深基坑工程设计的优化原理与途径

詹龙晔 倪政东 庄书伟 吴载啟 魏天榕

摘 要：深基坑工程具有挑战性强、高风险、难度也高的特点，本文基于城市建设用地存在较大局限性，当前社会的发展又对深基坑工程提出了较高要求的背景下论述了深基坑工程的优化设计原理，并提出了几条深基坑工程优化设计的途径。

关键词：深基坑；设计；优化原理；途径

1.前言

随着我国经济与城市建设的飞速发展，城市建设用地存在着较大的局限性、周围环境也相对严峻，深基坑工程在开挖与维护的过程中较为复杂且受不确定因素影响，在此情况下深基坑工程即变成了一个挑战性很强、风险很高、难度也高的岩土工程技术课题。在一定程度上，主要由于深基坑的工程涉及面广、深基坑工程由多个环节连环构成，任何一个环节失控都将对工程造成消极的影响、并且深基坑工程不是一个简单的孤立的支护工程等因素，使得深基坑工程成为一个复杂的系统工程。想要实现高质量完成深基坑工程的前提是需要一个优秀的工程方案，即优化设计，这样才能有效地让深基坑工程真正实现安全、经济，这也是当前亟待解决的课题之一。

2.优化设计原理

深基坑工程的优化设计主要从技术的可靠性及施工是否可行、经济效益、环境影响因素和工期四个方面展开。深基坑工程的优化设计主要根据阶段的进展状况，分为三级优化，其由系统优化、设计计算优化和反演分析优化三部分组成。系统优化，指的是方案优化，即根据某一具体的深基坑工程所要达到的目标选取一个最佳的设计方案。设计计算优化即指在确定相应的支护系统后，细化具体的方案并进一步优化计算，其目标是致力使深基坑工程总体造价达到数值最小。深基坑工程系统优化是整个深基坑工程优化设计至关重要的一步，也是整个深基坑工程优化设计的第一步，其由深基坑工程的概念设计、支护结构与地下水处理及周边环境保护措施等方案的优化选择。支护系统设计应当基于概念设计再着眼于可行方案的筛选与优化。

深基坑工程的概念设计是深基坑工程一种面向问题的方案设计方式，其贯穿了深基坑工程的一种整体设计思想。深基坑工程的概念设计是从解决问题的关键点着手，根据深基坑具体的几何特征、土层特征、地下水特征及环境要素等再进行相应具体方案的选取；紧抓问题的关键节点，在定性的基础上确立具体问题的相应对策措施。由于深基坑工程实践性很强且相对复杂，当前，一方面存在理论落后于实践的现象，这样就导致实践缺乏良好的导向，例如一些新技术新工法的应用和在相对复杂地质条件下开展施工深基坑工程；另一方面，一些理论和算法与模拟施工过程、实际施工工序不契合，不能反映出实际而具体的去年高考。此外，岩土材料也存在着不确定性以及受地域性的约束。所以，深基坑工程概念设计的主要途径有建立在“经验法则”基础上的工程类比方法及“专家系统”，而具有时代气息的信息化施工法是深基坑工程概念设计的必然趋势。

3.优化设计途径

3.1根据具体情况选用支护方案

一般情况下无支护或简单护面的放坡方案是最经济的选择，当基坑开挖深度要求较高时，可考虑采取联合支护型式，例如采取基坑边坡上段适度放坡，下段采用喷锚网支护的方式。喷锚网支护是一张岩土原位加固技术，其主要由喷射混凝土面层锚杆、钢筋网等联合组成的支护结构，通过对土体进行嵌固、加筋作用，与土体形成共同工作体系。在土性较好的地层和基坑工程抢险中，网支护较为适用。在深度大于6m小于7m的深基坑工程中，悬臂桩和水泥搅拌桩挡墙组合的方案较为适用，由于悬臂桩承受的弯矩很大，其侧向位移也很大。当采用悬臂桩支护的方式时，还应注重基坑位移对基坑周边环境产生的影响。在基坑支护方案选用时，还应当充分考虑基坑空间效应，力争使其达到优化的目的。

3.2根据深基坑周边环境特点选用支护方案

在深基坑的施工过程中，其周边环境也是重要决定因素之一，应当充分考虑基坑开挖地点周边环境的严峻程度，再充分结合基坑开挖的目标深度、工程地质等条件确定相应的支护方案。在确定支护方案时充分考虑环境因素便于基坑工程的开展及安全系数的控制，且有利于选取经济效益最佳的方案。国家行业标准《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）中明确划分了不同安全等级基坑侧壁相应的支护结构选型及重要性系数。

本论文基于一项深基坑工程案例相关数据作出分析，地点位于上饶市，此深基坑工程的相应指标为：开挖面积为10000㎡左右，基坑各篇开挖深度不一，分别为10.3m，8.6m，8.3m和6.3m，整个基坑周边以φ800mm，间距1.2m的钻孔灌注桩排作主要支护结构。另根据各边不同的开挖深度、环境及地层情况，再确定是否增设预应力锚杆和锚杆的排数。以下是不同安全等级与支护结构对比表。

据相关的工程监测资料表明，在深基坑开挖和基础施工过程中，应保证周边环境不受任何大的不良影响，这种设计方法及安全又经济。

3.3采取有效的地下水处理措施

在深基坑工程的施工过程中还应控制好开挖场地的地下水，这是一个难题。深基坑工程开展中，处理地下水有降水措施、防水措施及降、防联合措施三种方式。降水方式也多种多样，按将水所处的位置可分为坑外降水和坑内降水两类；按疏干地下水方式可分为为抽排疏干型和导渗减压型两类；防水措施主要采用竖向防渗围幕和封底的方式。一般而言，降水措施较于防水措施更为经济。然而，降水引起地面下降对基坑周边环境会造成相应的消极影响。因此，降水方案提出了在满足基坑开挖施工需要的前提下将坑外地下水的水坡力度和压降或水位深度降至最低，这样就能对周边的环境产生的影响控制到最小。据大量的实践调查显示，降水与打防渗围幕或回灌技术相结合的地下水处理措施能够在满足基坑开挖施工需要的前提下保护基坑周围的环境，且经济安全。

3.4重视信息化施工

深基坑工程是由一个土体、支护结构、周边环境构成的共同作用的复杂的动态变化系统。仅依据理论分析难以制定出一个经济效益高、可靠的基坑设计方案，因為设计方案的选取要考虑的因素很多，而其中的一些影响因素难以把控。例如岩土材料的不确定性、实验数据的离散型、复杂的周边环境以及偶然事件等。因此，在施工过程中应当实时定期监测整个深基坑工程系统，充分了解变化的趋势，并对监测反馈的信息作出科学合理的分析，并提前进行预测。当出现险情预兆信号时，及时作出预警，并采取相应的精致处理措施，保证施工与环境的安全；当安全储备过大是，应当及时作出相应的修改设计，对围护措施进行相应的削减。并且，还可以根据定期监测所获取的信息，反演计算参数，并根据反演计算参数重新分析而进行整分析变形预测。在必要的情况下，应当根据具体的情况对工程设计及施工步骤作出适当的修改，再继续施工、监测。通过信息化施工，在一定程度上能够有效地提高施工的安全系数，并制定合理的方案，让施工过程效率高，经济效益较好。

4结语

深基坑工程是一门相对复杂的系统工程，要充分考虑到周边的环境，复杂的技术问题，且要选取经济效益较高的深基坑工程设计。本文提出的优化途径较为普遍常用，要想深基坑工程设计优化取得更好的进展，还需要人们不断地探索和研究。

作者简介

詹龙晔（1990-），男，汉族，福建龙岩人，助理工程师，研究方向：岩土工程。

（作者身份证号码：350802199001037719）