基于岩土工程勘察的深基坑支护设计方案探究

摘 要：为保障基坑开挖安全，本文以某基坑为实例背景，在岩土工程勘察成果分析的基础上，结合工程经验，初步构建了基坑支护方案，并利用P×C法进行基坑支护方案筛选方法构建，以筛选最优的基坑支护方案。分析结果表明，结合工程实际，将基坑支护方案初设为4类，即方案一“灌注桩+止水”、方案二“地下连续墙”、方案三“工法桩+型钢”和方案四“土钉墙+锚索”，各类支护措施的优缺点较为明显，且通过支护方案筛选，得到4类支护方案的适宜性得分介于70.80～90.85，以方案二的适宜性得分相对最高，适宜性等级为Ⅳ级，说明其很适宜本文提到的实例基坑支护。

关键词：基坑；岩土工程勘察；支护设计

中图分类号：P 642 " " " " " 文献标志码：A

随着市政建设如火如荼的发展，产生了大量的基坑工程，但限于基坑近接环境越来越复杂，基坑变形控制显得格外重要；同时，要实现基坑变形的良好控制，基坑支护设计显得格外重要，因此，进行基坑支护方案探究具有重要的现实意义[1-2]。目前，唐成伟[3]针对复杂环境条件下的深基坑进行了支护设计研究；温忠义等[4]探究了钢绞线双排桩在基坑支护中的应用效果；郭全元等[5]评价了桩锚支护在软土基坑施工中的支护效果。上述研究为基坑支护积累了经验，但均未进行基坑支护方案的筛选研究。因此，本文以某基坑为实例背景，在岩土工程勘察成果分析的基础上，结合工程经验，初步构建了基坑支护方案，并利用P×C法进行基坑支护方案筛选方法构建，以筛选最优的基坑支护方案，从而更好指导基坑支护设计，为类似工程积累经验。

1 工程概况

拟建基坑属车站基坑，平面形态近似为矩形（如图1所示），全长234.00m，标准宽度22.5m，开挖深度17.1m，开挖方式为明挖顺作法。

根据勘察成果，项目区地形较为平台，标高为2.45m～

3.94m，地层岩性主要包括填土、粉质黏土、淤泥质黏土、碎石土以及泥岩，在开挖范围内地层的工程性质相对较差。在水文地质条件方面，地表水主要是降雨形成的洼地积水，地下水主要为上层滞水和裂隙水，局部含水层具微承压特征。

在基坑周边近接环境条件中，基坑沿既有道路东西展布，北侧主要为近接既有住宅，南侧主要为既有商业中心。

2 基坑勘察成果分析

由于该基坑属车站基坑，开挖深度较大且地层性质一般，基础参数对其后期支护设计具有重要的作用，因此，保证勘察成果的准确性就显得格外重要。

2.1 土层基础参数

由钻探资料，项目区地层主要包括填土、粉质黏土、淤泥质黏土、碎石土及泥岩，经试验成果统计，得到各类地层的物理力学参数见表1。

2.2 基坑安全等级

基坑周边环境条件较为复杂，开挖深度也较大，如果出现失稳，就会带来严重后果，因此，由《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）判断该基坑的安全等级为一级。

2.3 基坑支护设计参数

在前述勘察成果基础上，进一步将基坑支护设计过程中的参数设计如下：基坑结构重要性系数为1.1，增量法作为其内力计算方法，支护材料设计为钢筋混凝土，强度等级C30；基坑附加荷载设计为40kPa，作用宽度、深度依次为8m和1.6m，与坑边距离值设计为1.0m；周边既有建筑按20kPa/层设计，支护使用年限2年，设防烈度为7度。

3 基坑支护设计方案探究

3.1 支护方案初选

基坑支护方案相对较多，在本文支护设计的过程中，不仅要考虑基坑所处的环境条件，还应考虑开挖过程的维护、成本以及工期等因素，因此，基坑支护方案初选具有重要意义。

结合以往经验，将文中基坑的支护方案初设为四类，即方案一“灌注桩+止水”、方案二“地下连续墙”、方案三“工法桩+型钢”和方案四“土钉墙+锚索”，经统计，各类支护方案的优缺点见表2。

3.2 支护方案筛选方法构建

由3.1节说明文中基坑可选支护方案相对较多，为尽可能保证基坑支护方案的合理性，筛选支护方案是重要的[6-7]。根据使用经验，提出利用P×C法进行基坑支护方案筛选方法构建。

3.2.1 筛选模型构建

以基坑支护方案筛选为目的，通过层次分析法构建其筛选模型，其包括三层结构。其中，目标层为“基坑支护方案筛选体系A”，其下是一级评价指标，包括安全因素B1、技术因素B2、环境因素B3和经济因素B4；在一级指标基础上，可再进一步细分二级指标。1） 安全因素B1包括支护体系的刚度C1、支护体系的稳定性C2和支护体系抗变形能力C3。2） 技术因素B2包括施工过程的可靠性C4、施工难易程度C5和支护对后续施工的影响C6。3） 环境因素B3包括支护施工对周边交通影响C8和支护施工对地下管线的影响C9。4） 经济因素B4包括工程材料成本C9、工期成本C10和施工及监测费用C11。

综上所述，基坑支护方案筛选模型结构统计如图2所示。

3.2.2 计算评价指标的权值、隶属度

3.2.2.1 计算评价指标的权值

根据以往经验，利用1-9标度法计算各评价指标的权值，过程包括判断矩阵构建、一致性检验以及计算权值。因此，先对比确定评价指标的相应重要性，在评价指标相对重要性不传递原则条件下，构建判断矩阵，其也具互反矩阵性质。

在得到判断矩阵的基础上，计算其最大特征值，并计算一致性评价指标 C，如公式（1）所示。

（1）

式中：λmax为最大特征值；n为判断矩阵的相应行数或列数；R为重要性标度指标。

当C值不大于0.1时，认为判断矩阵是合理的，对最大特征值对应性的特征向量进行归一化处理，所得值即为相应的权值；反之，重新构建判断矩阵，并重复上述步骤。

3.2.2.2 计算评价指标的隶属度

在评价指标的隶属度计算的过程中，将其计算方法确定为专家法，且要求专家具正高级职称或项目负责人；当各专家完成隶属度计算后，对各专家的隶属度计算结果进行均值统计，所得均值即为相应评价指标的隶属度值。

3.2.3 基坑支护方案适宜性等级划分

以评价指标权值、隶属度值为基础，利用P×C法对基坑支护方案适宜性等级进行量化划分，标准如下。1）Ⅰ级。该等级条件下，对应支护方案不适宜基坑支护，其对应适应性分为55，适应性评分为0～60。2）Ⅱ级。该等级条件下，对应支护方案基本适宜基坑支护，其对应适应性分为70，适应性评分为60～75。3）Ⅲ级。该等级条件下，对应支护方案适宜基坑支护，其对应适应性分为85，适应性评分为75～90。4）Ⅳ级。该等级条件下，对应支护方案很适宜基坑支护，其对应适应性分为95，适应性评分为90～100。

3.3 支护方案筛选结果

根据3.1节，本文实例共计设计了4种支护方案，以方案一为例，进行各评价指标的适宜性计算分析。

按照3.2节思路，计算得到各评价指标的权值见表3。

同时，进一步利用专家法计算各评价指标的隶属度，所得结果见表4。C1的隶属度为0.095～0.542，C2的隶属度为0.102～0.601，C3的隶属度为0.123～0.571，C4的隶属度为0.094～0.613，C5的隶属度为0.107～0.539，C6的隶属度为0.096～0.520，C7的隶属度为0.115～0.571，C8的隶属度为0.168～0.400，C9的隶属度为0.130～0.533，C10的隶属度为0.126～0.534，C11的隶属度为0.085～0.537。

在评价指标权值、隶属度计算的基础上，首先，按照3.2节方法，先计算得到方案一11个二级指标的适应性计算，结果见表5。据表5，在方案一支护条件下，11个二级指标的适宜性得分为71.26～92.16，均值为82.29，总体适宜性相对较好，相应适宜性等级为Ⅱ级～Ⅳ级。其中，Ⅱ级涉及的二级指标个数为4个，所占比例为36.36%；Ⅲ级涉及的二级指标个数为5个，所占比例为45.45%；Ⅳ级涉及的二级指标个数为2个，所占比例为18.18%。

按照适宜性得分大小，将方案一条件下的二级指标适宜性排序结果统计如下：C8gt;C5gt;C2gt;C4gt;C11gt;C7gt;C9gt;C3gt;C1gt;C10gt;C6。

其次，进一步计算得到方案一4个一级指标的适应性，结果见表6。据表6，安全因素B1的适宜性得分为84.92，适宜性等级为Ⅲ级；技术因素B2的适宜性得分为91.05，适宜性等级为Ⅳ级；环境因素B3的适宜性得分为82.76，适宜性等级为Ⅲ级；经济因素B4的适宜性得分为85.42，适宜性等级为Ⅲ级。因此，在方案一条件下，适宜性等级介于Ⅲ级～Ⅳ级，且Ⅲ级指标有3个，所占比例为75%，Ⅳ级指标有1个，所占比例为25%。

按照适宜性得分大小，将方案一条件下的一级指标适宜性排序结果统计如下：B2gt;B4gt;B1gt;B3。

根据一级、二级指标的权值、隶属度计算结果，进一步计算得到4个一级指标的隶属度向量R1=[0.111 0.141 0.087 0.661]，第3.2节适应性分向量E=[55 70 85 95]T，因此，计算得到方案一的最终适宜性得分F=R1E=86.16

综上所述，方案一在本文实例中的适宜性得分为86.16，适宜性等级为Ⅲ级，适宜于本文的基坑支护。

类别方案一的适宜性评价过程，再对其余3个方案进行适宜性评价，结果见表7。据表7，方案一的适宜性得分为86.16，适宜性等级为Ⅲ级，方案二的适宜性得分为90.85，适宜性等级为Ⅳ级，方案三的适宜性得分为72.46，适宜性等级为Ⅲ级，方案四的适宜性得分为70.80，适宜性等级为Ⅲ级。

按照适宜性得分大小排序结果为方案二gt;方案一gt;方案三gt;方案四。因此，将方案一“地下连续墙”作为此文实例基坑的支护方案。

4 结语

通过在岩土工程勘察基础上的深基坑支护设计方案探究，得到以下3个结论：1）根据基坑岩土工程勘察成果，基坑开挖范围内地层具较差的工程性质，且基坑安全等级为一级，因此，基坑支护设计显得格外重要。2）结合工程实际及经验，本文实例基坑的支护方案初设有4类，即方案一“灌注桩+止水”、方案二“地下连续墙”、方案三“工法桩+型钢”和方案四“土钉墙+锚索”，各类支护措施的优缺点较为明显，因此基坑支护方案筛选是必要的。3）通过层次分析法、专家法等方法构建了基坑支护方案筛选模型，并经计算，以方案一“地下连续墙”的适宜性得分最高，因此，将其确定为基坑支护方案。

参考文献

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[3]唐成伟.复杂环境条件下的深基坑支护设计研究[J].中国新技术新产品， 2023， （11）：102-104.

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