深基坑工程支护方案优化研究

深基坑工程支护方案优化研究

刘保永

珠海长隆投资发展有限公司

摘要：随着我国城镇化以及基础设施建设的飞速发展，势必会加快旧城区改造和城市扩建，导致土地资源的利用紧张，因此，工程建设项目不可避免会遇到，越来越多的深基坑工程在开挖支护。如何选取安全可靠、工程造价合理、施工便捷、对环境保护有利的支护方案成为基坑开挖支护重点研究的课题。本文以深基坑支护方案优化研究为出发点，结合太原市东山地区王家峰棚户区14#高层住宅楼基坑开挖支护工程，首先运用改进的层次分析法对设计的三种支护方案优化研究，然后运用理正深基坑软件通过正交试验对最优支护方案进行细部优化，最后采用PLAXIS有限元模拟软件对细部优化方案模拟分析，验证方案在深基坑开挖支护工程实际中的可行性和安全性，为深基坑开挖支护方案比选和优化提供一定参考。

关键词：特点及种类、条件及优化方法

引言：目前国内外关于基坑开挖支护工程的研究已经取得一定成果，国内外对于基坑开挖支护以及模拟的研究为基坑发展提供宝贵的经验。然而深基坑支护工程仍存在很多问题需要解决，包括由于堆积年限不同、密实度不同导致的内摩擦角、粘聚力难以确定；最优化支护方案难以确定；传统施工工艺在深基坑开挖支护中会产生过大位移，出现安全隐患；传统支护施工工艺需要进行改进等等。

一、深基坑施工特点及特点

当前在我国建筑行业，深基坑工程有以下几个特点。

1.1基坑深度大

由于城市建筑用地的紧缺，城市建筑物开始朝着高层和地下两个方向同时发展。在过去，一般地下建筑只有1-2层，而且在中小城市除了大型建筑之外，也很少有地下建筑。而如今，各城市新建的建筑物中，不仅地上建筑层数越来越高，地下的利用也越来越深入。3-4层的地下建筑在大城市已经十分普遍，甚至还有一些5-6层的地下建筑。对超过5m或者超过地下三层的基坑，都称为深基坑。但是当前，深基坑的深度一般都达到了10m以上，甚至有一些超过了15m。

1.2存在较大安全隐患

深基坑由于开挖深度都大于5m，对于土层结构的破坏比较大，同时又可能遇到的地下管线，以及地下水的威胁。在深基坑工程施工的过程中，必须要对边坡进行防护，主要是利用各种支护措施。必须要防止边坡土层崩落塌方，又要防范地下水渗入破坏工程结构。另外，一些地埋电缆、给排水管道等，也有可能在深基坑施工过程中遇到，也必须慎重处理，否则极易出现安全事故或者严重影响工程周边居民日常生活。因此，在深基坑施工过程中，必须合理设计、缜密规划、严密监测、小心施工。

1.3对基坑工程的质量要求高

一般情况下，深基坑开挖将作为将来地下建筑的建设。随着对地下结构的深入利用，原本作为临时结构的基坑支护结构，开始也会被利用做地下永久建筑的一部分。如此一来，对于深基坑工程的质量的要求进一步提高。与此同时，由于建筑空地越来越小且零散化，深基坑的周围往往已经有大量的建成建筑。由于深基坑深度越来越大，导致深基坑周围的地质不均匀沉降现象越来越明显。当前，深基坑施工中监测周围房屋的受害程度已经是一项重要工作。为了保证深基坑施工对周围环境和建筑的危害最小化，对基坑本身的施工质量提出很高的要求。

深基坑支护结构的主要作用是保持基坑边坡土层结构的稳定，一般只是作为基坑开挖和基础施工时的临时保护措施。以下介绍几种主要的支护方案。

1.4坡率法支护

坡率法被广泛应用于浅基坑工程中，深基坑工程中采用的较少。不过对于地质条件较好的，开挖深度略大于5m的深基坑而言，可以选用坡率法支护结构。坡率法支护，要细致分析基坑地基土层构成、水文地质条件，经过现场勘查后，按照规范公式计算放坡斜率，适当可以采用分级放坡。分级放坡的坡间平台应用木桩等进行加固。放坡之后，在坡面用钢筋网砂浆进行防雨加固。这种支护方法的优点是成本低，施工简单，机械作业量小。但是只能应用于较浅的深基坑工程，并且对地质条件的要求也较高。

1.5土钉支护

土钉支护技术是利用土层本身的自稳能力，在基坑开挖的同时设置土钉加固的一种支护技术。一般的土钉支护工程步骤为：（1）分析土质水文条件，确定垂直或带斜率的第一级边坡开挖，确保此级边坡土层能在重力下自稳；（2）设置第一道土钉；（3）灌注砂浆固定土钉后，进行第二级施工；（4）设置第二道土钉；依此类推。土钉是一边开挖一边设置，随着开挖深度加大，先设置的土钉的受力情况可能发生变化，也会发生不同的位移。作为造价相对较低的一种支护手段，它也必须依赖较好的地质条件。另外，由于土钉长度较长并且密集，一定程度上会影响周围的建筑并且影响后续土钉附近的地下工程施工。

1.6预应力锚杆柔性支护

预应力锚杆柔性支护是一种新型的基坑支护技术。它采用数个预加分载的预应力锚杆和钢筋网喷射混凝土层结合进行支挡防护。预应力锚杆分自由段和锚固段，锚固部分深入稳定的土体之中。自由段在支护面层之下的潜在滑移土层内，这一段的土层较为不稳定，只有依靠预应力自由段锚索牵固的面层进行支挡。支护面层多采用钢筋网喷射混凝土作为护挂面来承受土体压力和地下水压力，面层的压力传导至深入稳定土体中的锚固段，以此来约束土体。相比传统的支护技术，预应力锚杆支护的整体刚度较小，柔性较大，所以被称为柔性支护。

近些年，有一些新的复合支护技术被开发出来。如土钉墙复合预应力锚固法、锚桩土钉复合支护技术等，使得一些超深基坑的施工成为可能，未来复合支护的发展将为更高要求的建筑物建设提供有力的支持。

二、主要的支护型式和适用条件

在深基坑开挖过程中，基坑的支护形式很多，本文作者对常用的支护型式进行划分，大致可以分为四大类：

（1）放坡开挖结合简易支护型：放坡开挖结合坡脚短柱、放坡开挖结合喷锚网、简单放坡开挖。简易支护型式为隔板等其他支护。放坡开挖及其支护适合地基土质良好、地下水位不深、施工现场有足够的空间可以进行放坡开挖。

（2）自立式支护型式：水泥重力式支挡结构、加筋水泥土墙支挡结构、土钉墙及复合土钉墙结构。前两种支挡型式通常采用深层搅拌或旋喷来加固土层，这两种方法适用于开挖深度小于6m的基坑。土钉墙及复合土钉墙支护型式适用于地下水位（或采取降水措施后）低于坑底设计标高一下的基坑，出于安全考虑对于软黏土质其开挖深度一般小于5m。

（3）挡墙式支护型式为现在深基坑的主流支护型式：悬臂式排桩墙支挡型式和排桩墙加内支撑支挡结构，后者则适用范围较广，适用于各种土质和水文地质条件，对基坑深度要求较小。

（4）地下连续墙支护：地下连续墙加内支撑式、加筋水泥土墙加内支撑、排桩墙加锚杆、地下连续墙加锚杆。地下连续墙加内支撑支挡结构适用于各种地质和深度的基坑，使用范围广泛，鉴于其成本较高，对开挖深度小于10m的基坑一般不建议采用此种支挡方式。对于加筋水泥土墙加内支撑支挡结构，施工的重点和难点是水泥土的形成方法，一般的方法有SMW法和TRD法，这两种方法在当代被广泛使用。SWM法实用性广泛，不仅适用于黏性土同样适用于砂土，TRD法在各种土层中同样适用，形成的水泥土墙连续性好、加固深度可达到60m，加固效果较好；排桩墙加锚杆和地下连续墙加锚杆支挡结构[2]。在利用桩（墙）的嵌入稳定的同时，也利用了锚杆与土层的摩擦约束，适用于摩擦系数较大的砂土和硬黏性土层。

三、深基坑支护体的优化方法

（1）深基坑的优化的原则[3]：是在保证安全的前提下，寻求经济最优化和施工最简易，使整个施工过程能安全、经济、高效、有序的进行，即在安全的基本要求下，使施工相对方便、工期相对较短、造价相对较低的优化方案。《规程》[1]对基坑支护方案的优选给出了一些规定，例如支护结构的选型要兼顾到结构的空间效应和支护体系的受力特点，并依据基坑周围环境、开挖深度、工程和水文地质条件、施工工艺和施工设备等因素综合考虑。

（2）深基坑支护体系优化方法：优化设计按优化程度的不同，大体可分为三级优化：系统优化、细部计算优化、动态反演优化[4]。系统优化是对设计和施工方案的优选，依据国家标准和工程实际，在适用性的基础上简化设计和施工，选出最优方案；细部计算[5]优化是在选定方案后对该选定方案的细节优化设计，如计算模型的选取和间距尺寸的调整；动态反演优化是在类似工况下，利用已经取得的监测数据反求土层参数和初始状态，进而准测预测后续工序的改良方案，即利用模拟对工程的动态进行控制优化。

结束语：随着城市高层建筑建设规模的增加，将越来越多采用深基坑方案进行施工建设。深基坑由于地下施工的危险性，必须要采取支护措施。对于深基坑支护方案的设计和施工是深基坑施工中的关键，应该谨慎、认真，同时密切监测。传统的基坑支护手段，较为单一，难以适应复杂的地质条件和基坑周边建筑环境，将来应该将多种科学的支护手段相互结合，才能满足复杂条件下的深基坑支护要求。

参考文献：

[1]晁得祥：《建筑工程深基坑支护方案的涉及》2017（06）：46-48.

[2]王立军：《深基坑桩锚支护优化研究及数值模拟》.2016

[3]冷伍明：《深基坑支护结构设计的优化方法》.2017（06）：1201-1204+1211.