复杂环境的深基坑支护方案设计

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摘要：以人防工程为代表的深基坑支护具有高度的复杂性，其支护方案对于保证深基坑安全和减少对周围建筑的影响有着重要的作用。因此，必须采用先进的支付设计方案，确保基坑安全开挖，提升基坑开挖的质量和稳定性。本文选取人防工程为研究案例，深入分析工程条件，经过多种方案对比后，选择顺作法和逆作法结合的设计方案，以满足复杂环境条件下的施工要求。

关键词：复杂环境条件；深基坑；支护方案；数值模拟

前言新基建将会大大推动基坑工程的建设，一方面，基坑工程的深度和广度日益增加；另一方面，当前城市大量建设的高楼大厦给基坑工程的施工带来了巨大的难度。在一些土质构造繁杂、土层地质复杂、土质特征多样，开挖深度大，施工范围狭小，临近周边建筑尤其是高层建筑较近，对变形反应敏感的区域的深基坑工程施工不断增多，这就导致了在支护过程中的复杂性较大，同时支护施工周期长、工序复杂，造价较高，为了避免可能出现的不确定性问题，就需要采用更高效、安全的施工设计方案，为顺利施工提供有效的保障。基坑支护破坏是造成基坑重大事故的主要原因，因此在施工中必须要针对地基基底隆起、管涌、流土、沉降、主体倾斜甚至是结构开裂等现象，合理设计参数，破除周围环境的限制，做好支护方案的设计和施工技法的优化。

1深基坑支护的技术方法和数值模拟

1．1深基坑支护的技术方法

深基坑支护方法种类较多，都处于不断完善之中，目前基坑开挖的方法主要有明挖技术、暗挖技术、盾构技术、沉管技术、注浆技术、盖挖技术以及冻结技术等，随着施工技术的不断提高，目前又有计算机化掘进方法、全过程机械化开挖支护方法、盾构施工方法；预切槽方法等。传统深基坑支护工程一般采用放坡开挖、内支撑与锚杆、土钉墙技术以及和钢板桩支护技术。由于高层建筑不断增多，为了提升支护的安全性，许多新的技术和方法被应用到基坑支护当中，基坑逆作法就是一种典型的方法，在地质条件复杂的深基坑应用广泛，通过采用连续墙等支护结构，自下向上逐渐施工，实现地上和地下同时施工，由于又能挡土，又能挡水，因此，地下连续墙工艺在目前应用最为广泛。该工艺主要应用于砂粒土、软黏土、砾石的土层中，深度可达150m。施工中可以采用碾磨机结合传感器技术，提升自动化施工的精度和控制能力。1．2深基坑支护的数值模拟为了更好地进行计算，就要对深基坑的支护方案进行数值模拟该方法，其结果准确，受力分析精准，通过数值模拟能够深入分析支护结构的变形、沉降以及其影响范围与规律。近年来数值模拟和计算机方法结合，FLAC3D、Midas／GTS等模拟软件都广泛使用在深基坑支护当中，这能够更加深入地分析不同支护方式下的深基坑变性特征。在分析基坑工程的应力和变形等问题的过程中，通常采用有限元法进行分析，这对于土体的非线性问题有着良好的解决能力，比如土层各向异性对结构变形和地表沉降的影响。

2复杂环境条件下深基坑支护的技术特点

2．1施工条件高度复杂

深基坑支护施工条件高度复杂，典型代表如人防工程，既满足展示需要，又要考虑城市建设和经济发展等问题。我国许多人防工程都已经成为了促进城市经济发展的重点工程，如沈阳北新客站地下城和上海人民广场地下停车场等。人防工程为城市生活生产做出了巨大的贡献，通常位于城市商业中心，人流密集因此其坚固性必须是第一位的。人防工程面积大，建筑面积通常超过10000m，基坑开挖深度都超过10m以上，通过施工区域都是城市交通要地，车辆多，人流量大，周边建筑多，在繁华区域大量有高层建筑。在施工前，还需要对区域内老旧管道进行改迁，考虑因素较多。如果施工区域内都是浅基础的密集建筑物，那么非常容易发生变形控制。一般大型人防工程都位于市中心，因此，施工过程中还要注意到不影响周边建筑的生产和生活，必须要控制噪音和扬尘等污染。地质条件方面，根据岩土的物理性质将土质分为四层：主要成分为由碎石土、砂土和黏性土等组成的杂填土，花岗岩、长石和少量云母等成分组成的圆砾，以及强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩，越是下层的岩土粘聚力越大。由于各土层的成分差异较大，物理特性各异，因此力学性质参数各异，这就加剧了施工的复杂性，如施工中需要考虑场地稳定性，包括液化、震陷、土等效剪切波速等因素。此外，深基坑施工还受到当地气候条件、水文地质条件、地形地貌条件等因素的影响，比如场地的标准冻深、圆砾层在饱和状态下的天然含水量、层杂填土的冻胀等级，地下水和土对钢筋混凝土结构的腐蚀性等因素。

2．2支护安全级别要求较高

以人防工程为例，其施工条件复杂，具有如下特点：①和周边建筑群相比，深基坑的开挖深度较深，在施工中基坑开挖的深度越深，支护结构失效和土地变形沉降对周边环境的影响越大，为了确保施工安全和工程质量，要把支护安全等级提升到一级；②由于项目多位于市中心，交通发达，人口密集，周边环境复杂，建筑群较多，地基承载力不断变化，需要严格控制位移和地面沉降，临近建筑物的距离基坑变形控制等级为一级；③施工受到地质和水文条件的影响，要充分考虑水文地质条件，控制地下水位和冻胀等因素，施工水位应该控制在底板下0．5m以下，根据不同地质水文条件选择不同的支护方法；④由于施工环境条件复杂，加之深基坑支护的安全风险较大，对施工的影响因素很多对施工技术、组织、工艺和设备的要求也就相应提高。支护结构作为临时支护，其平面设置要满足规范设计的要求，如果越冬要采用加固和防护措施，加强安全管理工作。施工安全等级为一级。

2．3施工的技术重点

1）做好施工前检测和勘察工作。施工前要对工程地质条件、岩土力学特性和周边环境进行深入调查，要对于各土层天然重度、内摩擦角和锚固体摩阻力等参数进行具体计算，全面了解工程地质条件。采用土试样和原位测试等方法进行测试，为了确保岩土参数的准确可靠，要采用多种方法进行测试，如果得出结果基本一致，那么说明岩土参数具有可靠性。2）防止支护工具的破坏。包括地基异动的破坏，锚杆抗拔的失效，工具掉入孔中，挡土失去承载作用等。一旦发生变形，将会对周围的环境造成严重破坏，比如基坑深度达到14m时，就超过了石挡墙结构的常用基坑深度的2倍，非常容易造成破坏。3）防止地下水的侵害。避免因为地下水位高造成沉降等现象。在施工前要首先对做好排水工作，确保地基的稳固，同时要避免地表水渗漏到结构当中，针对降水等问题及时采用有效措施进行处理。4）做好周边重点防护，强化坑壁护理工作，切实保护边坡安全，提升防护栏杆的高度和排水沟的深度，严禁超挖现象发生，防止土方坍塌。施工人员必须按照安全技术交底作业，随着基坑深度的加深，在周边加设可靠支撑，同时编制深基坑周边防护专项方案，确保安全措施落实到位。

3施工方案和方法的选择

3．1支护方案选择

要根据深基坑的周围环境的具体情况选择支护方式，越是复杂的环境越应该采用多种联合支护方式。如果不满足放坡条件，就不能采用放坡法施工，施工中还要考虑连续墙法的经济性较差，因此，在施工中要采用桩锚支护等多种方法相结合的模式。施工方案的确定要综合考虑基坑深度、安全等级、技术要求、周边环境，水文地质状况以及建设单位的具体要求。如某人防工程为了满足建设单位的需求，在逆作法施工部分采用混凝土排桩作为支护结构，使用混凝土强度为C35D，负一层、负二层到负三层的顶板为水平支撑。由于基坑深度超过10m，因此，各个参数都要符合设计要求，确保基坑的稳定性。各剖面桩采用C35混凝土浇灌，桩距1．3m，桩径800mm，各桩身嵌固深度根据实际情况设置。顺作法施工的剖面在开挖过程中施加内支撑锚索，根据数值模拟的结果设计参数。各剖面装订设置冠梁，尺寸为600×900mm。

3．2顺作法施工

结合施工环境条件，部分施工采用顺作法，其优势在于成本低，施工简易，结构可靠性强，防水性好，但是缺陷在于对地面和周边环境的影响较大。施工中先支护后开挖，由下向上逐步完成各主体结构的施工，直至浇筑顶板的流程。施工重点包括边坡降水和支护、土方开挖和放水以及结构性施工等，为了防止沉降和变形，特别要重视边坡支护技术的应用。顺作法施工应用的技术主要包括以下方面：①放坡开挖技术，该技术对地质条件要求较高，开挖中需要及时清理边坡，并且做好护坡工作，一般采用水泥黏土进行施工；②混凝土灌注桩支护技术，该技术分为机械和人工成孔两种工艺，按照成孔工艺不同可分为挤土和非挤土两种方式，其施工难点在于塌孔和孔位偏问题；③连续墙支护技术，该技术承受荷载较大，放水较好，但施工条件要求松散含水底层和软土；④土钉墙支护技术，由于基坑深度大，施工要配合土方开挖分层进行，采用由深至浅退挖的方法，与土钉施工密切结合，做好基坑边坡施工及防护；⑤锚杆支护技术，包括预应力锚杆和非预应力锚杆技术，能够稳定深层岩土，降低结构自重，节省施工材料，提升系统的稳定性。

3．3逆作法施工对于基坑剖面较为狭窄，距离周边建筑较多的区域，采用逆作法施工，目的是严格控制地面沉降。和传统方式不同，从上至下逐渐施工，该方法对周围建筑影响较小，适合复杂环境条件下的深基坑施工。施工中使用结构顶板代替临时路面，恢复性较好，通过建立完善的内部支撑体系提升系统稳定性。该方法适用于软弱底层，能够有效控制地面沉降问题，位移小，适合深基坑施工。具体施工中包括如下方法：首先是全逆作法，即地下结构和地上结构同时施工，采用整体浇筑方法，利用地下各层楼板进行水平支撑；其次是半逆作法，地上和地下不同步施工，以永久结构顶板为分隔，一半采用逆作，一半采用顺作；第三是部分逆作法，部分顺作和部分逆作相结合，采用局部土方抵抗侧向压力，在深基坑的边部采用逆作法，中部采用顺作法；最后是分层逆作法，该方法是目前最先进的施工技术方法之一，通过土钉墙分层逆作四周的方式进行施工。

3．4支护方案验算结果采用瑞典条分法进行整体稳定性验算，土条宽度0．50m，最终得到安全系数。根据被动土和主动土压力进行抗倾覆稳定性验算，同时对各个剖面进行抗隆起稳定性验算，检验其稳定性。重点对各支护结构的沉降、内力位移和水平位移进行研究，研究结果显示，顺作法施工的最大位移、弯矩及剪力都发生在最终的工况阶段，最大值在基坑底部。采用逆作法施工，最初及最终工况阶段位移皆较大，基坑顶部和底部也是如此，但内力最大值的产生和顺作法一致。顺作法和逆作法相比，逆作法的位移较小，尤其是基坑的外侧位移接近于0，适合高度复杂环境下的深基坑，对周边建筑影响较小。但是该方法的最大内力较大，因此，在施工中不但对于材料性能要求高，而且施工方法、施工技术和支撑结构体系都需要不断地进行改进，如采用地下连续墙和100多根大直径灌注桩作为支撑。逆作法的另一个优势在于工期较短，经济效益显著，因此，如果能够不断提升技术成熟度，在未来的施工中可以较大规模地取代顺作法。

4施工支护方案的优化策略

4．1施工中技术安全保障措施的完善

一律采用机械开挖方案，采用反铲挖土机分层接力开挖。当开挖深度深于周边建筑基础时，要保持一定的坡度和距离，应采用坡脚设挡墙或支撑等支护措施提升边坡稳定性。开挖时要注意坑底是否有洞穴、裂缝和断层等，如果发现迹象，应及时处理。基坑处理好之后，对坑底进行抄平，如果小部分超挖，可用与地基土密度相同的回填土夯实。为防止坑底扰动，挖好之后要减少暴露时间，如果不能及时进行下一道工序，应该预留30cm左右的覆盖土层。对地下水位较高的松土坑要去除松土，在进行回填。对于无放坡条件的基坑要采用分层开挖方法，根据施工层级进行支护。在基坑顶周围设置1×1m排水沟连接成排水管网，基坑内设置1m排水沟，每隔30m设置一个排水井，提升排水能力。严格按照施工安全规范作业，坑口周边设置钢管护栏和警示标志。夜间施工必须要照明整个施工现场，坑班要有警示灯，并且由专人负责安全。为了提升施工安全水平，要完善局部地方垮塌处理方案，根据实际情况提升堆砌高度。

4．2不断采用新技术提升支护结构的稳定性

采用深基坑换撑技术，将桩锚、桩撑和地连墙加内支撑相结合，考虑到深基坑的施工环境复杂，水文地质条件各异，有土质较差的情况，因此，可以采用两墙合一等方式，通过临时支护将应力转移到其他构件。在支撑技术的选择上，可以采用以下几种，首先是斜撑，其成本较低，但施工中难度较大，护桩与墙体之间的距离很短，防水难度较高。其次是水平刚性构件换撑，操作方式较为简单，对结构的安全性高，施工单位需要保持构件的强度。第三是钢筋混凝土换撑梁，该操作较为繁杂，适合复杂条件下的深基坑，需要较为复杂的施工方案设计，最后是回填石料换撑，一般作为备用方案。大量使用装配式技术，如使用装配式预应力鱼腹梁钢支撑技术，用螺栓连接构件，构件拆除之后能够循环利用，提升节能环保的水平，缩短工期，而且有利于提升构件的标准化的水平。同时要提升工艺技术的精细化水平，对逆作法施工进行优化，逐渐对大承载力钻孔灌注桩、一柱一桩施工、桩底后注浆施工、逆作取土工艺、无排吊模技术、跃层施工技术等进行创新，以提升支护结构的稳定性。

4．3加强深基坑支护工程的监测

深基坑工程地质条件复杂，周边建筑众多，材料性能，受力结构和诸多环境的影响，因此，单纯依靠计算还不能满足实际工程需要，不能准确反映工程的变化和未知状况。比如强降水、地下管道漏水以及外负载剧增等，都容易导致发生较大位移。为了避免基坑失稳，就要加强监测工作，以便于及时调整施工方案。在施工阶段要对顶部的水平和竖向位移，支护结构的深层位移，锚杆内力以及周边建筑的竖向位移进行检测。对整体变化的总量进行监测，一旦超出报警值，及时调整方案。在监测中要大量采用信息化技术，全面分析内力、变形、地下水、周围环境的位移、倾斜、沉降、开裂、隆起等状况，增加观测点和观测次数，在此基础上预测下一施工阶段的方案。

5结语

基坑失稳一旦发生事故造成的危害非常大，会造成巨大的生命财产损失，因此，在施工中要加强施工前的准备，提升支护安全等级，完善基坑支护施工流程，不断采用新技术，加强监测水平，确保支护的稳定性。

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作者：相宛彤 付凯文 刘轩均 单位：山东科技大学