复杂地质条件下深基坑多层支护方法研究

赵晓光

(三亚崖州湾科技城开发建设有限公司， 海南 海口 572000)

0 引 言

深基坑支护体系作为一种在岩土工程深基坑工作中起到支撑作用的临时结构,是保障岩土工程能够顺利完成的有效方式,由于深基坑支护施工过程会受到地质岩土条件、气象条件以及水文地质条件等环境因素的影响,导致深基坑支护难度较大,危险性较高,且综合性和复杂性较强,一直以来深基坑多层支护都是土木工程、岩土工程等领域科学研究的难点和热点[1]。但是相对于建筑业的发展迅速,深基坑多层支护理论和相应的建筑规范还不够完善,尤其是在一些复杂地质条件下,深基坑多层支护实际施工过程中经常会发生工程事故[2]。有关数据统计显示,复杂地质条件下深基坑工程事故发生的概率占深基坑工程事故总量的58.64%,一旦在施工过程中出现工程事故,不仅会影响到深基坑工程进度,而且还会造成人员伤亡和经济损失,进而提高深基坑工程造价,因此在施工过程中必须采用有效的深基坑多层支护方法[3]。用于深基坑多层支护的方法主要有注浆法、锚固法、支护法、腰梁法等。这些传统方法虽然能够满足大部分深基坑多层支护需求,但是在复杂地质条件下,传统方法在实际应用中会出现周围土体的下沉量较大、支护质量较差的问题,导致传统方法并不适用于复杂地质条件下的深基坑工程,因此提出复杂地质条件下深基坑多层支护方法研究,为复杂地质条件下深基坑多层支护研究提供理论依据。

1 放坡开挖

此次结合复杂地质条件下深基坑项目施工需求,设计一种多层支护方法,采用桩顶放坡+桩锚支护体系的支护形式,共经历放坡开挖、支护桩施工、预应力锚索施工三个流程,以下将分别对该三个施工阶段进行细致分析。根据本工程的特点、场地地质条件及基坑周边建(构)筑物、管线分布情况,经过调查了解与该地区的工程类比,基坑支护采用桩锚结构+桩间挂网喷射混凝土复合支护结构形式,有箱涵段设置双排支护桩,外排采φ1 000人工挖孔灌注桩+预应力锚索支护方式,内排采用φ600钻孔灌注桩+钢筋锚杆支护方式。截水措施采用桩间高压喷桩止水措施。

放坡开挖是深基坑多层支护体系的基础部分,开挖前首先要考虑深基坑周边环境以及地质特征确定放坡形式,其包括不分级放坡和分级放坡两种形式,如图1所示。

图1 放坡开挖结构形式

在深基坑地面比较平缓的地区选用不分级放坡形式,在深基坑地面坡度比较大的区域选用分级放坡形式,以此保证放坡开挖质量[4]。由于放坡开挖会引起深基坑周围土体应力重新分布,从而产生位移,因此在开挖过程中要根据开挖荷载来确定放坡开挖深度和宽度,其计算公式如下:

F=∑[δ]·γ·n·m

(1)

式中:F为放坡开挖荷载;[δ]为深基坑周围土体自重应变矩阵;γ为开挖产生的应力矢量;n为放坡开挖深度;m为放坡开挖宽度。为了保证开挖的安全,在开挖过程中需要严格坚持对称、平衡的原则,并且采用“横向分段、竖向分层”的开挖方法。由于放坡开挖会破坏深基坑周围浅层地下水结构,随着开挖深度的加深,深基坑内可能会出现积水现象,这样会影响后期支护桩与锚索支护施工质量,因此在放坡开挖过程中需要做好深基坑排水措施。每个开挖段中进行分层开挖,并且需要确定合理的开挖深度和开挖坡度,以使挖完后的深基坑周围土体能够依靠自身的强度让深基坑保持稳定的状态,每次开挖深度不得超过3.5 m。在开挖纵向放坡时,坡度需要控制在1∶2∶5,这是一个标准开挖纵向坡度,还可以根据实际工程需求对其进行调整[5]。为了保证放坡开挖施工效率,对基坑中间预留部分土方可以利用挖机进行开挖,深基坑其他部位放坡开挖采用人工开挖方式,这样可以更好地控制开挖精度。挖机开挖高度不得大于5 m,并且在开挖深基坑中间段土方时要与周围土方保持不大于1∶3的坡度。每层完成后需要立即进行土钉墙边坡防护,两项工作需要进行交叉作业,以此完成放坡开挖施工。

2 基坑边坡支护桩支护

完成边坡开挖后要对边坡表面进行清理,将边坡表面上的松散土体清理干净,对其进行支护桩支护。复杂地质条件下深基坑多层支护方法的可行性与可靠性往往取决于支护桩的尺寸范围,通常情况下支护桩钻孔的直径范围在350～550 mm,因此采用的支护桩直径介于330～530 mm。而在复杂地质条件下深基坑多层支护中,支护桩的轴向张拉荷载不得超过支护桩预应力钢筋强度标准值的0.89倍,因此在该前提条件下可以计算出支护桩的截面面积,其计算公式如下:

(2)

式中：A为支护桩截面面积;N为支护桩设计轴向拉应力;η为支护桩的抗力分项系数;f为支护桩钢筋与钢绞线的强度标准值。除此之外,还需要计算出支护桩的长度,其计算公式如下:

(3)

式中:L为支护桩长度;D为土层支护桩桩体直径;q为土体与支护桩之间的黏结强度。根据以上支护桩参数进行支护桩施工,首先在边坡及坡顶1.5 m范围内布置一层钢筋网,用于固定支护桩,钢筋网安装时需要尽量与坡面贴近[6]。然后利用钻机在边坡处钻孔,钻孔间距在2.5～4.5 m,可根据深基坑实际条件确定钻孔间距。然后采用径向注浆方式向钻孔内注浆,注浆材料选用M45的水泥净浆,从而形成支护桩,在注浆过程中,必须保证注浆管埋设位置的牢固性,以便取得良好的止浆效果,以此完成基坑边坡支护桩支护施工。

3 预应力锚索施工

支护桩施工完成后,为了使深基坑更加稳定和牢固,还需要再施加一层预应力锚索支护。其施工过程分为冠梁、排桩、腰梁、锚索四个阶段。首先在支护桩顶部位置设置一个冠梁,采用22号钢筋,将所有支护桩连成一个整体的钢筋混凝土梁,增强整个深基坑支护体系的整体性;然后沿着深基坑周边设置排桩,防止深基坑周边土体结构下移;在排桩与支护桩中间腰部用18号钢筋连接在一起,形成一个腰梁,分担排桩与支护桩构件上的拉力;最后利用钢绞线将预应力锚索一端通过锚头与主受力支护构件连接,预应力锚索另一端固定在深基坑区域内稳定的岩土或岩层中,以此完成预应力锚索施工,进而实现复杂地质条件下深基坑多层支护。

4 实 验

4.1 实验过程

实验以某深基坑为实验对象。该深基坑地表高低不平,中间高、四周低,±0.00对应绝对高程为586.46 m,且地面标高介于486.92～487.56 m。深基坑整体呈梯形,底口线周长为488.69 m,地形条件比较复杂,且深基坑周围岩土体稳定性较差,需要对其进行多层支护。现运用此次设计方法与传统方法对该深基坑进行支护,施工过程中设置A、B、C、D、E 5道锚索,其中锚索A抵抗力为486.615 kN/m,锚固力为346.48 kN/m;锚索B抵抗力为459.485 kN/m,锚固力为468.15 kN/m;锚索C抵抗力为593.445 kN/m,锚固力为593.85 kN/m;锚索D抵抗力为693.481 kN/m,锚固力为593.48 kN/m;锚索E抵抗力为646.481kN/m,锚固力为762.62 kN/m。实验记录两种方法施工完成后沿平行于深基坑边线路径的深基坑周围土体下沉量,将其作为实验结果。

4.2 实验结果

根据上述设计的实验过程,采集实验数据即两种方法应用下深基坑周围土体的下沉量,并绘成图，以更加直观地表现出两种支护方法的差异,如图2所示。

图2 两种方法深基坑周围土体下沉量

从图2可以看出,应用此次设计方法,深基坑周围土体的下沉量远远低于传统方法,证明此次设计方法适用于复杂地质条件下深基坑多层支护。

5 结束语

此次结合相关文献资料,对复杂地质条件下深基坑多层支护方法进行了研究,对整个深基坑工程和多层支护体系的安全稳定具有重要作用,可以有效提高深基坑工程安全性和稳定性,有助于复杂地质条件下深基坑工程能够按期完成,对岩土工程实际施工中类似复杂地质条件下深基坑多层支护施工具有重要参考和借鉴意义。由于此次研究时间有限,虽然在该方面取得了一定的研究成果,但还存在一些问题有待进一步探索,今后将从深基坑多层支护结构的设计方面进行深入研究。