深基坑支護工程總體方案設(shè)計淺析
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摘要：文中以某開發(fā)區(qū)一個工程實例為研究背景，從保證基坑工程的安全、保護周邊場地環(huán)境以及技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)等方面的要求出發(fā)，綜合分析基坑規(guī)模、下挖深度、周邊場地環(huán)境的影響及本工程場地巖土的分布情況與水文地質(zhì)條件，選擇出最優(yōu)的深基坑支護方案。
關(guān)鍵詞：工程實例；深基坑；支護
0引言
近年來，隨著城市的發(fā)展及舊城改造的不斷推進，出現(xiàn)了不少獨具特色的新型基坑支護工程［1］。當(dāng)前，中國的城市化率大幅提高，高樓大廈越來越密集，使得城市建筑用地越發(fā)緊張。城市內(nèi)建造房屋受用地紅線緊縮、周圍群房聚集、土地地質(zhì)條件復(fù)雜等多重因素的影響，應(yīng)盡量減小新建房屋對周邊建筑及環(huán)境的影響，這對基坑處理要求極高。而排樁-混凝土內(nèi)支撐支護結(jié)構(gòu)因為可以有效解決基坑問題而被廣泛應(yīng)用于基坑工程中。本文就深基坑工程的臨時性、區(qū)域性特點，對基坑支護類型及使用范圍進行總結(jié)，以針對實際工程作出比選。
1深基坑工程的特點
1.1深基坑支護結(jié)構(gòu)為臨時性結(jié)構(gòu)
在不同地質(zhì)環(huán)境下進行地下結(jié)構(gòu)的施工時，經(jīng)常會產(chǎn)生由于土體開挖導(dǎo)致的各種問題，如土方坍塌、噴水涌砂等。因此地下結(jié)構(gòu)的施工需要采用深基坑支護來防止各種問題的發(fā)生。但這種深基坑支護一般都屬于臨時結(jié)構(gòu)，在地下主體結(jié)構(gòu)施工完成后，絕大部分支護會被拆除。一般來說，搭設(shè)在非基坑周邊巖土內(nèi)的基坑支護結(jié)構(gòu)都會被拆除，故絕大部分的支護結(jié)構(gòu)為臨時結(jié)構(gòu)。
1.2深基坑支護結(jié)構(gòu)工程具有很強的區(qū)域性
地下結(jié)構(gòu)工程的施工方案在不同地點有較大差異，這是由于其施工總要受到地質(zhì)、水文條件影響。不同地區(qū)或同一地區(qū)不同位置的地質(zhì)條件總存在一定差異，因此，地下工程施工具有很強的區(qū)域性。深基坑支護作為深基坑工程的防護結(jié)構(gòu)，自然擁有很強的區(qū)域性，在方案設(shè)計時需要因地制宜。
1.3深基坑工程受周圍環(huán)境條件影響劇烈
深基坑工程的施工受到周圍場地環(huán)境、建筑環(huán)境的影響極大，特別是在有密集建筑群的區(qū)域開挖時，往往會受到已有設(shè)施的影響。臨近公路、地下管線、地底建筑等因素對深基坑工程的施工具有明顯影響，因此，市區(qū)施工難度大于村鎮(zhèn)施工難度，密集區(qū)域施工難度大于空曠區(qū)施工難度，考慮到不同地區(qū)的差異性，深基坑施工方案一定要具體問題具體分析。
1.4制約因素多
深基坑工程的施工安全與場地地質(zhì)和水文條件、周圍地形地貌條件、附近建筑與構(gòu)筑物情況、場地氣候以及降水排水條件、基坑深度與支護形式、施工方法與開挖次序以及基坑的暴露時長等諸多因素相關(guān)。
1.5計算理論不完善
深基坑工程目前的設(shè)計理論主要有［2-5］：（1）傳統(tǒng)的土力學(xué)設(shè)計理論的方法，該方法偏于力學(xué)原理的設(shè)計思路；（2）根據(jù)施工實際狀況設(shè)計法，該方法根據(jù)實際工程的不同工況來分析和設(shè)計；（3）完善后的解析方法的缺點是只能求解力，無法計算變形；（4）彈性基床系數(shù)法，優(yōu)點是解決了力和變形的計算問題，缺點是其計算結(jié)果與實際工程有較大差別；（5）平面有限元法，優(yōu)點為考慮了土壓力與支護結(jié)構(gòu)協(xié)同作用；（6）空間有限元法，優(yōu)點為考慮了支護結(jié)構(gòu)在空間的作用，能反映支撐構(gòu)件間的相互作用，同時也考慮了土的彈塑性分析，能更加準(zhǔn)確地反映出土體的變形狀態(tài)；（7）基坑工程監(jiān)測和反分析，該方法能實時反映基坑周圍土體的變形的實時變化，實現(xiàn)了施工的信息化；（8）基坑工程的風(fēng)險分析和設(shè)計，該方法能有效地在基坑開挖前，對周圍建筑物進行實時監(jiān)控反映，并分析出周圍土體和建筑群的穩(wěn)定性，能有效地對基坑周圍的土體和建筑群進行預(yù)防和控制的作用；由于巖土分布與特性的復(fù)雜加上地下水等諸多可變因素的影響，使得目前針對深基坑設(shè)計計算需以考慮環(huán)境保護（對變形的控制）為主要出發(fā)點，同時要滿足承載能力極限狀態(tài)和環(huán)境保護的要求。目前，深基坑設(shè)計計算主要采用理論與實踐相結(jié)合的方法。
1.6對綜合性知識，經(jīng)驗要求高
根據(jù)前文已述的多個影響深基坑安全的因素、設(shè)計計算理論，難以準(zhǔn)確全面地反映客觀情況，基坑工程往往需要采用理論與實踐相結(jié)合的方法等實現(xiàn)，需要施工人員具有綜合性理論知識和豐富的實踐經(jīng)驗，以保證深基坑工程的質(zhì)量和安全。
2常用深基坑支護結(jié)構(gòu)型式分類及使用范圍
常用深基坑支護結(jié)構(gòu)型式分類及使用范圍見表1。
3某實際工程基坑整體支護方案比選
3.1工程概況
擬建工程設(shè)3層地下室，基礎(chǔ)底埋深約14m，屬于深大基坑工程，該工程具有較為復(fù)雜的周邊環(huán)境，根據(jù)JGJ72-2004《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》［6］第8.7.2條，該基坑工程的安全等級為二級。這種具有復(fù)雜周邊環(huán)境的地下工程對基坑支護結(jié)構(gòu)的安全性能要求極高。深基坑支護的合理設(shè)計能夠減少基坑工程施工對周圍環(huán)境產(chǎn)生的不利影響。合理的基坑支護方案是工程基礎(chǔ)建設(shè)和地下空間施工的重要保證。
3.2場地巖土層剪切波速及類型
場地巖土層剪切波速及類型見表2。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和建議的剪切波速值，實測各孔覆蓋層厚度為9.20~27.2m，計算深度按實際孔的覆蓋層取值，得等效剪切波速值Vse為367.77m/s、267.58m/s、239.25m/s、117.18m/s、211.35m/s、222.12m/s、170.99m/s，按GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》判定，場地覆蓋層厚度為3.0~50.0m，場地類別綜合評價為Ⅱ類。
3.3基坑工程分析評價
當(dāng)基坑開挖后，場地四周將形成臨空面，該臨空面上覆蓋著的土層多種多樣，不同土層的巖土力學(xué)性質(zhì)也各有差異。在本工程中，基坑開挖后的臨空面上，附著的土層包括泥質(zhì)粉砂巖，全風(fēng)化、強風(fēng)化、中風(fēng)化粉砂層以及人工回填土等。其中，人工回填土比較松散，穩(wěn)定性不足，容易塌落，對基坑安全防護不利；泥質(zhì)和全風(fēng)化粉砂層的土體粘結(jié)力較小，同樣容易發(fā)生塌落，對基坑安全防護不利；但強風(fēng)化粉砂層本身的穩(wěn)定性較好，對基坑安全防護比較有利。然而，其仍存在著一旦遭到擾動或遇水軟化而大大降低承載能力的不良情況。針對這種地質(zhì)條件情況復(fù)雜、周圍環(huán)境狀況不良的基坑工程，采用基坑支護能夠有效地保障基坑開挖的安全，保證基礎(chǔ)和地下結(jié)構(gòu)工程施工的安全。
3.4基坑支護方案比選
基坑支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案應(yīng)以安全性為前提，滿足一定經(jīng)濟合理性的要求。從安全性的角度來看，基坑支護方案在確定前，必須對其周邊建筑環(huán)境、場地狀況和地質(zhì)水文情況等進行合理的評估。從經(jīng)濟的角度而言，該基坑支護的設(shè)計應(yīng)在滿足一定技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的情況下進行綜合考慮，從而選出較為經(jīng)濟合理的支護方式。在實際工程中，對基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案影響較大的因素包括：基坑開挖的規(guī)模和深度、周邊環(huán)境及場地地質(zhì)狀況等。對這些因素進行綜合考慮，本工程可以選擇的支護方案大致如下：排樁+內(nèi)支撐、鋼筋混凝土地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐、排樁+預(yù)應(yīng)力錨索、鋼筋混凝土地下連續(xù)墻+預(yù)應(yīng)力錨索、型鋼水泥土攪拌樁+內(nèi)支撐等支護形式。基坑支護結(jié)構(gòu)通常是兩種結(jié)構(gòu)相互組合形成的，這種組合能夠使結(jié)構(gòu)起到優(yōu)勢互補的作用。如排樁及地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)、排樁及旋噴樁止水帷幕圍護結(jié)構(gòu)等。排樁及地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)是在現(xiàn)階段的支護結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的一種支護結(jié)構(gòu)。這種支護結(jié)構(gòu)以地下連續(xù)墻作為屏障，能夠阻止墻外水土的侵入。地下連續(xù)墻由于橫縱向的相互連接而具有較大的抗側(cè)剛度，在一些有地下室的工程中，還能作為地下室的外墻使用。排樁及地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)，由于其優(yōu)越的防護性能和多樣化的作用而被廣泛應(yīng)用于幾乎所有的深基坑工程中。但該支護結(jié)構(gòu)相對來說仍存在工期較長、操作復(fù)雜等問題。排樁+旋噴樁止水帷幕圍護結(jié)構(gòu)相對來說施工時間更短、使用操作更容易，因而被廣泛應(yīng)用于深基坑工程中，特別是在地下水量較少的地區(qū)。實際工程中，應(yīng)綜合考慮施工地段的環(huán)境及經(jīng)濟等因素，選擇合適的支護結(jié)構(gòu)。在本工程所處的大致地段中，地質(zhì)情況相對較好，軟弱土層占比不大，雖然處于邕江和南湖一帶的建筑會受到季節(jié)性水位補給的影響，使得地下水水位較高，但遠離江、湖區(qū)域的建筑受到的影響較小，水位比較穩(wěn)定。而本工程具體位置在鳳嶺一帶，該地段的地下水主要是上層滯水，雖然會受到雨水或生活污水補給的影響，但水量不高，影響不大。綜合上述情況，本工程使用排樁+旋噴樁止水帷幕結(jié)構(gòu)作為支護結(jié)構(gòu)較為合理。
4排樁水平力（錨拉或內(nèi)支撐）體系方案比選
4.1預(yù)應(yīng)力錨索支護方案可行性分析
預(yù)應(yīng)力錨索就是在開挖基坑的下臥土層之前，將錨索插入土層中并固定，錨索另一端連接支護結(jié)構(gòu)，通過張拉錨索產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，這種預(yù)應(yīng)力將在后續(xù)基坑下臥土層的開挖中為支護結(jié)構(gòu)提供一定的錨固力，從而使支護結(jié)構(gòu)貼緊在土壁表面，以保證開挖下臥土層時支護結(jié)構(gòu)的安全。另一方面，預(yù)應(yīng)力錨索可以作為非臨時構(gòu)件使用，免去了施工結(jié)束后的拆除問題，有利于后續(xù)地下室結(jié)構(gòu)的相繼施工，相對來說較為經(jīng)濟合理。但錨索施工中，需要控制錨索深入土層的長度，深入長度不應(yīng)超出建筑紅線，不應(yīng)影響周圍建筑的地下結(jié)構(gòu)。為減少錨索對周圍建筑地下結(jié)構(gòu)的影響，應(yīng)在錨索施工前調(diào)查周邊地下結(jié)構(gòu)的分布情況，選擇合適的方向插入錨索，若確實存在難以施工的情況，應(yīng)與周邊單位共同探討施工方案的可行性。在本工程中所處的具體地段中，地下存在著比較復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu)，且用地紅線距離不能滿足預(yù)應(yīng)力錨索深入土層的長度需要，與周邊單位的協(xié)調(diào)情況也不容樂觀?；诘叵陆Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計難度大、協(xié)調(diào)不樂觀等因素，本工程不予采用預(yù)應(yīng)力錨索進行施工。
4.2內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)方案
在如今的深基坑工程施工中，常采用鋼管或鋼筋混凝土作為支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)支撐。鋼管支撐屬于一種拼接式支撐，鋼管可以在工廠加工完成，在工地上拼接形成內(nèi)支撐，因而較為方便快捷。作為臨時構(gòu)件，鋼管內(nèi)支撐在拆除后還可以重復(fù)使用。鋼筋混凝土內(nèi)支撐以鋼筋混凝土為主要受力構(gòu)件，具有較大的剛度，具有明確的傳力體系。鋼筋混凝土內(nèi)支撐需要在現(xiàn)場架設(shè)模板和澆筑，因而具有多樣的形式，不受技術(shù)的限制。但是鋼筋混凝土支撐的施工周期相對鋼管支撐較長，后續(xù)的拆除工作也比較麻煩，且拆除后不能反復(fù)使用。因此在實際工程中，應(yīng)綜合考慮材料、時間成本、安全性等因素，合理選擇內(nèi)支撐的模式。本工程基坑尺寸寬為48m，長為75m，規(guī)模較大，若采用鋼管內(nèi)支撐需要的材料成本太高，且從安全性的角度出發(fā)，使用剛度較小的鋼管內(nèi)支撐很容易產(chǎn)生比較嚴(yán)重的后果。綜合基坑尺寸、材料成本、剛度等因素來看，本工程深基坑支護采用鋼筋混凝土內(nèi)支撐更為合理。總結(jié)上文所述的比選內(nèi)容，得出本工程應(yīng)采用的深基坑支護結(jié)構(gòu)為排樁（設(shè)止水帷幕）結(jié)合鋼筋混凝土內(nèi)支撐的支護體系。
5結(jié)語
本文綜合分析基坑規(guī)模、開挖深度、周邊環(huán)境狀況的影響及本工程場地地質(zhì)巖土的分布情況，從基坑工程的環(huán)境影響、支護、支撐特點等方面出發(fā)，選擇出適合本工程的深基坑支護方案為排樁（設(shè)止水帷幕）結(jié)合鋼筋混凝土內(nèi)支撐的支護方案。
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作者:彭修寧 陳云杰 單位:廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院