市政工程软土深基坑分区组合支护设计*

孙 胜

(宣城职业技术学院建筑艺术系，安徽 宣城 242000)

引言

市政工程是地方政府依据自身义务与责任在城市规划范围中建设的建筑物或者设备，这些建筑过程一般为有偿或者无偿形式，一般是为城市居民服务而建设，该类工程都是政府规划城市建设时所需要完成的工程，因此建设要求较高.无论哪个城市，地下都蕴含丰富的地下水，水层附近会形成淤泥型软土[1].市政工程多涉及城市建设规划项目，其中排水管道修建和隧道建设的工作，不可避免需要对软土实行挖掘和施工，为解决软土对于工程进度造成的影响，需要在施工过程中采取相应措施[2].

施工过程中对地面开挖以后会形成一个基础空间，这个空间就是基坑，针对基坑开展的工程是一个比较复杂的过程，一旦工程开始，形成基坑以后不但需要考虑到周边环境以及基坑四壁之间的安全性，还需要综合考虑经济成本与建设施工的整体可靠性.施工中最需要优先考虑整体结构在施工过程中的便利性.部分市政工程体量较大，地下挖掘部分属于软土基坑超大型支护工程，这类工程需要关联各种因素，在实际施工过程中需要对各类矛盾多方考虑[3-5].目前相关研究多集中在计算支护结构、施工环境优化、维护基坑稳定性等方面，但是不同地区，地层条件存在差异，气候、温度等众多影响因素都会对大面积的软土深基坑造成影响，若想同时满足基坑安全维护与环境保护的要求，需要综合使用围护结构技术[6]，运用更加合理的空间组合降低组合支护之间存在的结构矛盾，使得市政工程或者其他工程更加具有经济性与安全性[7].本文研究市政工程软土深基坑分区组合支护设计方法，并综合两种设计方法，寻找最优最安全的组合形式，实现软土深基坑的支护设计.

1 软土深基坑分区组合支护设计

1.1 工程概况

本文所研究的市政工程为某地政府大楼修建工程，开挖日期为2019年8月27日.该工程项目包含一个庞大的双层地下室，基坑的开挖深度为9～11 m，最深开挖深度接近14 m，施工周长与开挖面积分别达到1 800 m与5.8万m2，以工程体量计算属于超大型深基坑挖掘工程，由于该工程靠近河流水脉，挖掘后的基坑周围淤泥质软土厚度接近18 m，这些软土严重影响基坑施工安全与施工稳定性，需要采取有效的支护措施解决这种情况.由于该市政建筑处于城市中心交通要道，地下线路管网密集，地上及地下环境都极为复杂，实际施工时，难度巨大.工程地层分布情况见表1.

表1 工程区域土层分布情况

除表1中工程区域地层概况以外，导致工程区域出现软土的主要影响水系是第四系土层中空隙承载的压力水与地面表层滞留的积水，第四系土层中的水是周围河流渗入土层的地下水，该水与河流水之间形成互补关系，所以水量充沛，最高水位能达到18 m，年平均水位在2.5～4.5 m之间.本文所研究的市政工程根据工程整体需求情况，需要整体开挖工程主体土地，后期再挖掘地下室与联络通道[8].

1.2 分区组合支护设计方案

开展支护设计时考虑到水泥挡土墙只能解决浅基坑支护问题，所以本文研究中使用复合土钉支护结合拉锚式排桩的分区组合支护设计方案，提升市政工程软土深基坑支护的稳定性与安全性.

本文市政工程软土深基坑上道位置属于浅坑，深度约为5.4 m，实行支护时使用三轴水泥搅拌桩挡土墙，所用水泥搅拌桩长度约为10.2 m，利用三轴型钻掘搅拌机作为施工机，该软土深基坑上道位置支护设计时还需要在基坑竖直方向布置四排土钉，该土钉是直径4.9 mm×3.1 mm的钢管，各个土钉之间的水平间距设置为1.3 m，竖直间距则为1.2 m，以梅花的形状排列土钉，在10 cm的面层厚度处使用喷射的方式布置强度为C20的细石砼作为高压喷射注浆，该土钉的内部还需要配置双向钢筋网片，网片直径为0.66 cm，间距为20 cm[9].

下道位置属于深坑部分，支护设计时使用拉锚式排桩支护形式.支护桩是沿基坑下道边缘每1.5 m布置一根钢筋混凝土(强度为C25)，所使用的支护桩数为85根，每根支护桩的直径均为1 m，在支护桩的顶部设置标高为-7.2 m的帽梁顶，桩尖深入到第4层土层中，确保入土深度大于1.3 m.锚杆布置在1～3层的土层中(布置依据是软土基坑开挖深度)，在岩层和土层中分别钻出锚杆孔，直径分别为16 cm和13 cm，锚杆的拉绳是直径为0.6 cm的钢绞丝.设定1.6 m作为锚杆水平间距[10].

对于支护桩使用的配筋数量需要实行计算，计算配筋量时，需要先计算得出圆形截面的配筋量，受拉区域100°～120°范围中需要使用一半支护桩配筋量实现分布，针对受压区域，只需要按照支护桩结构实现配筋即可.这种配筋方式不但能够降低钢筋整体用量，同时能够符合支护桩整体结构的抗弯要求.通过计算结构，获得支护桩水平位移和拉力等力学性能.

本文采用数字化方法解决钢筋混凝土柱的配筋问题.对于基坑工程施工中的各个截面来说, 将其所受到的内力Pi、Mxi、Myi由基坑工程的钢筋面积及中和轴位置确定.为此 ,本文构建以下三个方程式:

P=f(y1,y2,As)

(1)

Mx=G(y1,y2,As)

(2)

My=G(y1,y2,As)

(3)

式(1)～(3)中，P表示截面所受内力，Mx与My表示中和轴y1与平行轴y2二直线交点的纵坐标.As表示为钢筋的面积 .解此方程组, 就能够可求得钢筋面积及相应的中和轴位置. 假定中和轴位置和钢筋面积为已知量, 我们可得到相应的截面内力Pi、Mxi、Myi, 它们也为y1i、y2i、Asi的函数,即

Pi=F(y1i,y2i,Asi)

(4)

Mxi=G(y1i,y2i,Asi)

(5)

Myi=G(y1i,y2i,Asi)

(6)

令dPi=P-Pi, dMxi=Mx-Mxi,dMyi=My-Myi, 则当dPi、dMxi、dMyi小于某一值时, 这时的y1i、y2i、Asi即为设计所需值.

当截面抗力都由钢筋承担时，通过平衡条件获得轴力和配筋的计算式，用无量纲形式表示为：

(7)

(8)

式(8)中，ns、ns1表示深基坑支撑轴力的水平与竖直方向受力，ω、ω1表示此时应变，as、as1表示深基坑支护垂直载荷以及侧壁承担水平载荷.据此得到配筋结果.

2 设计方法分析

为验证本文方法设计的合理性以及支护效果，实现市政工程软土深基坑分区组合支护设计，对该市政工程实施基坑监测.从工程深基坑开挖之始一直到2019年11月15日(监测日期)始终保持工程支护监测，支护墙体位移情况、土体位移以及水位观测等都是主要监测内容，监测点布置与支护位置相对应.

2.1 监测结果分析

通过监测结果发现，支护结构的各项性能与深基坑的开挖深度呈正比例关系，边坡土壤出现的位移随深度增加而逐渐呈上升趋势，分析出现这种情况的原因，主要是由于深基坑内的土壤不断被开挖出来，在坑内的支护桩发生位移变化，导致出现了提升侧压力的情况.

监测基坑内深层位置的土体出现位移情况，发现在布置的测斜孔顶部区域出现比较大的位移，但是符合安全范围要求.对于支护墙体进行监测，结果显示，拆除深基坑水平支撑以后，支护墙的位移远大于46 mm(该值为预警值)，随着时间的增加，位移最高接近52.75 mm.分析这种超出预警值的原因，主要由于在深基坑及靠近南部的位置搭建了一个上下坡道平台，在这个平台上出现一个与基坑平行的裂缝，裂缝宽度接近6 mm，经过分析发现，可能导致这种裂缝出现的原因是：

1)在深基坑南部设置的几个监测点(A、B、C)处于深度较大的基坑附近，最深处的深度达到16 m，该处支护桩及墙体承受了更大的土体压力.

2)该市政工程软土深基坑的南部堆积较多钢筋，在监测点C附近还设置了用于运输土体的栈桥，较大质量的运输车辆从这个位置运输土体，造成在这个支护结构和边坡土体中存在较大荷载.

3)在监测点B附近存在一个塔吊，在工程进入下一个进度之后，部分混凝土残渣被塔吊运出，导致装吊荷载升高，造成塔吊周围的边坡出现比较严重的水平变形，这种变形在最严重的情况下造成监测点B的顶部累积位移大大超出预警值.为解决这种情况，施工方采取措施降低塔吊的装载荷载，这种措施在一定程度上降低了监测点B顶部位置的位移，使位移状态实现收敛，在该措施使用一段时间以后，位移逐渐回落到预警值以下.

2.2 监测点分析

监测支护轴力的预警值为11 800 kN，检测点为深基坑南部，监测点编号分别为X、Y、Z，统计监测结果显示，在挖掘施工过程中，接近标高位置时，三个轴力监测点均出现较高的同时段预警信息，对这种预警情况展开深入分析发现，监测点Y与监测点Z设置于深基坑的东面环梁上，在深基坑西南角位置的环梁上则布置监测点X，建设所需要的钢筋都堆积在深基坑的南面，土体运输车辆从深基坑的西南角驶出施工区域，施工便道接近基坑东面的土体边坡.综合以上多种情况，承载较大压力的土体运输车辆以及质量较大的钢筋配件与钢筋本体大量积压在东南方向的环梁上，对东南环梁产生极大荷载，造成该区域的环梁轴力出现明显升高.在实际的建筑施工中，可以通过混凝土浇筑支护桩与建筑底板等措施降低环梁轴力，使得环梁轴力逐渐降低.本文以监测点X为例，对监测点X环梁轴力变化情况进行分析，结果如图1所示.

图1 2019年监测点X环梁轴力变化情况

从图1中可以看出，2019年9～11月这3个月之中，从初始阶段监测，由于各因素影响，环梁轴力升高并超过预警值，但是在施工过程中不断采取措施，改进施工现场情况，环梁轴力逐渐下降，10月9日开始轴力逐渐回落，说明除去外部因素干扰，本文设计的组合支护方案能够获得良好的软土深基坑支护效果.

Y监测点位置环梁轴力变化情况见图2.从图2中能够看出，在2019年9月6日后,Y环梁轴力明显上升，后期经过调整，10月8日之后，环梁轴力逐渐下降，说明除去外部因素干扰，本文设计的组合支护方案能够获得良好的软土深基坑支护效果.

图2 2019年监测点Y环梁轴力变化情况

Z监测点位置环梁轴力变化情况见图3.分析图3可知，对于监测点Z来说，2019年9月6日到10月8日，Z环梁轴力明显处于较高水平，在10月8日之后，Z环梁轴力逐渐下降，这表明在3个月的施工期内本文设计的组合支护方案能够获得良好的软土深基坑支护效果.

图3 监测点Z环梁轴力变化情况

统计研究对于软土深基坑的施工情况，在3个月的施工期内各监测点反馈的结果均在规定范围之内，说明本文设计的组合支护方法能够实现良好的支护效果.

3 结论

本文研究设计市政工程软土深基坑分区组合支护方法，使用组合支护的方式实现市政工程的稳定安全生产建设.综合来看，对于靠近水系附近的建筑工程，地下水资源丰富，建筑施工向土层深处挖掘时更容易遇到软土，这类软土不利于工程开展，因此需要采取支护手段实现软土深基坑建设.相比于单独支护手段，本文这类组合支护方法能够有效解决随着挖掘深度增加导致的软土危险系数升高问题，提升了市政工程软土深基坑分区组合支护设计，通过监测结果也验证了本文方法的支护结果能够有效实现安全施工.