基坑支護工程的優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用探究

王義兵 王玉杰

【摘要】文章結(jié)合實際情況分析了基坑支護工程的優(yōu)化設(shè)計，以及對基坑支護的應(yīng)用研究。

【關(guān)鍵詞】基坑支護；優(yōu)化設(shè)計；應(yīng)用

一、優(yōu)化設(shè)計的原則

1.支護方案的選擇及優(yōu)化

支護方案選擇的目的是使深基坑工程在安全的前提下總體造價最小。通常根據(jù)基坑周邊環(huán)境的嚴峻程度，結(jié)合基坑開挖深度、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件來確定支護方式；支護方式的確定也要考慮不同環(huán)境條件約束下的基坑或基坑各邊不同的“安全度”。國家行業(yè)標準《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJl20-99）明確劃分出了不同安全等級基坑側(cè)壁相應(yīng)的支護結(jié)構(gòu)選型和重要性系數(shù)。

1）無支護或簡單護面的放坡方案最為經(jīng)濟，如果場地空間允許且無深厚軟土，應(yīng)優(yōu)先考慮。當基坑開挖深度>5m時，考慮到放坡增加的土方開挖、外運費用以及地下室周邊回填費用，有時采用放坡方案反而不一定比噴錨網(wǎng)支護方案經(jīng)濟。這時可考慮采取聯(lián)合支護方式，如基坑邊坡上段適度放坡，下段采用噴錨網(wǎng)支護。噴錨支護是由噴射混凝土面層、錨桿、鋼筋網(wǎng)等聯(lián)合組成的支護結(jié)構(gòu)，通過對土體的嵌固、加筋作用，與土體形成共同工作體系。2）懸臂樁和水泥攪拌樁擋墻方案只適用于開挖深度在6-7m以下的深基坑工程。一般來說，懸臂樁的嵌固深度，必須達到懸臂高度的1-2倍，由于懸臂樁承受的彎矩很大，因而其側(cè)向位移也很大。因此，當采用懸臂樁支護形式時，應(yīng)考慮到基坑周邊環(huán)境對基坑位移的敏感程度。當懸臂樁支護方案不可行時，可采用噴錨支護與排樁聯(lián)合應(yīng)用，即基坑邊坡上部采用噴錨支護，下部采用護坡樁（或加錨桿、內(nèi)支撐），以降低基坑工程造價；或者，直接采用樁—錨桿（內(nèi)支撐）支護結(jié)構(gòu)。當?shù)叵逻B續(xù)墻作為地下室外墻時，采用地下連續(xù)墻方案也能起到節(jié)約資金的作用。

2.支護結(jié)構(gòu)體的優(yōu)化設(shè)計

支護方式確定后，可進行結(jié)構(gòu)整體及土體的補強。①對結(jié)構(gòu)體的補強。根據(jù)受力分析和大量工程監(jiān)測資料表明，支護樁樁頂位移、樁身變形以及樁身鋼筋應(yīng)力都是中間樁大，在基坑拐角附近（約l/5基坑邊長處），支護結(jié)構(gòu)受力較小，可適當減小樁長和配筋數(shù)量或采用單排樁與雙排樁混合形式；對于鋼筋籠易控制的人工挖孔樁，可采用單面配筋以減小配筋數(shù)量。另外，在基坑拐角處設(shè)置斜撐，費用不多，但卻可以大大增加支護結(jié)構(gòu)的整體剛度及穩(wěn)定性，設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先考慮。對具體方案的細部進行優(yōu)化計算時，如錨桿或支撐點的位置和層數(shù)、支護樁的樁徑和樁距等均可進行優(yōu)選。②對土體的補強。對土體的補強，一般對被動區(qū)土進行加固。當加固深度Hr/H（Hr）被動區(qū)補強體砌入基坑底的深度，H-基坑開挖深度）為015-016時，效果最好。對于深、厚流塑至軟塑粘性土層的深基坑，支護結(jié)構(gòu)體前的主動土壓力非常大；另一方面，在基坑開挖過程中和開挖后，由于土體自重應(yīng)力釋放、土體松弛與儒變以及支護結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)的變形擠壓等方面原因，導(dǎo)致坑底隆起變形和坑底下一定范圍內(nèi)土體強度的降低。為了控制支護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移，減少坑底隆起，降低工程造價，可在基坑開挖前一定時間（加固土體的硬結(jié)時間）內(nèi)，對支護結(jié)構(gòu)被動區(qū)進行加固。加固的形式有格構(gòu)式暗撐、齒形暗扶壁和暗墻、微型樁、高壓注漿等。

3.施工工藝的優(yōu)化

1）開挖方式。基坑開挖實際上是一種卸荷作用，這種作用擾動了場地初始應(yīng)力場，土體的形變場也就隨之調(diào)整。控制卸荷方式及卸荷速率，就可以控制基坑邊坡土體變形量與變形方式，而后者與支護工程的結(jié)構(gòu)及支護結(jié)構(gòu)強度有著密切的關(guān)系。對于大型基坑，挖方量極大，如果全面開挖，則基坑周邊暴露的時間很長，將產(chǎn)生過量變形。若依靠提供支護作用力來抵御這部分變形，則必然要擴大支護結(jié)構(gòu)的尺寸，由此增加了支護的費用。如果采取“大基坑小開挖”，“盆式開挖”，“分段開挖”等卸荷方式，基坑邊的暴露時間偏短，作用在支護上的土壓力必然減少，這對于降低支護工程造價，提高支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性都是有利的。

2）開挖的時空效應(yīng)。按“分段、分層，對稱、及時”的原則，快挖快撐，及時形成基坑圍護結(jié)構(gòu)的整體受力體系。大量工程資料表明，開挖順序不同引起支護結(jié)構(gòu)的位移不同，從中間開始向縱深和兩側(cè)擴大的中心島法開挖順序，與從一個方向向另一個方向順序推進的開挖方法相比，能可靠而合理地利用土體自身在基坑開挖過程中控制土體位移的潛力而達到控制基坑土體位移，對基底隆起和樁后地面沉降有一定程度減少。特別是對于有深、厚流塑狀淤泥質(zhì)土的深基坑，如果采用重型挖土機從基坑一邊向另一邊挖土推進，很容易造成坑底工程樁向一個方向位移。

4.信息化施工

深基坑工程是土體、支護結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境相互共同作用的一個動態(tài)變化的復(fù)雜系統(tǒng)，由于巖土材料的不確定性和試驗數(shù)據(jù)的離散性、支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算模式的簡化、周邊環(huán)境的復(fù)雜性以及降雨、施工質(zhì)量問題突發(fā)或偶然事件的不良影響等等原因，僅僅依靠理論分析和經(jīng)驗估計是難以完全把握基坑支護結(jié)構(gòu)和土體的變形及破壞過程與特征，也難以完成可靠而經(jīng)濟的基坑支護過程。因此，通過施工時對整個深基坑工程系統(tǒng)的定期監(jiān)測，直接了解其變化的勢態(tài)，利用監(jiān)測信息的反饋分析，較好地了解系統(tǒng)的變化趨勢。當出現(xiàn)險情預(yù)兆時，可作出預(yù)警，及時采取措施，保證施工和環(huán)境的安全；當安全儲備過大時，及時修改設(shè)計，削減圍護措施。還可根據(jù)定期監(jiān)測得到的信息，反演計算參數(shù)，根據(jù)反演計算參數(shù)重新分析計算進行正分析變形預(yù)測，必要時適當修改設(shè)計或施工步驟，再繼續(xù)施工和監(jiān)測。

二、基坑支護方案設(shè)計應(yīng)用

某工程商住樓有一層地下室，基坑面積5800m2，場區(qū)自然地面比±0.00低0.7m。底板底標高為-4.8m，梁底標高-5.6m，寬0.4m。經(jīng)綜合分析基坑安全等級為二級。場區(qū)地貌單元屬于長江二級階地。表層為雜填土，厚2.3-4.5；其下為第四系全新統(tǒng)沖、湖積淤泥質(zhì)粘土，灰色、流塑、飽和，為高壓縮性土，厚2.8-11.1；該層中部夾厚約0-3m可塑性粉質(zhì)粘土，中等壓縮性土，該夾層土個別孔缺失。粉質(zhì)粘土，灰色、可塑、中等壓縮性土，厚0.0-3.9m。下部為第三系老粘性土及沖洪積粉土、砂土。

1.基坑特點

1）地下室形狀大致呈矩形，開挖面涉及到的地層主要為第①層雜填土，厚2.3-4.5m；第②層淤泥質(zhì)粘土，流塑，屬中高壓縮性，強度低，基坑開挖深度范圍內(nèi)的土層主要為該層，其對坡腳穩(wěn)定不利，應(yīng)妥善處理，下部為第③層粉質(zhì)粘土夾粉土，硬塑，厚4.9-10.0m。2）場地北側(cè)環(huán)境較開闊，地下室邊軸線距紫陽東路的道路紅線為15.0m；南側(cè)地下室開挖邊線距最近的已有二層（FE段煤氣站）約18m，GF段開挖邊線距己有8層住宅樓東北角為7m；西側(cè)地下室開挖邊線距曬湖路圍墻3.55m，大門設(shè)在該側(cè)；此三側(cè)都可有一定的放坡余地。場地東側(cè)環(huán)境嚴峻，地下室開挖邊線緊鄰小區(qū)道路，距最近的已有建筑物約7.9m。該建筑為樁基礎(chǔ)，該段無放坡余地，需垂直開挖。

2.基坑支護方案選擇

原設(shè)計方案：按最不利因素考慮，不考慮第②淤泥質(zhì)粘土層中夾可塑性粉質(zhì)粘土夾層，計算時考慮的重點是坡腳及坑底深厚軟土對穩(wěn)定性的影響。對基坑分3個剖面進行設(shè)計。由于坡腳以下存在軟弱土層，有放坡余地的北側(cè)采取卸土減載、表面土釘掛網(wǎng)噴射混凝土的方案。其它三側(cè)沒有太大的卸載空間，必須采取有效措施來抗隆起，宜施工大口徑的樁控制軟土側(cè)移。設(shè)計采取人工挖孔樁+噴錨支護的復(fù)合支護措施，由于樁徑大的樁樁間距較大，在樁中間施工小口徑的樁來防止淤泥質(zhì)土外流。

結(jié)語

總而言之，基坑支護設(shè)計方案的優(yōu)化應(yīng)密切結(jié)合基坑周邊環(huán)境特點，采用靈活多樣的支護方案。采取“大基坑小開挖”，“盆式開挖”，“分段開挖”及“分段、分層，對稱、及時”的時空效應(yīng)理論進行施工工藝的優(yōu)化設(shè)計是基坑優(yōu)化設(shè)計的保證，同時必須輔以信息化施工手段。