談復(fù)雜環(huán)境深基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)

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摘要：以人防工程為代表的深基坑支護(hù)具有高度的復(fù)雜性，其支護(hù)方案對(duì)于保證深基坑安全和減少對(duì)周圍建筑的影響有著重要的作用。因此，必須采用先進(jìn)的支付設(shè)計(jì)方案，確?；影踩_挖，提升基坑開挖的質(zhì)量和穩(wěn)定性。本文選取人防工程為研究案例，深入分析工程條件，經(jīng)過多種方案對(duì)比后，選擇順作法和逆作法結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，以滿足復(fù)雜環(huán)境條件下的施工要求。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜環(huán)境條件；深基坑；支護(hù)方案；數(shù)值模擬

前言

新基建將會(huì)大大推動(dòng)基坑工程的建設(shè)，一方面，基坑工程的深度和廣度日益增加；另一方面，當(dāng)前城市大量建設(shè)的高樓大廈給基坑工程的施工帶來了巨大的難度。在一些土質(zhì)構(gòu)造繁雜、土層地質(zhì)復(fù)雜、土質(zhì)特征多樣，開挖深度大，施工范圍狹小，臨近周邊建筑尤其是高層建筑較近，對(duì)變形反應(yīng)敏感的區(qū)域的深基坑工程施工不斷增多，這就導(dǎo)致了在支護(hù)過程中的復(fù)雜性較大，同時(shí)支護(hù)施工周期長(zhǎng)、工序復(fù)雜，造價(jià)較高，為了避免可能出現(xiàn)的不確定性問題，就需要采用更高效、安全的施工設(shè)計(jì)方案，為順利施工提供有效的保障。基坑支護(hù)破壞是造成基坑重大事故的主要原因，因此在施工中必須要針對(duì)地基基底隆起、管涌、流土、沉降、主體傾斜甚至是結(jié)構(gòu)開裂等現(xiàn)象，合理設(shè)計(jì)參數(shù)，破除周圍環(huán)境的限制，做好支護(hù)方案的設(shè)計(jì)和施工技法的優(yōu)化。

1深基坑支護(hù)的技術(shù)方法和數(shù)值模擬

1．1深基坑支護(hù)的技術(shù)方法

深基坑支護(hù)方法種類較多，都處于不斷完善之中，目前基坑開挖的方法主要有明挖技術(shù)、暗挖技術(shù)、盾構(gòu)技術(shù)、沉管技術(shù)、注漿技術(shù)、蓋挖技術(shù)以及凍結(jié)技術(shù)等，隨著施工技術(shù)的不斷提高，目前又有計(jì)算機(jī)化掘進(jìn)方法、全過程機(jī)械化開挖支護(hù)方法、盾構(gòu)施工方法；預(yù)切槽方法等。傳統(tǒng)深基坑支護(hù)工程一般采用放坡開挖、內(nèi)支撐與錨桿、土釘墻技術(shù)以及和鋼板樁支護(hù)技術(shù)。由于高層建筑不斷增多，為了提升支護(hù)的安全性，許多新的技術(shù)和方法被應(yīng)用到基坑支護(hù)當(dāng)中，基坑逆作法就是一種典型的方法，在地質(zhì)條件復(fù)雜的深基坑應(yīng)用廣泛，通過采用連續(xù)墻等支護(hù)結(jié)構(gòu)，自下向上逐漸施工，實(shí)現(xiàn)地上和地下同時(shí)施工，由于又能擋土，又能擋水，因此，地下連續(xù)墻工藝在目前應(yīng)用最為廣泛。該工藝主要應(yīng)用于砂粒土、軟黏土、礫石的土層中，深度可達(dá)150m。施工中可以采用碾磨機(jī)結(jié)合傳感器技術(shù)，提升自動(dòng)化施工的精度和控制能力。

1．2深基坑支護(hù)的數(shù)值模擬

為了更好地進(jìn)行計(jì)算，就要對(duì)深基坑的支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬該方法，其結(jié)果準(zhǔn)確，受力分析精準(zhǔn)，通過數(shù)值模擬能夠深入分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、沉降以及其影響范圍與規(guī)律。近年來數(shù)值模擬和計(jì)算機(jī)方法結(jié)合，F(xiàn)LAC3D、Midas／GTS等模擬軟件都廣泛使用在深基坑支護(hù)當(dāng)中，這能夠更加深入地分析不同支護(hù)方式下的深基坑變性特征。在分析基坑工程的應(yīng)力和變形等問題的過程中，通常采用有限元法進(jìn)行分析，這對(duì)于土體的非線性問題有著良好的解決能力，比如土層各向異性對(duì)結(jié)構(gòu)變形和地表沉降的影響。

2復(fù)雜環(huán)境條件下深基坑支護(hù)的技術(shù)特點(diǎn)

2．1施工條件高度復(fù)雜

深基坑支護(hù)施工條件高度復(fù)雜，典型代表如人防工程，既滿足展示需要，又要考慮城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等問題。我國(guó)許多人防工程都已經(jīng)成為了促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)工程，如沈陽(yáng)北新客站地下城和上海人民廣場(chǎng)地下停車場(chǎng)等。人防工程為城市生活生產(chǎn)做出了巨大的貢獻(xiàn)，通常位于城市商業(yè)中心，人流密集因此其堅(jiān)固性必須是第一位的。人防工程面積大，建筑面積通常超過10000m，基坑開挖深度都超過10m以上，通過施工區(qū)域都是城市交通要地，車輛多，人流量大，周邊建筑多，在繁華區(qū)域大量有高層建筑。在施工前，還需要對(duì)區(qū)域內(nèi)老舊管道進(jìn)行改遷，考慮因素較多。如果施工區(qū)域內(nèi)都是淺基礎(chǔ)的密集建筑物，那么非常容易發(fā)生變形控制。一般大型人防工程都位于市中心，因此，施工過程中還要注意到不影響周邊建筑的生產(chǎn)和生活，必須要控制噪音和揚(yáng)塵等污染。地質(zhì)條件方面，根據(jù)巖土的物理性質(zhì)將土質(zhì)分為四層：主要成分為由碎石土、砂土和黏性土等組成的雜填土，花崗巖、長(zhǎng)石和少量云母等成分組成的圓礫，以及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，越是下層的巖土粘聚力越大。由于各土層的成分差異較大，物理特性各異，因此力學(xué)性質(zhì)參數(shù)各異，這就加劇了施工的復(fù)雜性，如施工中需要考慮場(chǎng)地穩(wěn)定性，包括液化、震陷、土等效剪切波速等因素。此外，深基坑施工還受到當(dāng)?shù)貧夂驐l件、水文地質(zhì)條件、地形地貌條件等因素的影響，比如場(chǎng)地的標(biāo)準(zhǔn)凍深、圓礫層在飽和狀態(tài)下的天然含水量、層雜填土的凍脹等級(jí)，地下水和土對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性等因素。

2．2支護(hù)安全級(jí)別要求較高

以人防工程為例，其施工條件復(fù)雜，具有如下特點(diǎn)：①和周邊建筑群相比，深基坑的開挖深度較深，在施工中基坑開挖的深度越深，支護(hù)結(jié)構(gòu)失效和土地變形沉降對(duì)周邊環(huán)境的影響越大，為了確保施工安全和工程質(zhì)量，要把支護(hù)安全等級(jí)提升到一級(jí)；②由于項(xiàng)目多位于市中心，交通發(fā)達(dá)，人口密集，周邊環(huán)境復(fù)雜，建筑群較多，地基承載力不斷變化，需要嚴(yán)格控制位移和地面沉降，臨近建筑物的距離基坑變形控制等級(jí)為一級(jí)；③施工受到地質(zhì)和水文條件的影響，要充分考慮水文地質(zhì)條件，控制地下水位和凍脹等因素，施工水位應(yīng)該控制在底板下0．5m以下，根據(jù)不同地質(zhì)水文條件選擇不同的支護(hù)方法；④由于施工環(huán)境條件復(fù)雜，加之深基坑支護(hù)的安全風(fēng)險(xiǎn)較大，對(duì)施工的影響因素很多對(duì)施工技術(shù)、組織、工藝和設(shè)備的要求也就相應(yīng)提高。支護(hù)結(jié)構(gòu)作為臨時(shí)支護(hù)，其平面設(shè)置要滿足規(guī)范設(shè)計(jì)的要求，如果越冬要采用加固和防護(hù)措施，加強(qiáng)安全管理工作。施工安全等級(jí)為一級(jí)。

2．3施工的技術(shù)重點(diǎn)

1）做好施工前檢測(cè)和勘察工作。施工前要對(duì)工程地質(zhì)條件、巖土力學(xué)特性和周邊環(huán)境進(jìn)行深入調(diào)查，要對(duì)于各土層天然重度、內(nèi)摩擦角和錨固體摩阻力等參數(shù)進(jìn)行具體計(jì)算，全面了解工程地質(zhì)條件。采用土試樣和原位測(cè)試等方法進(jìn)行測(cè)試，為了確保巖土參數(shù)的準(zhǔn)確可靠，要采用多種方法進(jìn)行測(cè)試，如果得出結(jié)果基本一致，那么說明巖土參數(shù)具有可靠性。2）防止支護(hù)工具的破壞。包括地基異動(dòng)的破壞，錨桿抗拔的失效，工具掉入孔中，擋土失去承載作用等。一旦發(fā)生變形，將會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，比如基坑深度達(dá)到14m時(shí)，就超過了石擋墻結(jié)構(gòu)的常用基坑深度的2倍，非常容易造成破壞。3）防止地下水的侵害。避免因?yàn)榈叵滤桓咴斐沙两档痊F(xiàn)象。在施工前要首先對(duì)做好排水工作，確保地基的穩(wěn)固，同時(shí)要避免地表水滲漏到結(jié)構(gòu)當(dāng)中，針對(duì)降水等問題及時(shí)采用有效措施進(jìn)行處理。4）做好周邊重點(diǎn)防護(hù)，強(qiáng)化坑壁護(hù)理工作，切實(shí)保護(hù)邊坡安全，提升防護(hù)欄桿的高度和排水溝的深度，嚴(yán)禁超挖現(xiàn)象發(fā)生，防止土方坍塌。施工人員必須按照安全技術(shù)交底作業(yè)，隨著基坑深度的加深，在周邊加設(shè)可靠支撐，同時(shí)編制深基坑周邊防護(hù)專項(xiàng)方案，確保安全措施落實(shí)到位。

3施工方案和方法的選擇

3．1支護(hù)方案選擇

要根據(jù)深基坑的周圍環(huán)境的具體情況選擇支護(hù)方式，越是復(fù)雜的環(huán)境越應(yīng)該采用多種聯(lián)合支護(hù)方式。如果不滿足放坡條件，就不能采用放坡法施工，施工中還要考慮連續(xù)墻法的經(jīng)濟(jì)性較差，因此，在施工中要采用樁錨支護(hù)等多種方法相結(jié)合的模式。施工方案的確定要綜合考慮基坑深度、安全等級(jí)、技術(shù)要求、周邊環(huán)境，水文地質(zhì)狀況以及建設(shè)單位的具體要求。如某人防工程為了滿足建設(shè)單位的需求，在逆作法施工部分采用混凝土排樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，使用混凝土強(qiáng)度為C35D，負(fù)一層、負(fù)二層到負(fù)三層的頂板為水平支撐。由于基坑深度超過10m，因此，各個(gè)參數(shù)都要符合設(shè)計(jì)要求，確?；拥姆€(wěn)定性。各剖面樁采用C35混凝土澆灌，樁距1．3m，樁徑800mm，各樁身嵌固深度根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置。順作法施工的剖面在開挖過程中施加內(nèi)支撐錨索，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果設(shè)計(jì)參數(shù)。各剖面裝訂設(shè)置冠梁，尺寸為600×900mm。

3．2順作法施工

結(jié)合施工環(huán)境條件，部分施工采用順作法，其優(yōu)勢(shì)在于成本低，施工簡(jiǎn)易，結(jié)構(gòu)可靠性強(qiáng)，防水性好，但是缺陷在于對(duì)地面和周邊環(huán)境的影響較大。施工中先支護(hù)后開挖，由下向上逐步完成各主體結(jié)構(gòu)的施工，直至澆筑頂板的流程。施工重點(diǎn)包括邊坡降水和支護(hù)、土方開挖和放水以及結(jié)構(gòu)性施工等，為了防止沉降和變形，特別要重視邊坡支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用。順作法施工應(yīng)用的技術(shù)主要包括以下方面：①放坡開挖技術(shù)，該技術(shù)對(duì)地質(zhì)條件要求較高，開挖中需要及時(shí)清理邊坡，并且做好護(hù)坡工作，一般采用水泥黏土進(jìn)行施工；②混凝土灌注樁支護(hù)技術(shù)，該技術(shù)分為機(jī)械和人工成孔兩種工藝，按照成孔工藝不同可分為擠土和非擠土兩種方式，其施工難點(diǎn)在于塌孔和孔位偏問題；③連續(xù)墻支護(hù)技術(shù)，該技術(shù)承受荷載較大，放水較好，但施工條件要求松散含水底層和軟土；④土釘墻支護(hù)技術(shù)，由于基坑深度大，施工要配合土方開挖分層進(jìn)行，采用由深至淺退挖的方法，與土釘施工密切結(jié)合，做好基坑邊坡施工及防護(hù)；⑤錨桿支護(hù)技術(shù)，包括預(yù)應(yīng)力錨桿和非預(yù)應(yīng)力錨桿技術(shù)，能夠穩(wěn)定深層巖土，降低結(jié)構(gòu)自重，節(jié)省施工材料，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3．3逆作法施工

對(duì)于基坑剖面較為狹窄，距離周邊建筑較多的區(qū)域，采用逆作法施工，目的是嚴(yán)格控制地面沉降。和傳統(tǒng)方式不同，從上至下逐漸施工，該方法對(duì)周圍建筑影響較小，適合復(fù)雜環(huán)境條件下的深基坑施工。施工中使用結(jié)構(gòu)頂板代替臨時(shí)路面，恢復(fù)性較好，通過建立完善的內(nèi)部支撐體系提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。該方法適用于軟弱底層，能夠有效控制地面沉降問題，位移小，適合深基坑施工。具體施工中包括如下方法：首先是全逆作法，即地下結(jié)構(gòu)和地上結(jié)構(gòu)同時(shí)施工，采用整體澆筑方法，利用地下各層樓板進(jìn)行水平支撐；其次是半逆作法，地上和地下不同步施工，以永久結(jié)構(gòu)頂板為分隔，一半采用逆作，一半采用順作；第三是部分逆作法，部分順作和部分逆作相結(jié)合，采用局部土方抵抗側(cè)向壓力，在深基坑的邊部采用逆作法，中部采用順作法；最后是分層逆作法，該方法是目前最先進(jìn)的施工技術(shù)方法之一，通過土釘墻分層逆作四周的方式進(jìn)行施工。

3．4支護(hù)方案驗(yàn)算結(jié)果

采用瑞典條分法進(jìn)行整體穩(wěn)定性驗(yàn)算，土條寬度0．50m，最終得到安全系數(shù)。根據(jù)被動(dòng)土和主動(dòng)土壓力進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算，同時(shí)對(duì)各個(gè)剖面進(jìn)行抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算，檢驗(yàn)其穩(wěn)定性。重點(diǎn)對(duì)各支護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降、內(nèi)力位移和水平位移進(jìn)行研究，研究結(jié)果顯示，順作法施工的最大位移、彎矩及剪力都發(fā)生在最終的工況階段，最大值在基坑底部。采用逆作法施工，最初及最終工況階段位移皆較大，基坑頂部和底部也是如此，但內(nèi)力最大值的產(chǎn)生和順作法一致。順作法和逆作法相比，逆作法的位移較小，尤其是基坑的外側(cè)位移接近于0，適合高度復(fù)雜環(huán)境下的深基坑，對(duì)周邊建筑影響較小。但是該方法的最大內(nèi)力較大，因此，在施工中不但對(duì)于材料性能要求高，而且施工方法、施工技術(shù)和支撐結(jié)構(gòu)體系都需要不斷地進(jìn)行改進(jìn)，如采用地下連續(xù)墻和100多根大直徑灌注樁作為支撐。逆作法的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于工期較短，經(jīng)濟(jì)效益顯著，因此，如果能夠不斷提升技術(shù)成熟度，在未來的施工中可以較大規(guī)模地取代順作法。

4施工支護(hù)方案的優(yōu)化策略

4．1施工中技術(shù)安全保障措施的完善

一律采用機(jī)械開挖方案，采用反鏟挖土機(jī)分層接力開挖。當(dāng)開挖深度深于周邊建筑基礎(chǔ)時(shí)，要保持一定的坡度和距離，應(yīng)采用坡腳設(shè)擋墻或支撐等支護(hù)措施提升邊坡穩(wěn)定性。開挖時(shí)要注意坑底是否有洞穴、裂縫和斷層等，如果發(fā)現(xiàn)跡象，應(yīng)及時(shí)處理。基坑處理好之后，對(duì)坑底進(jìn)行抄平，如果小部分超挖，可用與地基土密度相同的回填土夯實(shí)。為防止坑底擾動(dòng)，挖好之后要減少暴露時(shí)間，如果不能及時(shí)進(jìn)行下一道工序，應(yīng)該預(yù)留30cm左右的覆蓋土層。對(duì)地下水位較高的松土坑要去除松土，在進(jìn)行回填。對(duì)于無放坡條件的基坑要采用分層開挖方法，根據(jù)施工層級(jí)進(jìn)行支護(hù)。在基坑頂周圍設(shè)置1×1m排水溝連接成排水管網(wǎng)，基坑內(nèi)設(shè)置1m排水溝，每隔30m設(shè)置一個(gè)排水井，提升排水能力。嚴(yán)格按照施工安全規(guī)范作業(yè)，坑口周邊設(shè)置鋼管護(hù)欄和警示標(biāo)志。夜間施工必須要照明整個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)，坑班要有警示燈，并且由專人負(fù)責(zé)安全。為了提升施工安全水平，要完善局部地方垮塌處理方案，根據(jù)實(shí)際情況提升堆砌高度。

4．2不斷采用新技術(shù)提升支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

采用深基坑換撐技術(shù)，將樁錨、樁撐和地連墻加內(nèi)支撐相結(jié)合，考慮到深基坑的施工環(huán)境復(fù)雜，水文地質(zhì)條件各異，有土質(zhì)較差的情況，因此，可以采用兩墻合一等方式，通過臨時(shí)支護(hù)將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到其他構(gòu)件。在支撐技術(shù)的選擇上，可以采用以下幾種，首先是斜撐，其成本較低，但施工中難度較大，護(hù)樁與墻體之間的距離很短，防水難度較高。其次是水平剛性構(gòu)件換撐，操作方式較為簡(jiǎn)單，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性高，施工單位需要保持構(gòu)件的強(qiáng)度。第三是鋼筋混凝土換撐梁，該操作較為繁雜，適合復(fù)雜條件下的深基坑，需要較為復(fù)雜的施工方案設(shè)計(jì)，最后是回填石料換撐，一般作為備用方案。大量使用裝配式技術(shù)，如使用裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐技術(shù)，用螺栓連接構(gòu)件，構(gòu)件拆除之后能夠循環(huán)利用，提升節(jié)能環(huán)保的水平，縮短工期，而且有利于提升構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化的水平。同時(shí)要提升工藝技術(shù)的精細(xì)化水平，對(duì)逆作法施工進(jìn)行優(yōu)化，逐漸對(duì)大承載力鉆孔灌注樁、一柱一樁施工、樁底后注漿施工、逆作取土工藝、無排吊模技術(shù)、躍層施工技術(shù)等進(jìn)行創(chuàng)新，以提升支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4．3加強(qiáng)深基坑支護(hù)工程的監(jiān)測(cè)

深基坑工程地質(zhì)條件復(fù)雜，周邊建筑眾多，材料性能，受力結(jié)構(gòu)和諸多環(huán)境的影響，因此，單純依靠計(jì)算還不能滿足實(shí)際工程需要，不能準(zhǔn)確反映工程的變化和未知狀況。比如強(qiáng)降水、地下管道漏水以及外負(fù)載劇增等，都容易導(dǎo)致發(fā)生較大位移。為了避免基坑失穩(wěn)，就要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)工作，以便于及時(shí)調(diào)整施工方案。在施工階段要對(duì)頂部的水平和豎向位移，支護(hù)結(jié)構(gòu)的深層位移，錨桿內(nèi)力以及周邊建筑的豎向位移進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)整體變化的總量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦超出報(bào)警值，及時(shí)調(diào)整方案。在監(jiān)測(cè)中要大量采用信息化技術(shù)，全面分析內(nèi)力、變形、地下水、周圍環(huán)境的位移、傾斜、沉降、開裂、隆起等狀況，增加觀測(cè)點(diǎn)和觀測(cè)次數(shù)，在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)下一施工階段的方案。

5結(jié)語(yǔ)

基坑失穩(wěn)一旦發(fā)生事故造成的危害非常大，會(huì)造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失，因此，在施工中要加強(qiáng)施工前的準(zhǔn)備，提升支護(hù)安全等級(jí)，完善基坑支護(hù)施工流程，不斷采用新技術(shù)，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)水平，確保支護(hù)的穩(wěn)定性。

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作者：相宛彤 付凱文 劉軒均 單位：山東科技大學(xué)