工程位于郑州市107国道改建段9标段的公路隧道基坑，长度太长，并且基坑底部不在同一水平面，建立整体模型太大且意义不大。本文计算模型根据基坑结构的对称性，取一段进行分析。模型整体高31.5m，整体宽110m。土钉为钻孔注浆钉，在Z向土钉设置9排，水平和竖向间距为1.0m，直径为100mm，倾角为10°，长度为10米，土钉主筋Φ=28，土钉布置为网格型；微型钢管桩长度为7.5m，钢管采用d50×2.5，直径为150mm，桩间距1.0m，面层喷射混凝土强度为C20，厚度为80mm，中间挂Φ10@200×200的钢筋网片。基坑开挖深度为9.6m，放坡开挖，坡度为1：0.25，分二阶，第一阶高5m，第二阶为高4.6m，Y向宽度为4.6m。坡顶作用15Kpa均布荷载。

 

 

　　(1)土钉：土钉长度为10m，土钉的水平和竖直间距都为1.0m。土钉材料按弹性材料考虑，钻孔直径100mm，钢筋直径28mm，弹性模量E=2×108kN/m2，泊松比=0.3，重量密度=78.5kN/m3，砂浆等级为M20，弹性模量E=2×107kN/m2，泊松比=0.2，重量密度=24kN/m3，按照面积比加权后土钉参数取值如下：弹性模量E=2.5×107kN/m2，泊松比=0.204，重量密度=27.14kN/m3；

 

　　(2)微型桩：长度7.5m，直径150mm，微型桩材料按弹性材料考虑，弹性模量E=3.86×107kN/m2，泊松比=0.21，重量密度=30.25kN/m3；

 

　　(3)面层：面层厚度为80mm，面层材料按弹性材料考虑，弹性模量E=2.3×107kN/m2，泊松比=0.2，重量密度=25kN/m3；

 

　　土体共有8层，根据工程经验，基坑开挖影响深度为基坑开挖深度的2～4倍，分析采用前6层土体。土体参数按照勘察报告的土工试验参数，充分考虑土层的非均质性，各土层的压缩模量、泊松比、天然重度、内聚力、内摩擦角等参数采用勘察报告中提交并在实际支护设计中使用的各土层参数，基坑四周采用井点降水，因此本模型不考虑地下水的影响。

 

　　整个数值模拟过程按照全阶段施工工序进行，具体步骤如下：

 

　　（1）对基坑开挖前的土体进行重力作用下的平衡计算，获得土体的初始应力状态；

 

　　（2）根据模拟对象具体形态特征，进行放坡开挖。

 

　　第1步：开挖至地表下1.5m处，在地表下1.0m处设置第1排土钉，喷射混凝土面层；第5步：从第2步开挖开始，每步开挖1.0m至地表下5.5m处，在地表下5.0m处设置第5排土钉，设置2m宽平台同时打入微型桩，喷射混凝土面层；第6步：开挖至地表下6.5m处，在地表下6.0m处设置第6排土钉，喷射混凝土面层；第9步：重复上述开挖至地表下9.6m处，在地表下9.0m处设置第9排土钉，喷射混凝土面层。

 

 

　　1、基坑侧向变形结果分析

 

　　基坑开挖完后（Z轴方向）的水平位移云图。看出，基坑的最大水平位移在坑底一定深度区域内最大（蓝色部分），越向下（Z轴负向）水平位移越小。表示基坑各开挖步的深层水平位移（负值表示向基坑内），看出土体的最大位移出现在基坑开挖完毕后坑底一定深度的范围内，从基坑顶面沿深度方向（Z轴负向），水平位移呈现两端小，中部大的变化的趋势，随着各开挖步的进行，土体的水平位移逐渐增大，在坑顶下31.5m处位移等于0。

 

　　基坑顶面离开挖面1m处的坡顶水平位移监测值与计算值。可以得出：

 

　　（1）随着基坑各开挖步的进行，沿深度方向（Z轴方向）水平位移呈现两端小，中部大的趋势，下部位移的衰减速度较快。在微型桩底部1m即坑底（-13.5m）处达到最大值，最大值为19.24mm。原因是微型桩复合土钉支护中，微型桩、土钉和面层是一个有机的复合加固体，土钉、面层和微型桩增加了周围土体刚度，约束了坑壁土体的变形。微型桩底部以下，是原状土体，所以水平位移衰减的较快。

 

　　（2）通过坑顶1m处水平位移计算值与监测值比对，其变化趋势相同，但计算值要比监测值略大。原因是有限元分析是基于基坑开挖完毕，面层、土钉和微型桩已经完全发挥作用，得到的最终位移，实际工程中的监测值是随着开挖过程中水平位移的变化，土钉和面层还没有完全发挥作用的结果。验证了用MIDAS/GTS有限元方法模拟基坑开挖的合理性和正确性，同时可以用MIDAS/GTS对微型桩复合土钉支护结构进行分析。

 

　　2、基坑竖向变形结果分析

 

　　基坑开挖完毕后基坑最终竖向位移云图，各开挖步坑底的隆起变化，各开挖步坑顶的沉降变化。可以看出基坑开挖完毕后土体的沉降在坑顶呈现距基坑开挖面一定距离处出现最大值，距离开挖面的越远，基坑的沉降基本趋于稳定。坑底的沉降主要是基坑的隆起变形，也呈现距离坑壁一定距离处有最大隆起量，离坑壁越远，坑底的隆起基本趋于稳定的趋势。

 

　　坑顶1m处竖向位移监测值与计算值。看出，基坑的沉降随着各开挖步的进行而逐渐增大。通过以上沉降曲线、计算值与监测值可以得出：

 

　　（1）基坑在坑顶均布超载作用下，竖向位移呈现随开挖步开展而增大的趋势，且随着距离基坑边壁越远，沉降越大，并最终趋于稳定。坑顶沉降在离坑壁19m的地方出现最大沉降量，值为11.92mm。坑底隆起最大值为距坑脚30m的地方，最大值为46.35mm。因为面层的变形约束作用，土钉改善周围土体的刚度，土钉与面层的良好连接，阻挡了坑壁后土体的沉降。

 

　　（2）通过对坡顶距开挖面1m的地方进行沉降监测，计算值与监测值的规律较为一致。因为沉降监测是随着基坑开挖的进行而开展的，各支护部分有的还没有发挥作用，有限元模拟是按照开挖后各支护部分完全发挥作用而计算的最终竖向位移值。说明了用MIDAS/GTS有限元方法模拟基坑开挖的合理性和正确性。

 

　　3、塑性区分布、剪应力分布

 

　　微型桩复合土钉支护第9步开挖等效塑性应变、剪应力。随着基坑分步开挖，开挖土体的卸载作用，改变了原状土的应力状态，作用在面层和微型桩上的侧向土压力作用使支护结构发生侧向变形（沿向基坑内）。基坑地面产生向上的隆起，坡脚处产生塑性应变集中和剪应力集中现象。说明坡脚处的土体处于塑性屈服状态，易发生塑性破坏，所以在施工过程中要加强对基坑中下部的监测。

 

 

　　通过对实际工程的有限元模拟，说明微型桩复合土钉支护能够很好的控制基坑变形，但是土钉的设置较密，土钉的最大轴力与设计值相比，有很大的富余。应该对土钉的间距、大小、长度进行优化。同时计算值与监测值结果表明，MIDAS/GTS对复合土钉支护进行分析的正确性与合理性，实际工程中要加强对基坑变形的现场监测。