岩土工程基坑支护设计及应用研究

赖桥

（广东核力工程勘察院东莞分院，广东东莞 523000）

岩土工程基坑在支护作业中存在较多的安全隐患，出现此种问题的原因是基坑工程大多为临时性工程，施工方没有在工程作业中给予此方面足够的关注，导致基坑由于结构不稳定导致的塌方、滑坡等安全事故屡见不鲜[1]。为了保障基坑结构的安全性，本文将对基坑支护设计展开进一步的研究，实现对原有支护技术的优化，提高基坑结构的稳定性。

1 岩土工程基坑支护设计

1.1 支护桩体系选型

为了提高岩土工程基坑结构的稳定性，应在支护设计前，进行支护桩体系的选型。目前，建筑市场内较为常用的支护体系包括排桩结构、SMW 工法桩结构、地下连续墙结构。下文将基于常规支护设计层面，进行不同类型支护桩体系优缺点的分析。

地下连续墙支护结构主要是使用成槽机械设备进行岩土工程的地下成槽设计，在基坑中下放钢筋笼，并在其上层浇筑混凝土，以此种方式，形成一个连续墙体结构，可将此结构作为基坑的挡土结构或止水帷幕[2]。施工作业的流程见图1。

图1 地下连续墙支护结构施工作业流程

按照上述流程进行地下连续墙支护结构施工作业，此种方式在实施中具有的优点有：适合复杂岩土条件作业；作业过程中几乎无噪声，可以避免噪声污染；连续结构自身的强度与刚度较为显著，因此可以认为此结构具有较高的承载力与安全系数；具有地下水防渗漏的效果。缺点有：在较为松软的岩土工程基坑中进行施工作业难度较大；施工时需要大型设备作为辅助支撑；施工成本相对较高。

在完成对地下连续墙结构的支护设计后，下述将对SMW工法支护体系的优缺点进行分析。此支护体系的施工方法为：使用搅拌设备，对基坑地层进行加固处理，以此种方式，确保地层中形成一个呈现“咬合排列”结构的水泥挡土墙。在此基础上，将钢筋结构插入到水泥中，使此部分结构与地层结构融合，融合后将此部分结构作为一个基坑中的组合结构[3]。在完成施工后，使用吊车操作千斤顶，对插入水泥层中的钢筋进行拔出处理，拔出后的钢筋可以在后续使用作业中反复使用。此种支护体系更适用于粘土层或软土土层，具有施工作业简单、成本低、对环境污染小等优势。但在支护过程中，结构承载力受到材料自身性能的限制。

在对岩土工程进行基坑设计时，可根据作业区域的需求与质量要求，将两种支护体系进行工艺组合，以此种方式，提高支护结构的承载力，降低支护施工的经济成本。

1.2 基坑支护结构内力计算

在完成支护体系的选择后，需要进行基坑支护结构的内力分析，并明确作用在基坑结构上层的负载作用力，除了上层对其施加结构荷载，其主要承载的作用力仍来源于支护体系上的土压力，其中土压力包括静态土、被动土、主动土等不同土层结构的压力[4]。目前，市场内大部分用于分析土压力的理论为库伦理论，基于此理论进行结构内力的分析，具有简单、通用等优势，可以同步考虑岩土工程地面坡度、墙面倾斜角、土层摩擦力等作用力对支护结构内力的影响。基于此理论的综合分析后发现，支护结构内力（即土层压力）会随着岩土结构位移变化而发生变化。两者关系可用图2 表示。

图2 支护结构内力（土层压力）与岩土结构位移的关系示意图

在掌握两者关系后，考虑到上述分析没有考虑到土体结构的极限平衡状态，因此，往往在分析后得到的结构内力要大于实际监测值，为了避免此方面考虑不周导致的基坑塌陷事故，可在完成上述相关分析后，根据支护桩插入的深度，从力学平衡角度进行结构内力的进一步分析。总之，土压力分析结构的准确度将直接影响到基坑结构支护结构的稳定性，因此，要将分析的过程设置成一个连续的过程，并将得出的结构内力关系与现场测量结果进行对接，以此种方法，确保得到的结构受力关系准确。

1.3 基坑降水井设计

为了在岩土工程项目建设过程中，实现对基坑底部地下水的有效控制，对基坑降水井进行设计。针对基坑的开挖和支护，需要根据实际岩土工程需要，以及基坑周围水文地质情况，引入对地下水的隔离和降低其水位的方式，实现对地下水流动方向和流速的控制[5]。在进行对岩土工程建设项目的基坑结构开挖时，由于承压水上覆盖的不透水层的厚度会呈现出不断减小的变化趋势，因此当其重量小于承压水的水头压力时，则在水头压力的作用下，基坑会出现地下水突涌的问题产生，如图3所示。

图3 基坑地下水突涌示意图

图3 中，h 表示为开挖过程中不透水层厚度；l 表示为基坑开挖前不透水层厚度。根据图3 所示内容，结合力在重力方向上平衡的特点，推导出基坑底部在濒临突涌时的计算公式为：

公式（1）中，PCZ表示为开挖时的突涌安全系数；he表示为基坑开挖的过程中，开挖深度与设计标高之间的不透水层厚度；re表示为岩土土体的饱和重量；rw表示为地下水的重度；hw表示为承压水头超过含水层顶板结构的实际高度。根据上述公式，进一步计算得出基坑在开挖时的突涌安全系数，从而为基坑降水井设计提供数据依据。

在对降水井设计时，选择环型封闭的布置结构作为支撑，假设井群当中各个井流量均相同，并且井结构均一致，则可将基坑周围的井群看作是一个以基坑作为中心点的大井结构。图4 为基坑降水井点埋设深度示意图。

图4 基坑降水井点埋设深度示意图

按照图4 所示内容对基坑降水井点埋设深度进行设计，并结合单个降水井的实际涌水量，确定井群的涌水量。在考虑到一定安全系数的情况下，当出现基坑支护结构中所有的井群的总出水量超过基坑本身产生的总排水量时，则设置的单井数量变为井群中实际的井数。

1.4 基坑现场监测

按照上述操作完成对岩土工程基坑支护的总体设计后，由于大部分地层的岩土分布都是不均匀的，因此为了确保支护设计的合理性，完成上述操作后，还应当结合岩土工程项目的实际需要，对其基坑支护结构进行连续监测。通过基坑现场监测，掌握地下土体的性质以及地下水的具体分布情况，从而确保基坑支护具有更有利的保障条件。在进行基坑开挖过程中，需要利用各种力和位移的监测元件对现场进行监测，监测的主要内容包括基坑深层位移、道路沉降、支撑轴力、周围建筑物沉降等。若在监测过程中，出现了基坑变形的问题产生，则需要对其变形形式进行确定，并针对不同的变形形式选择相应的防护措施。基坑变形的形式包括悬臂型（a）、内凸型（b）和组合型（c），如图5 所示。

图5 三种基坑变形形式示意图

2 实例应用分析

为了验证本文上述设计的岩土工程基坑支护方案的可行性，选择以地区广场场地工程作为依托，在建设过程中，针对该工程的基坑结构采用本文设计的支护方案。该工程项目的主要内容包括降水、隔水、护坡和桩基施工。在该区域当中，拟建高层建筑包括地上35 层和地下2 层，建筑整体呈现出矩形结构，每座建筑的占地面积均为42.3×20.0 平方米，建筑高度为129m米，结构主要以钢筋混凝土剪力墙为主，其基底压力要求达到650kPa 及以上，共包含四座结构相同的建筑结构，如图1 所示。

图6 实验依托项目整体建筑结构布局

在明确实验中依托的项目整体结构布局后，利用本文上述提出的支护方案对该岩土工程项目的基坑进行支护，以提高支护结构的承载力和抗压能力。为了实现对本文支护效果的验证，选择将其支护抗力作为评价指标。在支护结构上随机选择5个不同位置作为支护抗力监测点，针对五个监测点对其完成整个支护施工后的第1 天、第5 天、第10 天、第15 天和第20 天的支护抗力进行测量，并得到如表1 所示的抗力记录结果表。

表1 支护结构抗力记录结果表（单位：kN/m）

结合表1 中记录的数据结果可以看出，在监测的20 天中，各个测点的支护抗力均在3.00～5.00kN/m 范围以内。该岩土工程项目设计方案中规定，基坑的支护结构抗力应当在2.5kN/m以上，而表1 中记录的数据均满足这一设计要求，同时没有出现随着时间的增加支护抗力出现明显降低的变化趋势。因此，通过上述实例应用证明，本文提出的支护设计方案能够有效提高基坑整体的抗压能力，为岩土工程整体质量提升提供可靠条件，同时进一步延长建筑的使用年限。将本文提出的支护设计方案应用到真实的岩土工程建设项目当中时，应当结合项目实际情况，针对具体问题进行具体分析，对本文设计的支护方案进行适当调整，从而确保最终的基坑支护效果能够达到预期目标。

3 结论

基坑支护工程在施工作业现场大多为临时性工程，因此，相关此方面的工作在实施中极易被忽视，为了解决由于此方面工作不足导致的施工现场塌陷事故，本文以岩土工程为例，对基坑支护展开了详细的设计。在完成设计后，选择某试点区域进行实验，根据实验结果可知，本文设计的支护结构在实际应用中，具有更强的抗力，可起到提升结构整体稳定性的作用。

但此次实验仅从支护设计本体角度进行了分析，未能从经济效益与市场价值等方面进行支护方法的进一步检验。因此，还需要在后续的设计研究中，对此方法的经济效益进行验证，分析基坑在支护设计时的支出成本是否能满足工程支出成本的需求。

同时，在深入对建筑市场的调查中发现，与之相关的研究恰好填补了国内基坑支护领域的空白，并在尝试实践应用中取得了初步的成果。