深基坑支護(hù)工程總體方案設(shè)計(jì)淺析
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摘要：文中以某開發(fā)區(qū)一個(gè)工程實(shí)例為研究背景，從保證基坑工程的安全、保護(hù)周邊場(chǎng)地環(huán)境以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(chǎng)地環(huán)境的影響及本工程場(chǎng)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(hù)方案。
關(guān)鍵詞：工程實(shí)例；深基坑；支護(hù)
0引言
近年來，隨著城市的發(fā)展及舊城改造的不斷推進(jìn)，出現(xiàn)了不少獨(dú)具特色的新型基坑支護(hù)工程［1］。當(dāng)前，中國(guó)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(duì)周邊建筑及環(huán)境的影響，這對(duì)基坑處理要求極高。而排樁-混凝土內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)因?yàn)榭梢杂行Ы鉀Q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(shí)性、區(qū)域性特點(diǎn)，對(duì)基坑支護(hù)類型及使用范圍進(jìn)行總結(jié)，以針對(duì)實(shí)際工程作出比選。
1深基坑工程的特點(diǎn)
1.1深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)為臨時(shí)性結(jié)構(gòu)
在不同地質(zhì)環(huán)境下進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)的施工時(shí)，經(jīng)常會(huì)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(hù)來防止各種問題的發(fā)生。但這種深基坑支護(hù)一般都屬于臨時(shí)結(jié)構(gòu)，在地下主體結(jié)構(gòu)施工完成后，絕大部分支護(hù)會(huì)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(hù)結(jié)構(gòu)都會(huì)被拆除，故絕大部分的支護(hù)結(jié)構(gòu)為臨時(shí)結(jié)構(gòu)。
1.2深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)工程具有很強(qiáng)的區(qū)域性
地下結(jié)構(gòu)工程的施工方案在不同地點(diǎn)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(qiáng)的區(qū)域性。深基坑支護(hù)作為深基坑工程的防護(hù)結(jié)構(gòu)，自然擁有很強(qiáng)的區(qū)域性，在方案設(shè)計(jì)時(shí)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(chǎng)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(shí)，往往會(huì)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)地氣候以及降水排水條件、基坑深度與支護(hù)形式、施工方法與開挖次序以及基坑的暴露時(shí)長(zhǎng)等諸多因素相關(guān)。
1.5計(jì)算理論不完善
深基坑工程目前的設(shè)計(jì)理論主要有［2-5］：（1）傳統(tǒng)的土力學(xué)設(shè)計(jì)理論的方法，該方法偏于力學(xué)原理的設(shè)計(jì)思路；（2）根據(jù)施工實(shí)際狀況設(shè)計(jì)法，該方法根據(jù)實(shí)際工程的不同工況來分析和設(shè)計(jì)；（3）完善后的解析方法的缺點(diǎn)是只能求解力，無法計(jì)算變形；（4）彈性基床系數(shù)法，優(yōu)點(diǎn)是解決了力和變形的計(jì)算問題，缺點(diǎn)是其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程有較大差別；（5）平面有限元法，優(yōu)點(diǎn)為考慮了土壓力與支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)同作用；（6）空間有限元法，優(yōu)點(diǎn)為考慮了支護(hù)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(shí)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(cè)和反分析，該方法能實(shí)時(shí)反映基坑周圍土體的變形的實(shí)時(shí)變化，實(shí)現(xiàn)了施工的信息化；（8）基坑工程的風(fēng)險(xiǎn)分析和設(shè)計(jì)，該方法能有效地在基坑開挖前，對(duì)周圍建筑物進(jìn)行實(shí)時(shí)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(duì)基坑周圍的土體和建筑群進(jìn)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(duì)深基坑設(shè)計(jì)計(jì)算需以考慮環(huán)境保護(hù)（對(duì)變形的控制）為主要出發(fā)點(diǎn)，同時(shí)要滿足承載能力極限狀態(tài)和環(huán)境保護(hù)的要求。目前，深基坑設(shè)計(jì)計(jì)算主要采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法。
1.6對(duì)綜合性知識(shí)，經(jīng)驗(yàn)要求高
根據(jù)前文已述的多個(gè)影響深基坑安全的因素、設(shè)計(jì)計(jì)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(shí)踐相結(jié)合的方法等實(shí)現(xiàn)，需要施工人員具有綜合性理論知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以保證深基坑工程的質(zhì)量和安全。
2常用深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)型式分類及使用范圍
常用深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)型式分類及使用范圍見表1。
3某實(shí)際工程基坑整體支護(hù)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(jí)為二級(jí)。這種具有復(fù)雜周邊環(huán)境的地下工程對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性能要求極高。深基坑支護(hù)的合理設(shè)計(jì)能夠減少基坑工程施工對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的不利影響。合理的基坑支護(hù)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(chǎng)地巖土層剪切波速及類型
場(chǎng)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(shí)測(cè)各孔覆蓋層厚度為9.20~27.2m，計(jì)算深度按實(shí)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(jì)規(guī)范》判定，場(chǎng)地覆蓋層厚度為3.0~50.0m，場(chǎng)地類別綜合評(píng)價(jià)為Ⅱ類。
3.3基坑工程分析評(píng)價(jià)
當(dāng)基坑開挖后，場(chǎng)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(qiáng)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(duì)基坑安全防護(hù)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(duì)基坑安全防護(hù)不利；但強(qiáng)風(fēng)化粉砂層本身的穩(wěn)定性較好，對(duì)基坑安全防護(hù)比較有利。然而，其仍存在著一旦遭到擾動(dòng)或遇水軟化而大大降低承載能力的不良情況。針對(duì)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(hù)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(hù)方案比選
基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案應(yīng)以安全性為前提，滿足一定經(jīng)濟(jì)合理性的要求。從安全性的角度來看，基坑支護(hù)方案在確定前，必須對(duì)其周邊建筑環(huán)境、場(chǎng)地狀況和地質(zhì)水文情況等進(jìn)行合理的評(píng)估。從經(jīng)濟(jì)的角度而言，該基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足一定技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的情況下進(jìn)行綜合考慮，從而選出較為經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)方式。在實(shí)際工程中，對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(chǎng)地地質(zhì)狀況等。對(duì)這些因素進(jìn)行綜合考慮，本工程可以選擇的支護(hù)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(hù)形式?；又ёo(hù)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(shì)互補(bǔ)的作用。如排樁及地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)、排樁及旋噴樁止水帷幕圍護(hù)結(jié)構(gòu)等。排樁及地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)是在現(xiàn)階段的支護(hù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的一種支護(hù)結(jié)構(gòu)。這種支護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)，由于其優(yōu)越的防護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)相對(duì)來說仍存在工期較長(zhǎng)、操作復(fù)雜等問題。排樁+旋噴樁止水帷幕圍護(hù)結(jié)構(gòu)相對(duì)來說施工時(shí)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(shí)際工程中，應(yīng)綜合考慮施工地段的環(huán)境及經(jīng)濟(jì)等因素，選擇合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)。在本工程所處的大致地段中，地質(zhì)情況相對(duì)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(huì)受到季節(jié)性水位補(bǔ)給的影響，使得地下水水位較高，但遠(yuǎn)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(huì)受到雨水或生活污水補(bǔ)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)提供一定的錨固力，從而使支護(hù)結(jié)構(gòu)貼緊在土壁表面，以保證開挖下臥土層時(shí)支護(hù)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(shí)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(duì)來說較為經(jīng)濟(jì)合理。但錨索施工中，需要控制錨索深入土層的長(zhǎng)度，深入長(zhǎng)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(duì)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(shí)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(zhǎng)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(jì)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(jìn)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(hù)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(shí)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(chǎng)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(duì)鋼管支撐較長(zhǎng)，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(shí)際工程中，應(yīng)綜合考慮材料、時(shí)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(zhǎng)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(hù)采用鋼筋混凝土內(nèi)支撐更為合理?？偨Y(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(hù)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(hù)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(chǎng)地地質(zhì)巖土的分布情況，從基坑工程的環(huán)境影響、支護(hù)、支撐特點(diǎn)等方面出發(fā)，選擇出適合本工程的深基坑支護(hù)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(hù)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