复杂环境下深基坑降水开挖支护稳定控制技术研究

赵昀

（中南勘察设计院集团有限公司，武汉 430074）

1 引言

作为一项系统复杂，影响因素众多的工程，深基坑施工受场地工程地质条件与水文地质条件的影响明显[1]。随着基坑开挖深度的增加，水源对其稳定性的扰动作用也表现出更加明显的特征[2]。在此背景下，由于施工环境气象条件的差异化，降水是开挖支护稳定控制阶段必须要考虑的因素之一[3]。通过对发生的基坑工程事故进行分析可以发现，位于沿海、临江地区的深基坑施工中，地下水位高是重要的诱导因素[4]。由此不难看出，选择合理的止水和降水措施是维护施工和工程安全的重要基础[5]。但是需要注意的是，工程进度、施工造价和支护质量三者之间的协调关系是深基坑降水开挖不可回避的问题。现阶段，井点降水和深井降水是应用较为广泛的降水措施[6]。但是其在降水效率方面存在一定的局限性，并且对深基坑施工也有一定的影响。

为此，本文提出复杂环境下深基坑降水开挖支护稳定控制技术研究，并通过实际应用测试分析验证了设计控制技术的作用效果。

2 深基坑降水开挖支护施工方法

2.1 支护结构应力需求分析

对于深基坑降水开挖施工而言，受实际施工环境的差异化以及深基坑目标施工深度的不同，需要进行针对性处理。为此，需要计算基坑静止土压力，以及在降水环境下的主动土压力。三者的作用方式如图1所示。

图1 支护构件位移与土压力关系

按照图1所示的方式，本文对静止土压力的计算是建立在支挡构件只承受土体竖向自重应力的基础上的，此时在土层某深度h处的静止土压力E1可以表示为：

式中，K为静止土的压力系数；λ为支护静止土的土体重度。

需要注意的是，在沿支护构件由上而下的空间中，静止土压力的状态分布为正三角形，那么在这种模式下，作用在支护构件上的静止土压力E0可以表示为：

式中，r为静止土压力状态分布对应正三角形的边长；L为支护钢板桩的高度。

对于主动土压力的计算，在主动极限平衡状态下，深基坑边坡土体和支护结构体系之间的应力关系是相同的，那么此时的支护结构负荷的主动土压力主要是来自周围土体的自重、破裂面处反力以及支护结构体系自身的反力。在此基础上，结合正弦定律计算其大小可以表示为：

式中，E2为支护结构负荷的主动土压力强度；ψ为深基坑地层与支护结构的夹角；G为主动土楔的自重；θ为主动土楔的滑动方向与水平方向的夹角；φ为支护桩结构与主动土楔的滑动方向之间的夹角。

结合式（2）和式（3），支护钢板的应力需求可以表示为：

按照该参数值，对深基坑支护材料进行选择以及施工参数的设置。

2.2 深基坑降水开挖支护结构设计

按照上述方式，将计算得到的支护钢板的应力需求作为支护技术实施的目标。考虑到山地地区、软土地区的地层基础条件差异较大，本文首先对支护结构对应材料的类型进行选择。首先，是槽钢钢板桩，其主要应用于开挖深度在4.0 m以内的基坑工程中，其次，是钢板桩锁口，其主要应用于开挖深度在7.0~10.0 m的基坑工程中。在确定钢板桩的类型之后，需要按照深基坑的应力需求对钢板桩的具体参数进行设计，此时要求钢板的应力强度阈值大于深基坑对支护钢板的应力需求强度。对于土钉墙结构的搭建，以深基坑边坡的基础稳定情况为基础开展，考虑到该结构的作用主要是通过主动嵌固的方式增加边坡的稳定性，因此，本文设置其埋深与地质硬度之间成反比，对应钻孔的直径以大于钢板桩直径5.0~10.0 cm为准。钢板桩的直径越大，钻孔直径与其差异越高。通过这样的方式确保后续的灌浆操作可以最大限度地实现对其的固定。关于钢板桩的排布密度，以单个钢板桩的应力阈值上限为基准，确保其所受荷载在阈值范围内。最后，是对支护桩结构的灌浆处理。其效果如图2所示。

图2 灌浆施工示意图

对于混凝土水泥的选择，一方面要具有较高的强度，另一方面要具有较快的凝固效率。在实际施工过程中，结合钻孔的体积与钢板桩的体积，准确计算所需灌注总量，并辅以振捣施工，确保支护桩的强度能够达到设计需求。

通过这样的方式，完成对深基坑降水开挖支护稳定控制。

3 应用测试

3.1 测试工程概况

应用本文提出深基坑开挖支护稳定控制技术的工程为某采用直立开挖方式施工的方形基坑结构。在施工过程中，为了稳定坡面，在挖进的同时在坡面上喷射了混凝土结构，以此形成相对稳定的面板结构。在此基础上，对应的支护结构主要为土钉与锚杆，在二者的共同作用下，保障深基坑的安全性。在具体的设置上，共设有4层土钉，按照竖向的方式均匀布设，锚杆共计3层，在搭建阶段，设置其与水平方向的夹角均为15°，以此最大化其应力强度，具体的土钉及锚杆分布情况如图3所示。按照图3所示的方式布置支护结构。

图3 土钉及锚杆分布情况示意图

3.2 控制措施

在上述基础上，本文对测试工程开挖支护稳定控制阶段，搭建了以单排水泥搅拌桩为主要应力结构的止水帷幕，其具体的施工深度为16.0 m，搅拌桩的直径为50.0 cm，为了确保搅拌桩自身的稳定性以及应力分布的均衡性，设置相邻两根桩之间的距离为50.0 cm，并构建了重叠搭接结构，对应的长度为20.0 cm。除此之外，在安装土钉及锚杆前，在原有的混凝土面板结构表面进行钻孔处理，其直径为150.0 mm，深度为300.0 mm，具体的材料为具有较高耐腐蚀性的热轧带肋钢筋，土钉钢筋的直径为20.0 mm，锚杆钢筋的直径为25.0 mm。最后在孔内灌注水泥浆液对其进行加固处理，具体的强度为20.0 MPa。完成上述施工后，利用强度为C20，厚度为50.0 mm的混凝土对表层进行封层处理。

3.3 测试结果

在上述施工的基础上，分别对深基坑的沉降情况和水平移动情况进行分析，按照均匀分布的方式在工程中选择4个工况点作为测试目标，得到的数据结果如表1所示。

表1 深基坑开挖后位移情况统计表mm

从表1中可以看出，4个测试点的水平和垂直位移在7 d内的发展情况最大值均不超过20.00 mm，其中，第1 d、第2 d、第4 d以及第5 d的位移变化相对明显，这是因为在上述时段开挖施工由于设备因素出现了长时间的剧烈振动，对基坑所在地层的整体稳定性造成的干扰，其他时段的位移发展情况均稳定在2.00 mm/d以内。表明本文提出的方法可以实现对深基坑降水开挖支护稳定进行有效控制。

4 结语

深基坑降水开挖支护稳定控制技术不仅可以有效防止地下水对基坑边坡和坑底的稀释作用，降低开挖施工的难度，同时也可以提高基坑边坡和底部的稳定性，以更大的承载力应对施工带来的负荷。本文提出复杂环境下深基坑降水开挖支护稳定控制技术研究，保障了基坑工程的稳定性。旨在通过本文的研究，避免边坡或坑底因力学性能指标异常带来的施工安全问题。