巖土工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

賴橋

（廣東核力工程勘察院東莞分院，廣東東莞 523000）

巖土工程基坑在支護(hù)作業(yè)中存在較多的安全隱患，出現(xiàn)此種問題的原因是基坑工程大多為臨時(shí)性工程，施工方?jīng)]有在工程作業(yè)中給予此方面足夠的關(guān)注，導(dǎo)致基坑由于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定導(dǎo)致的塌方、滑坡等安全事故屢見不鮮[1]。為了保障基坑結(jié)構(gòu)的安全性，本文將對(duì)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)展開進(jìn)一步的研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)原有支護(hù)技術(shù)的優(yōu)化，提高基坑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1 巖土工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

1.1 支護(hù)樁體系選型

為了提高巖土工程基坑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，應(yīng)在支護(hù)設(shè)計(jì)前，進(jìn)行支護(hù)樁體系的選型。目前，建筑市場(chǎng)內(nèi)較為常用的支護(hù)體系包括排樁結(jié)構(gòu)、SMW 工法樁結(jié)構(gòu)、地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。下文將基于常規(guī)支護(hù)設(shè)計(jì)層面，進(jìn)行不同類型支護(hù)樁體系優(yōu)缺點(diǎn)的分析。

地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)主要是使用成槽機(jī)械設(shè)備進(jìn)行巖土工程的地下成槽設(shè)計(jì)，在基坑中下放鋼筋籠，并在其上層澆筑混凝土，以此種方式，形成一個(gè)連續(xù)墻體結(jié)構(gòu)，可將此結(jié)構(gòu)作為基坑的擋土結(jié)構(gòu)或止水帷幕[2]。施工作業(yè)的流程見圖1。

圖1 地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)施工作業(yè)流程

按照上述流程進(jìn)行地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)施工作業(yè)，此種方式在實(shí)施中具有的優(yōu)點(diǎn)有：適合復(fù)雜巖土條件作業(yè)；作業(yè)過程中幾乎無(wú)噪聲，可以避免噪聲污染；連續(xù)結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度與剛度較為顯著，因此可以認(rèn)為此結(jié)構(gòu)具有較高的承載力與安全系數(shù)；具有地下水防滲漏的效果。缺點(diǎn)有：在較為松軟的巖土工程基坑中進(jìn)行施工作業(yè)難度較大；施工時(shí)需要大型設(shè)備作為輔助支撐；施工成本相對(duì)較高。

在完成對(duì)地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的支護(hù)設(shè)計(jì)后，下述將對(duì)SMW工法支護(hù)體系的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。此支護(hù)體系的施工方法為：使用攪拌設(shè)備，對(duì)基坑地層進(jìn)行加固處理，以此種方式，確保地層中形成一個(gè)呈現(xiàn)“咬合排列”結(jié)構(gòu)的水泥擋土墻。在此基礎(chǔ)上，將鋼筋結(jié)構(gòu)插入到水泥中，使此部分結(jié)構(gòu)與地層結(jié)構(gòu)融合，融合后將此部分結(jié)構(gòu)作為一個(gè)基坑中的組合結(jié)構(gòu)[3]。在完成施工后，使用吊車操作千斤頂，對(duì)插入水泥層中的鋼筋進(jìn)行拔出處理，拔出后的鋼筋可以在后續(xù)使用作業(yè)中反復(fù)使用。此種支護(hù)體系更適用于粘土層或軟土土層，具有施工作業(yè)簡(jiǎn)單、成本低、對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)勢(shì)。但在支護(hù)過程中，結(jié)構(gòu)承載力受到材料自身性能的限制。

在對(duì)巖土工程進(jìn)行基坑設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)作業(yè)區(qū)域的需求與質(zhì)量要求，將兩種支護(hù)體系進(jìn)行工藝組合，以此種方式，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力，降低支護(hù)施工的經(jīng)濟(jì)成本。

1.2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

在完成支護(hù)體系的選擇后，需要進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析，并明確作用在基坑結(jié)構(gòu)上層的負(fù)載作用力，除了上層對(duì)其施加結(jié)構(gòu)荷載，其主要承載的作用力仍來(lái)源于支護(hù)體系上的土壓力，其中土壓力包括靜態(tài)土、被動(dòng)土、主動(dòng)土等不同土層結(jié)構(gòu)的壓力[4]。目前，市場(chǎng)內(nèi)大部分用于分析土壓力的理論為庫(kù)倫理論，基于此理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分析，具有簡(jiǎn)單、通用等優(yōu)勢(shì)，可以同步考慮巖土工程地面坡度、墻面傾斜角、土層摩擦力等作用力對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響?；诖死碚摰木C合分析后發(fā)現(xiàn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力（即土層壓力）會(huì)隨著巖土結(jié)構(gòu)位移變化而發(fā)生變化。兩者關(guān)系可用圖2 表示。

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力（土層壓力）與巖土結(jié)構(gòu)位移的關(guān)系示意圖

在掌握兩者關(guān)系后，考慮到上述分析沒有考慮到土體結(jié)構(gòu)的極限平衡狀態(tài)，因此，往往在分析后得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力要大于實(shí)際監(jiān)測(cè)值，為了避免此方面考慮不周導(dǎo)致的基坑塌陷事故，可在完成上述相關(guān)分析后，根據(jù)支護(hù)樁插入的深度，從力學(xué)平衡角度進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力的進(jìn)一步分析?？傊翂毫Ψ治鼋Y(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確度將直接影響到基坑結(jié)構(gòu)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此，要將分析的過程設(shè)置成一個(gè)連續(xù)的過程，并將得出的結(jié)構(gòu)內(nèi)力關(guān)系與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)接，以此種方法，確保得到的結(jié)構(gòu)受力關(guān)系準(zhǔn)確。

1.3 基坑降水井設(shè)計(jì)

為了在巖土工程項(xiàng)目建設(shè)過程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)基坑底部地下水的有效控制，對(duì)基坑降水井進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對(duì)基坑的開挖和支護(hù)，需要根據(jù)實(shí)際巖土工程需要，以及基坑周圍水文地質(zhì)情況，引入對(duì)地下水的隔離和降低其水位的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水流動(dòng)方向和流速的控制[5]。在進(jìn)行對(duì)巖土工程建設(shè)項(xiàng)目的基坑結(jié)構(gòu)開挖時(shí)，由于承壓水上覆蓋的不透水層的厚度會(huì)呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢(shì)，因此當(dāng)其重量小于承壓水的水頭壓力時(shí)，則在水頭壓力的作用下，基坑會(huì)出現(xiàn)地下水突涌的問題產(chǎn)生，如圖3所示。

圖3 基坑地下水突涌示意圖

圖3 中，h 表示為開挖過程中不透水層厚度；l 表示為基坑開挖前不透水層厚度。根據(jù)圖3 所示內(nèi)容，結(jié)合力在重力方向上平衡的特點(diǎn)，推導(dǎo)出基坑底部在瀕臨突涌時(shí)的計(jì)算公式為：

公式（1）中，PCZ表示為開挖時(shí)的突涌安全系數(shù)；he表示為基坑開挖的過程中，開挖深度與設(shè)計(jì)標(biāo)高之間的不透水層厚度；re表示為巖土土體的飽和重量；rw表示為地下水的重度；hw表示為承壓水頭超過含水層頂板結(jié)構(gòu)的實(shí)際高度。根據(jù)上述公式，進(jìn)一步計(jì)算得出基坑在開挖時(shí)的突涌安全系數(shù)，從而為基坑降水井設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

在對(duì)降水井設(shè)計(jì)時(shí)，選擇環(huán)型封閉的布置結(jié)構(gòu)作為支撐，假設(shè)井群當(dāng)中各個(gè)井流量均相同，并且井結(jié)構(gòu)均一致，則可將基坑周圍的井群看作是一個(gè)以基坑作為中心點(diǎn)的大井結(jié)構(gòu)。圖4 為基坑降水井點(diǎn)埋設(shè)深度示意圖。

圖4 基坑降水井點(diǎn)埋設(shè)深度示意圖

按照?qǐng)D4 所示內(nèi)容對(duì)基坑降水井點(diǎn)埋設(shè)深度進(jìn)行設(shè)計(jì)，并結(jié)合單個(gè)降水井的實(shí)際涌水量，確定井群的涌水量。在考慮到一定安全系數(shù)的情況下，當(dāng)出現(xiàn)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中所有的井群的總出水量超過基坑本身產(chǎn)生的總排水量時(shí)，則設(shè)置的單井?dāng)?shù)量變?yōu)榫褐袑?shí)際的井?dāng)?shù)。

1.4 基坑現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

按照上述操作完成對(duì)巖土工程基坑支護(hù)的總體設(shè)計(jì)后，由于大部分地層的巖土分布都是不均勻的，因此為了確保支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性，完成上述操作后，還應(yīng)當(dāng)結(jié)合巖土工程項(xiàng)目的實(shí)際需要，對(duì)其基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。通過基坑現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，掌握地下土體的性質(zhì)以及地下水的具體分布情況，從而確?；又ёo(hù)具有更有利的保障條件。在進(jìn)行基坑開挖過程中，需要利用各種力和位移的監(jiān)測(cè)元件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括基坑深層位移、道路沉降、支撐軸力、周圍建筑物沉降等。若在監(jiān)測(cè)過程中，出現(xiàn)了基坑變形的問題產(chǎn)生，則需要對(duì)其變形形式進(jìn)行確定，并針對(duì)不同的變形形式選擇相應(yīng)的防護(hù)措施。基坑變形的形式包括懸臂型（a）、內(nèi)凸型（b）和組合型（c），如圖5 所示。

圖5 三種基坑變形形式示意圖

2 實(shí)例應(yīng)用分析

為了驗(yàn)證本文上述設(shè)計(jì)的巖土工程基坑支護(hù)方案的可行性，選擇以地區(qū)廣場(chǎng)場(chǎng)地工程作為依托，在建設(shè)過程中，針對(duì)該工程的基坑結(jié)構(gòu)采用本文設(shè)計(jì)的支護(hù)方案。該工程項(xiàng)目的主要內(nèi)容包括降水、隔水、護(hù)坡和樁基施工。在該區(qū)域當(dāng)中，擬建高層建筑包括地上35 層和地下2 層，建筑整體呈現(xiàn)出矩形結(jié)構(gòu)，每座建筑的占地面積均為42.3×20.0 平方米，建筑高度為129m米，結(jié)構(gòu)主要以鋼筋混凝土剪力墻為主，其基底壓力要求達(dá)到650kPa 及以上，共包含四座結(jié)構(gòu)相同的建筑結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)依托項(xiàng)目整體建筑結(jié)構(gòu)布局

在明確實(shí)驗(yàn)中依托的項(xiàng)目整體結(jié)構(gòu)布局后，利用本文上述提出的支護(hù)方案對(duì)該巖土工程項(xiàng)目的基坑進(jìn)行支護(hù)，以提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力和抗壓能力。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)本文支護(hù)效果的驗(yàn)證，選擇將其支護(hù)抗力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。在支護(hù)結(jié)構(gòu)上隨機(jī)選擇5個(gè)不同位置作為支護(hù)抗力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，針對(duì)五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)其完成整個(gè)支護(hù)施工后的第1 天、第5 天、第10 天、第15 天和第20 天的支護(hù)抗力進(jìn)行測(cè)量，并得到如表1 所示的抗力記錄結(jié)果表。

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)抗力記錄結(jié)果表（單位：kN/m）

結(jié)合表1 中記錄的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，在監(jiān)測(cè)的20 天中，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的支護(hù)抗力均在3.00～5.00kN/m 范圍以內(nèi)。該巖土工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案中規(guī)定，基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)抗力應(yīng)當(dāng)在2.5kN/m以上，而表1 中記錄的數(shù)據(jù)均滿足這一設(shè)計(jì)要求，同時(shí)沒有出現(xiàn)隨著時(shí)間的增加支護(hù)抗力出現(xiàn)明顯降低的變化趨勢(shì)。因此，通過上述實(shí)例應(yīng)用證明，本文提出的支護(hù)設(shè)計(jì)方案能夠有效提高基坑整體的抗壓能力，為巖土工程整體質(zhì)量提升提供可靠條件，同時(shí)進(jìn)一步延長(zhǎng)建筑的使用年限。將本文提出的支護(hù)設(shè)計(jì)方案應(yīng)用到真實(shí)的巖土工程建設(shè)項(xiàng)目當(dāng)中時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，針對(duì)具體問題進(jìn)行具體分析，對(duì)本文設(shè)計(jì)的支護(hù)方案進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而確保最終的基坑支護(hù)效果能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3 結(jié)論

基坑支護(hù)工程在施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大多為臨時(shí)性工程，因此，相關(guān)此方面的工作在實(shí)施中極易被忽視，為了解決由于此方面工作不足導(dǎo)致的施工現(xiàn)場(chǎng)塌陷事故，本文以巖土工程為例，對(duì)基坑支護(hù)展開了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。在完成設(shè)計(jì)后，選擇某試點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中，具有更強(qiáng)的抗力，可起到提升結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的作用。

但此次實(shí)驗(yàn)僅從支護(hù)設(shè)計(jì)本體角度進(jìn)行了分析，未能從經(jīng)濟(jì)效益與市場(chǎng)價(jià)值等方面進(jìn)行支護(hù)方法的進(jìn)一步檢驗(yàn)。因此，還需要在后續(xù)的設(shè)計(jì)研究中，對(duì)此方法的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行驗(yàn)證，分析基坑在支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)的支出成本是否能滿足工程支出成本的需求。

同時(shí)，在深入對(duì)建筑市場(chǎng)的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，與之相關(guān)的研究恰好填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)基坑支護(hù)領(lǐng)域的空白，并在嘗試實(shí)踐應(yīng)用中取得了初步的成果。