随着城市空间的开发和利用，高层建筑已屡见不鲜，其所对应的超大基坑也越来越多，基坑施工可占用场地越来越狭小。在基坑施工中应保证其安全性并减少施工对城市已有建筑的影响、降低对市民正常生活的干扰。特别是位于复杂地质条件下的超大深基坑，基坑施工时容易引起基坑透水或支护结构失稳。因此采用有效的基坑支护手段保证基坑边坡的安全稳定，是确保复杂条件下深基坑安全施工的关键所在。
目前很多研究人员提出不少有指导意义的理论和经验。宋二祥等[1]分析了超前微型桩复合土钉支护体系变形机理，提出了一种简化的设计分析方法。丁敏等[2]将桩-锚-土视为一体，分析了其协同支护作用，分析了基坑分部开挖过程中支护桩-锚杆-土体的力学行为，优化了桩锚结构设计。丁继辉等[3]基于弹性抗力法，计算分析了深基坑悬臂支护结构内力分布规律和变形特性，通过工程实例验证了土压力的空间效应。周贺、刘小丽等[4－8]通过对深基坑的稳定性分析，研究了不同支护体系结构体的受力特征及作用机制，得到了结构体的变形规律，指导了深基坑支护结构设计与施工。以上研究针对不同的地质条件采用了不同的支护结构，改进了部分基坑支护结构设计计算方法，但大多集中在研究单层支护形式的力学特性和支护机制。国外的Luis Segura Castill、Antonio Aguado 等[9－10]虽提出了Bi-layer diaphragm walls，即传统支护加喷射混凝土层联合支护形式，但仅限于土体地质条件下双层支护结构形式的研究。
本文以某滨海深基坑工程为例，分析研究了土岩组合复杂地质条件下的深基坑支护结构的变形特性，提出了一种深基坑多层支护方式。数值分析了不同喷射面层支护条件下支护结构的变形规律，并与现场试验与监测结果进行对比。结果表明本文提出的多层支护结构能够减少桩锚支护体系中20%的锚索用量(密度上)，特别对于周边环境及地质条件复杂的深基坑工程具有重要的指导意义。研究成果为相似深基坑工程提供参考。
1 工程概况
某深基坑拟建场区位于青岛市黄岛区，距离唐岛湾约 110 m，拟建建筑物主要为三层地下室。基坑支护深度约18.0 m，支护周长约680 m，围护桩586根。基坑平面图如图1所示。
基坑场区由第四系全新统人工填土层及全新统海相沉积层组成，主要为粘性土素填土、淤泥素填土、淤泥质粉质粘土-粉质粘土、含粘性土卵(碎)石，场区基岩主要为燕山晚期粗粒花岗岩，局部穿插燕山晚期细粒花岗岩岩脉(见图2)。场区钻孔深度内揭露有稳定分布的地下水。地下水类型为上层滞水，孔隙潜水和基岩裂隙水，含水层主要为第1层素填土、第10层含粘性土卵(碎)石和基岩各风化带，稳定水位埋深 0.10 m～5.20 m，绝对标高-1.25 m～2.66 m。
图1 基坑平面图
Fig.1 Plan of deep foundation
图2 原基坑支护结构剖面图 /m
Fig.2 Cross-section drawn of foundation pit supporting structure
基坑边坡支护体系上部采用灌注桩+锚索支护体系；由于下部是岩石需要爆破开挖则采用钢管桩+锚杆支护体系，减少岩层爆破对岩体整体稳定性的破坏。基坑支护体系沿基坑周边打设旋喷桩止水帷幕，基坑坡面设置泄水孔，基坑沿周边设置排水沟与集水井进行集水明排，原设计支护剖面如图2所示。灌注桩桩径800 mm，桩中间距1200 mm，桩身混凝土强度等级 C25；旋喷桩有效直径为800 mm，桩中间距1200 mm，旋喷桩桩底进入强风化岩不小于 0.5 m；钻孔直径 200 mm，钢管直径146 mm，壁厚5 mm，桩中间距1000 mm，嵌入基底以下2.0 m，钢管内外用水灰比0.5水泥浆灌实；各层锚索参数如表1所示。
在锚索施工过程时，成孔困难，尝试了多种施工工艺后虽能保证成孔质量，但施工速率受到严重影响。为了保证工程按时完成，考虑减少锚索成孔数量，但同时必须保证深基坑的稳定性，因此本文在充分考虑工程实际施工情况的基础上，结合前人的研究[9－16]提出了一种深基坑纤维喷射混凝土多层支护结构。优化后的多层支护结构与原支护结构相比扩大了锚索的水平间距，将锚索水平间距由原设计中的2 m增加到3 m(即相当于减少了20%的锚索用量)，同时增加喷射纤维混凝土支护层。
表1 各层锚索参数表
Table 1 Calculated parameters of anchor
2 现场试验与数值分析
2.1 现场试验
为了验证上述多层支护结构的有效性，开展了现场试验。选取AB段为试验边喷射塑钢纤维混凝土，见图 1。现场混凝土为 C25，水泥∶石子∶砂子为1∶2∶2[17]，纤维选用密度为0.91 g/m3、抗拉强度为620 MPa～758 MPa的塑钢纤维，掺加量为每立方混凝土掺加10 kg塑钢纤维[18－20]。基坑施工方法按照建筑深基坑工程施工安全技术规范 JGJ 311-2013[21]进行。试验边支护结构剖面图和细节图如图3所示，锚索及锚杆水平间距为3 m。喷射混凝土层采用湿喷法，原则上喷射厚度为 10 cm，但在实际施工中抽查检测喷射厚度在 15 cm～20 cm，因此数值模拟中喷射纤维混凝土层厚度采用15 cm，现场部分喷射过程如图4所示。
图3 试验边支护结构剖面图及剖面细节图
Fig.3 Cross-section of support structure and detail of cross-section on the testing side
现场监测项目为围护桩桩体挠曲位移、桩顶水平位移、桩顶竖向位移[22]。围护桩桩体挠曲位移监测中的测斜管在基坑灌注桩施工时，通过直接绑扎或设置抱箍等将测斜管固定在桩钢筋笼上，入槽孔后，浇注混凝土，20个围护桩桩体挠曲位移监测点均匀地分布。桩顶水平位移和竖向位移监测点为同一点，在基坑冠梁施工时每隔 20 m埋设专业测量钉，以便能真实反映桩顶变形。
图4 现场喷射施工图
Fig.4 Spraying fiber concrete on construction site
2.2 多层支护结构作用机理
多层支护结构细节图如图3所示，细小的纤维随机地分布在混凝土中，塑钢纤维在混凝土中的受力机理与钢筋在混凝土中受力机理类同。混凝土受力内部出现裂纹，而纤维的存在可以降低微裂纹尖端的应力集中程度，当裂纹绕过纤维继续扩展时，纤维将应力分散到裂纹的上下表面。适当密度的纤维可有效缓解微裂纹尖端的应力集中，一定程度上抑制裂纹的扩展。另一方面，由于纤维的桥联作用，支护层的整体传力性能并没有因微裂纹的形成而减弱，而是呈现出应变硬化的特性。
基于《混凝土结构设计规范》[23]，结合文献[24]中试验研究结论，本文塑钢纤维混凝土支护层采用
如下本构关系：1) 受压时
其中：
fc,r为纤维混凝土的单轴抗压强度；εc,r为纤维混凝土单轴压缩时的峰值应变；Ec为纤维混凝土的弹性模量。
2) 受拉时
其中：
，εt,r为纤维混凝土单轴受拉时峰值应变，ft,r为纤维混凝土的单轴抗拉强度；
2.3 数值模拟
采用有限差分软件FLAC3D对原支护结构、优化后的多层支护结构进行了模拟分析。为了对比分析，同时模拟了在原支护方案的基础上仅扩大锚索水平间距(扩大后的水平间距为 3 m)，不喷射纤维混凝土支护层的方案，并将此支护结构表述为“仅减少锚索”。
1) 基本假定及简化
a) 塑钢纤维喷射混凝土层采用应变硬化模型，其他采用摩尔-库仑模型[25]。
b) 初始水位位于-3 m，假定基坑降水的一定时间后水位满足深度要求，并暂且处于稳定状态。
c) 模型所用土层根据地质报告简化为5层。
d) 根据抗弯刚度相等的原则，将支护桩和止水桩换算成h=0.8 m、E=15.0 GPa 的地下连续墙,而墙身高度以大部分桩长为依据定为13 m，岩层部分的钢管桩换算成h=0.2 m、E=20.5 GPa的地下连续墙。
2) 模型的建立
模型大小为 130.6 m×4 m×60 m(长度×宽度×高度)，开挖深度为 18 m，四周设置水平向约束；底部设置三个方向的约束，塑钢纤维喷射混凝土支护层根据文献[26]采用实体单元，其相关参数的选取参考文献[24]中的试验结果，所建模型如图5所示。
图5 数值模型网格图
Fig.5 Mesh sketch of numerical model
本文模型参数中的静止侧压力系数K0，由
计算得出，支护结构的锚索参数见表1，整个场地土的主要力学指标见表2。
表2 基坑各土层参数表
Table 2 Calculated parameters of soil layers
3 结果分析
3.1 墙体位移
图6为支护结构优化前后墙体侧移的数值模拟结果与优化后现场实测结果。其中优化后现场实测结果为试验边AB测斜管1处(见图1)的实测数据。从图中可以看出“仅减少锚索”时墙体挠曲位移在各开挖阶段都远大于原支护结构位移，且随着开挖的不断进行差异越来越大。这说明为了方便施工，盲目单纯地扩大锚索水平间距将导致基坑变形过大，影响基坑安全。优化后的支护结构与原支护结构相比，虽增加了锚索的水平间距但墙体挠曲位移基本未变。优化后的现场实测结果与相应的数值模拟基本一致，在开挖阶段(图6(d))相差较大，但开挖阶段(图 6(e))之后差距越来越小，这是因为优化后的支护结构只扩大了土体部分锚索的水平间距，当开挖到基坑底时，岩体部分的锚杆对控制墙体位移发挥了更大的作用。
图6 不同支护方案下基坑开挖中的侧向位移
Fig.6 Lateral displacements of different support manner
during excavation
3.2 冠梁水平和竖向位移
图7、图8反映了支护结构优化前后桩顶水平位移与竖向位移。从图7可以看出“仅减少锚索”的桩顶水平位移最大，这和3.1节墙体侧移的结论一致。“优化后结构”的支护效果优于“原支护结构”的支护效果，在土层支护开挖阶段喷射纤维混凝土层能有效控制桩顶水平位移，减少锚索用量。从图8可以看出“优化后结构”支护时的桩顶竖向位移小于“原支护结构”支护时的桩顶竖向位移，即多层支护结构在控制深基坑支护桩顶竖向位移方面优于传统桩锚支护。这种支护优势在土层开挖阶段较为显著，在岩层开挖阶段逐渐减弱，这与优化后的现场实测结果一致。
图7 不同支护方案的桩顶水平位移
Fig.7 Lateral displacements of pile-top under different support manner
图8 不同支护方案的桩顶竖向位移
Fig.8 Vertical displacements of pile-top under different support manner
4 结论
本文以滨海某深基坑工程为背景，分析了滨海土岩复杂地质条件下的深基坑支护方式，提出多层支护结构的支护形式，研究了多层支护结构的变形特性，将数值模拟结果与现场试验，监测结果进行了对比，结果表明：
(1) 多层支护结构的深基坑支护结构能更有效地控制基坑变形，完全满足设计和施工安全要求，并能达到经济性和安全性的有机结合。
(2) 在粘结面接触良好的情况下多层支护结构的支护效果优于传统桩锚支护结构的支护效果；对基坑变形量的控制，在土层开挖支护阶段的效果比在岩层开挖支护阶段的效果明显。
(3) 从施工工艺、经济性、地下管线错综复杂程度方面考虑，在满足基坑安全性的前提下，纤维喷射混凝土多层支护结构优化了深基坑支护设计，提高了施工效率等。
(4) 尽管目前的工程实例表明提出的多层支护方法合理可行，但限于问题的复杂性，更加精细的计算对比将在后续研究工作中展开。
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