基坑支护工程的优化设计及应用探究

王义兵 王玉杰

【摘要】文章结合实际情况分析了基坑支护工程的优化设计，以及对基坑支护的应用研究。

【关键词】基坑支护；优化设计；应用

一、优化设计的原则

1.支护方案的选择及优化

支护方案选择的目的是使深基坑工程在安全的前提下总体造价最小。通常根据基坑周边环境的严峻程度，结合基坑开挖深度、工程地质和水文地质条件来确定支护方式；支护方式的确定也要考虑不同环境条件约束下的基坑或基坑各边不同的“安全度”。国家行业标准《建筑基坑支护技术规程》（JGJl20-99）明确划分出了不同安全等级基坑侧壁相应的支护结构选型和重要性系数。

1）无支护或简单护面的放坡方案最为经济，如果场地空间允许且无深厚软土，应优先考虑。当基坑开挖深度>5m时，考虑到放坡增加的土方开挖、外运费用以及地下室周边回填费用，有时采用放坡方案反而不一定比喷锚网支护方案经济。这时可考虑采取联合支护方式，如基坑边坡上段适度放坡，下段采用喷锚网支护。喷锚支护是由喷射混凝土面层、锚杆、钢筋网等联合组成的支护结构，通过对土体的嵌固、加筋作用，与土体形成共同工作体系。2）悬臂桩和水泥搅拌桩挡墙方案只适用于开挖深度在6-7m以下的深基坑工程。一般来说，悬臂桩的嵌固深度，必须达到悬臂高度的1-2倍，由于悬臂桩承受的弯矩很大，因而其侧向位移也很大。因此，当采用悬臂桩支护形式时，应考虑到基坑周边环境对基坑位移的敏感程度。当悬臂桩支护方案不可行时，可采用喷锚支护与排桩联合应用，即基坑边坡上部采用喷锚支护，下部采用护坡桩（或加锚杆、内支撑），以降低基坑工程造价；或者，直接采用桩—锚杆（内支撑）支护结构。当地下连续墙作为地下室外墙时，采用地下连续墙方案也能起到节约资金的作用。

2.支护结构体的优化设计

支护方式确定后，可进行结构整体及土体的补强。①对结构体的补强。根据受力分析和大量工程监测资料表明，支护桩桩顶位移、桩身变形以及桩身钢筋应力都是中间桩大，在基坑拐角附近（约l/5基坑边长处），支护结构受力较小，可适当减小桩长和配筋数量或采用单排桩与双排桩混合形式；对于钢筋笼易控制的人工挖孔桩，可采用单面配筋以减小配筋数量。另外，在基坑拐角处设置斜撑，费用不多，但却可以大大增加支护结构的整体刚度及稳定性，设计时应优先考虑。对具体方案的细部进行优化计算时，如锚杆或支撑点的位置和层数、支护桩的桩径和桩距等均可进行优选。②对土体的补强。对土体的补强，一般对被动区土进行加固。当加固深度Hr/H（Hr）被动区补强体砌入基坑底的深度，H-基坑开挖深度）为015-016时，效果最好。对于深、厚流塑至软塑粘性土层的深基坑，支护结构体前的主动土压力非常大；另一方面，在基坑开挖过程中和开挖后，由于土体自重应力释放、土体松弛与儒变以及支护结构向坑内的变形挤压等方面原因，导致坑底隆起变形和坑底下一定范围内土体强度的降低。为了控制支护结构的侧向位移，减少坑底隆起，降低工程造价，可在基坑开挖前一定时间（加固土体的硬结时间）内，对支护结构被动区进行加固。加固的形式有格构式暗撑、齿形暗扶壁和暗墙、微型桩、高压注浆等。

3.施工工艺的优化

1）开挖方式。基坑开挖实际上是一种卸荷作用，这种作用扰动了场地初始应力场，土体的形变场也就随之调整。控制卸荷方式及卸荷速率，就可以控制基坑边坡土体变形量与变形方式，而后者与支护工程的结构及支护结构强度有着密切的关系。对于大型基坑，挖方量极大，如果全面开挖，则基坑周边暴露的时间很长，将产生过量变形。若依靠提供支护作用力来抵御这部分变形，则必然要扩大支护结构的尺寸，由此增加了支护的费用。如果采取“大基坑小开挖”，“盆式开挖”，“分段开挖”等卸荷方式，基坑边的暴露时间偏短，作用在支护上的土压力必然减少，这对于降低支护工程造价，提高支护结构的稳定性都是有利的。

2）开挖的时空效应。按“分段、分层，对称、及时”的原则，快挖快撑，及时形成基坑围护结构的整体受力体系。大量工程资料表明，开挖顺序不同引起支护结构的位移不同，从中间开始向纵深和两侧扩大的中心岛法开挖顺序，与从一个方向向另一个方向顺序推进的开挖方法相比，能可靠而合理地利用土体自身在基坑开挖过程中控制土体位移的潜力而达到控制基坑土体位移，对基底隆起和桩后地面沉降有一定程度减少。特别是对于有深、厚流塑状淤泥质土的深基坑，如果采用重型挖土机从基坑一边向另一边挖土推进，很容易造成坑底工程桩向一个方向位移。

4.信息化施工

深基坑工程是土体、支护结构、周边环境相互共同作用的一个动态变化的复杂系统，由于岩土材料的不确定性和试验数据的离散性、支护结构设计计算模式的简化、周边环境的复杂性以及降雨、施工质量问题突发或偶然事件的不良影响等等原因，仅仅依靠理论分析和经验估计是难以完全把握基坑支护結构和土体的变形及破坏过程与特征，也难以完成可靠而经济的基坑支护过程。因此，通过施工时对整个深基坑工程系统的定期监测，直接了解其变化的势态，利用监测信息的反馈分析，较好地了解系统的变化趋势。当出现险情预兆时，可作出预警，及时采取措施，保证施工和环境的安全；当安全储备过大时，及时修改设计，削减围护措施。还可根据定期监测得到的信息，反演计算参数，根据反演计算参数重新分析计算进行正分析变形预测，必要时适当修改设计或施工步骤，再继续施工和监测。

二、基坑支护方案设计应用

某工程商住楼有一层地下室，基坑面积5800m2，场区自然地面比±0.00低0.7m。底板底标高为-4.8m，梁底标高-5.6m，宽0.4m。经综合分析基坑安全等级为二级。场区地貌单元属于长江二级阶地。表层为杂填土，厚2.3-4.5；其下为第四系全新统冲、湖积淤泥质粘土，灰色、流塑、饱和，为高压缩性土，厚2.8-11.1；该层中部夹厚约0-3m可塑性粉质粘土，中等压缩性土，该夹层土个别孔缺失。粉质粘土，灰色、可塑、中等压缩性土，厚0.0-3.9m。下部为第三系老粘性土及冲洪积粉土、砂土。

1.基坑特点

1）地下室形状大致呈矩形，开挖面涉及到的地层主要为第①层杂填土，厚2.3-4.5m；第②层淤泥质粘土，流塑，属中高压缩性，强度低，基坑开挖深度范围内的土层主要为该层，其对坡脚稳定不利，应妥善处理，下部为第③层粉质粘土夹粉土，硬塑，厚4.9-10.0m。2）场地北侧环境较开阔，地下室边轴线距紫阳东路的道路红线为15.0m；南侧地下室开挖边线距最近的已有二层（FE段煤气站）约18m，GF段开挖边线距己有8层住宅楼东北角为7m；西侧地下室开挖边线距晒湖路围墙3.55m，大门设在该侧；此三侧都可有一定的放坡余地。场地东侧环境严峻，地下室开挖边线紧邻小区道路，距最近的已有建筑物约7.9m。该建筑为桩基础，该段无放坡余地，需垂直开挖。

2.基坑支护方案选择

原设计方案：按最不利因素考虑，不考虑第②淤泥质粘土层中夹可塑性粉质粘土夹层，计算时考虑的重点是坡脚及坑底深厚软土对稳定性的影响。对基坑分3个剖面进行设计。由于坡脚以下存在软弱土层，有放坡余地的北侧采取卸土减载、表面土钉挂网喷射混凝土的方案。其它三侧没有太大的卸载空间，必须采取有效措施来抗隆起，宜施工大口径的桩控制软土侧移。设计采取人工挖孔桩+喷锚支护的复合支护措施，由于桩径大的桩桩间距较大，在桩中间施工小口径的桩来防止淤泥质土外流。

结语

总而言之，基坑支护设计方案的优化应密切结合基坑周边环境特点，采用灵活多样的支护方案。采取“大基坑小开挖”，“盆式开挖”，“分段开挖”及“分段、分层，对称、及时”的时空效应理论进行施工工艺的优化设计是基坑优化设计的保证，同时必须辅以信息化施工手段。