移最大值出现在深度4 m 左右的高度位置，最大的横向位移约为6 mm，随着深度的增加，土体的横向位移逐渐减小至1.1 mm。第四层开挖1.55 m 完后之后，侧壁土体位移的最大值依旧处于4 m 的深度处，横向位移值增大至18 mm，逐渐减小到基坑底部有大约6 mm 的横向位移。这说明基坑侧壁的最大位移不是发生在顶端和低端，而是位于开挖面中心深度偏下位置处。

图9 基坑侧壁土体位移Fig.9 The soil displacement of foundation pit sidewall

3.2 支护桩位移分析

在基坑的分层开挖下，支护桩的形变反映了其受力特点和支护体系的最不利位置，这里对主要监测桩的桩身的水平位移监测结果如图10 所示，监测了第四次开挖结束后的桩顶端至桩底端的横向位移分布。由图可见由支护桩的桩顶部至底部，其形变呈现出先增大后减小的趋势，同时基坑边界支护桩的中心位置处出现最大的形变，端部支护桩承担荷载较少，中部区域支护桩承受荷载较大，且越靠近中心处的桩体位移相差越小，均体现了支护桩的受力机理。

图10 1－7＃桩第四次开挖后桩身位移Fig.10 Displacements of 1－7 ＃ piles after the fourth excavation

这里对典型的1＃桩、2＃桩、7＃桩、8＃桩进行主要研究，对其在四次开挖工况下的桩身位移变化情况进行分析，监测结果如图11 所示，四根桩的位移变化均为从桩顶至桩底先增大后减小，且各支护桩的顶端由于冠梁和内支撑的作用会产生

图11 关键桩在分层开挖下桩身位移Fig.11 Displacement of key piles under layered excavation

一定的负位移，各支护桩均在第四次开挖工况下达到位移最大值，且第一次开挖和第二次开挖对各支护桩的影响不大，四根桩前两次开挖导致的桩身位移均在1 mm 以内，第四次开挖后1＃桩最大位移达到5 mm，2＃桩最大位移达到11 mm，7＃桩最大位移达到15 mm，8＃桩最大位移也达到15 mm，可见位于边界中心的7＃和8＃桩的桩身位移十分接近。

3.3 支护体系轴力与力矩

基坑四次开挖结束后，SWM 工法桩＋圆环内支撑的联合支护体系受力情况如图12 所示，可以很好的观察出该体系的受力特征，对于基坑四周的支护桩，其边界中心位置的桩身承担了更多的荷载，同样也会引起更大的变形，并且从桩顶至桩底表现出先增大后减小的趋势，最大轴力主要集中在桩身中心位置。而联合支护体系在基坑开挖过程中起着限制土体变形，维持基坑稳定性的作用，对于内部的圆环内支撑受力相对均匀，其最容易发生形变的位置为圆环内撑相交的立柱构造处。

图12 开挖完成后支护体系受力开挖完成后支护体系受力Fig.12 The stress of supporting system after excavation

4 结论

基于典型基坑工程实例，开展了有限差分数值模拟研究，建立了SMW 工法桩＋环形内支撑联合基坑支护体系，对降水工况及基坑开挖过程中土体的位移和支护桩受力特征进行了分析，得到主要结论如下：

1） 降水工况下，基坑的土体沉降主要集中在开挖范围内及基坑的边缘处，随着开挖的进行，基坑边缘处的土体沉降分界线呈圆弧状，基坑底部土体因卸荷会产生回弹，对于开挖深度为6.5 m时，基坑中心位置会产生约为4.5 mm 最大回弹值。

2） 基坑开挖过程中，对坑边20 m 范围内的土体影响较大，且表现为从远到近、从地表至地下6.5 m 影响程度逐渐减小。基坑侧壁的变形随开挖加深而增大，呈现出先增大后减小的趋势，侧壁变形最大位移在5 m 深度附近，一般位于靠近边界中心位置。

3） 对于基坑周围支护桩，在边界中心位置处的支护桩变形最大，承受较多的荷载，且开挖至最后阶段时，支护桩和土体位移改变较大，同时在基坑平面为规则的方形、圆形或者横向纵向尺寸相差不大时时，圆环内支撑体系整体受力均匀，研究结果可为基坑支护工程提供参考