談復雜環(huán)境深基坑支護方案設計
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摘要：以人防工程為代表的深基坑支護具有高度的復雜性，其支護方案對于保證深基坑安全和減少對周圍建筑的影響有著重要的作用。因此，必須采用先進的支付設計方案，確保基坑安全開挖，提升基坑開挖的質量和穩(wěn)定性。本文選取人防工程為研究案例，深入分析工程條件，經(jīng)過多種方案對比后，選擇順作法和逆作法結合的設計方案，以滿足復雜環(huán)境條件下的施工要求。
關鍵詞：復雜環(huán)境條件；深基坑；支護方案；數(shù)值模擬
前言
新基建將會大大推動基坑工程的建設，一方面，基坑工程的深度和廣度日益增加；另一方面，當前城市大量建設的高樓大廈給基坑工程的施工帶來了巨大的難度。在一些土質構造繁雜、土層地質復雜、土質特征多樣，開挖深度大，施工范圍狹小，臨近周邊建筑尤其是高層建筑較近，對變形反應敏感的區(qū)域的深基坑工程施工不斷增多，這就導致了在支護過程中的復雜性較大，同時支護施工周期長、工序復雜，造價較高，為了避免可能出現(xiàn)的不確定性問題，就需要采用更高效、安全的施工設計方案，為順利施工提供有效的保障。基坑支護破壞是造成基坑重大事故的主要原因，因此在施工中必須要針對地基基底隆起、管涌、流土、沉降、主體傾斜甚至是結構開裂等現(xiàn)象，合理設計參數(shù)，破除周圍環(huán)境的限制，做好支護方案的設計和施工技法的優(yōu)化。
1深基坑支護的技術方法和數(shù)值模擬
1．1深基坑支護的技術方法
深基坑支護方法種類較多，都處于不斷完善之中，目前基坑開挖的方法主要有明挖技術、暗挖技術、盾構技術、沉管技術、注漿技術、蓋挖技術以及凍結技術等，隨著施工技術的不斷提高，目前又有計算機化掘進方法、全過程機械化開挖支護方法、盾構施工方法；預切槽方法等。傳統(tǒng)深基坑支護工程一般采用放坡開挖、內支撐與錨桿、土釘墻技術以及和鋼板樁支護技術。由于高層建筑不斷增多，為了提升支護的安全性，許多新的技術和方法被應用到基坑支護當中，基坑逆作法就是一種典型的方法，在地質條件復雜的深基坑應用廣泛，通過采用連續(xù)墻等支護結構，自下向上逐漸施工，實現(xiàn)地上和地下同時施工，由于又能擋土，又能擋水，因此，地下連續(xù)墻工藝在目前應用最為廣泛。該工藝主要應用于砂粒土、軟黏土、礫石的土層中，深度可達150m。施工中可以采用碾磨機結合傳感器技術，提升自動化施工的精度和控制能力。
1．2深基坑支護的數(shù)值模擬
為了更好地進行計算，就要對深基坑的支護方案進行數(shù)值模擬該方法，其結果準確，受力分析精準，通過數(shù)值模擬能夠深入分析支護結構的變形、沉降以及其影響范圍與規(guī)律。近年來數(shù)值模擬和計算機方法結合，F(xiàn)LAC3D、Midas／GTS等模擬軟件都廣泛使用在深基坑支護當中，這能夠更加深入地分析不同支護方式下的深基坑變性特征。在分析基坑工程的應力和變形等問題的過程中，通常采用有限元法進行分析，這對于土體的非線性問題有著良好的解決能力，比如土層各向異性對結構變形和地表沉降的影響。
2復雜環(huán)境條件下深基坑支護的技術特點
2．1施工條件高度復雜
深基坑支護施工條件高度復雜，典型代表如人防工程，既滿足展示需要，又要考慮城市建設和經(jīng)濟發(fā)展等問題。我國許多人防工程都已經(jīng)成為了促進城市經(jīng)濟發(fā)展的重點工程，如沈陽北新客站地下城和上海人民廣場地下停車場等。人防工程為城市生活生產做出了巨大的貢獻，通常位于城市商業(yè)中心，人流密集因此其堅固性必須是第一位的。人防工程面積大，建筑面積通常超過10000m，基坑開挖深度都超過10m以上，通過施工區(qū)域都是城市交通要地，車輛多，人流量大，周邊建筑多，在繁華區(qū)域大量有高層建筑。在施工前，還需要對區(qū)域內老舊管道進行改遷，考慮因素較多。如果施工區(qū)域內都是淺基礎的密集建筑物，那么非常容易發(fā)生變形控制。一般大型人防工程都位于市中心，因此，施工過程中還要注意到不影響周邊建筑的生產和生活，必須要控制噪音和揚塵等污染。地質條件方面，根據(jù)巖土的物理性質將土質分為四層：主要成分為由碎石土、砂土和黏性土等組成的雜填土，花崗巖、長石和少量云母等成分組成的圓礫，以及強風化泥質粉砂巖和中風化泥質粉砂巖，越是下層的巖土粘聚力越大。由于各土層的成分差異較大，物理特性各異，因此力學性質參數(shù)各異，這就加劇了施工的復雜性，如施工中需要考慮場地穩(wěn)定性，包括液化、震陷、土等效剪切波速等因素。此外，深基坑施工還受到當?shù)貧夂驐l件、水文地質條件、地形地貌條件等因素的影響，比如場地的標準凍深、圓礫層在飽和狀態(tài)下的天然含水量、層雜填土的凍脹等級，地下水和土對鋼筋混凝土結構的腐蝕性等因素。
2．2支護安全級別要求較高
以人防工程為例，其施工條件復雜，具有如下特點：①和周邊建筑群相比，深基坑的開挖深度較深，在施工中基坑開挖的深度越深，支護結構失效和土地變形沉降對周邊環(huán)境的影響越大，為了確保施工安全和工程質量，要把支護安全等級提升到一級；②由于項目多位于市中心，交通發(fā)達，人口密集，周邊環(huán)境復雜，建筑群較多，地基承載力不斷變化，需要嚴格控制位移和地面沉降，臨近建筑物的距離基坑變形控制等級為一級；③施工受到地質和水文條件的影響，要充分考慮水文地質條件，控制地下水位和凍脹等因素，施工水位應該控制在底板下0．5m以下，根據(jù)不同地質水文條件選擇不同的支護方法；④由于施工環(huán)境條件復雜，加之深基坑支護的安全風險較大，對施工的影響因素很多對施工技術、組織、工藝和設備的要求也就相應提高。支護結構作為臨時支護，其平面設置要滿足規(guī)范設計的要求，如果越冬要采用加固和防護措施，加強安全管理工作。施工安全等級為一級。
2．3施工的技術重點
1）做好施工前檢測和勘察工作。施工前要對工程地質條件、巖土力學特性和周邊環(huán)境進行深入調查，要對于各土層天然重度、內摩擦角和錨固體摩阻力等參數(shù)進行具體計算，全面了解工程地質條件。采用土試樣和原位測試等方法進行測試，為了確保巖土參數(shù)的準確可靠，要采用多種方法進行測試，如果得出結果基本一致，那么說明巖土參數(shù)具有可靠性。2）防止支護工具的破壞。包括地基異動的破壞，錨桿抗拔的失效，工具掉入孔中，擋土失去承載作用等。一旦發(fā)生變形，將會對周圍的環(huán)境造成嚴重破壞，比如基坑深度達到14m時，就超過了石擋墻結構的常用基坑深度的2倍，非常容易造成破壞。3）防止地下水的侵害。避免因為地下水位高造成沉降等現(xiàn)象。在施工前要首先對做好排水工作，確保地基的穩(wěn)固，同時要避免地表水滲漏到結構當中，針對降水等問題及時采用有效措施進行處理。4）做好周邊重點防護，強化坑壁護理工作，切實保護邊坡安全，提升防護欄桿的高度和排水溝的深度，嚴禁超挖現(xiàn)象發(fā)生，防止土方坍塌。施工人員必須按照安全技術交底作業(yè)，隨著基坑深度的加深，在周邊加設可靠支撐，同時編制深基坑周邊防護專項方案，確保安全措施落實到位。
3施工方案和方法的選擇
3．1支護方案選擇
要根據(jù)深基坑的周圍環(huán)境的具體情況選擇支護方式，越是復雜的環(huán)境越應該采用多種聯(lián)合支護方式。如果不滿足放坡條件，就不能采用放坡法施工，施工中還要考慮連續(xù)墻法的經(jīng)濟性較差，因此，在施工中要采用樁錨支護等多種方法相結合的模式。施工方案的確定要綜合考慮基坑深度、安全等級、技術要求、周邊環(huán)境，水文地質狀況以及建設單位的具體要求。如某人防工程為了滿足建設單位的需求，在逆作法施工部分采用混凝土排樁作為支護結構，使用混凝土強度為C35D，負一層、負二層到負三層的頂板為水平支撐。由于基坑深度超過10m，因此，各個參數(shù)都要符合設計要求，確保基坑的穩(wěn)定性。各剖面樁采用C35混凝土澆灌，樁距1．3m，樁徑800mm，各樁身嵌固深度根據(jù)實際情況設置。順作法施工的剖面在開挖過程中施加內支撐錨索，根據(jù)數(shù)值模擬的結果設計參數(shù)。各剖面裝訂設置冠梁，尺寸為600×900mm。
3．2順作法施工
結合施工環(huán)境條件，部分施工采用順作法，其優(yōu)勢在于成本低，施工簡易，結構可靠性強，防水性好，但是缺陷在于對地面和周邊環(huán)境的影響較大。施工中先支護后開挖，由下向上逐步完成各主體結構的施工，直至澆筑頂板的流程。施工重點包括邊坡降水和支護、土方開挖和放水以及結構性施工等，為了防止沉降和變形，特別要重視邊坡支護技術的應用。順作法施工應用的技術主要包括以下方面：①放坡開挖技術，該技術對地質條件要求較高，開挖中需要及時清理邊坡，并且做好護坡工作，一般采用水泥黏土進行施工；②混凝土灌注樁支護技術，該技術分為機械和人工成孔兩種工藝，按照成孔工藝不同可分為擠土和非擠土兩種方式，其施工難點在于塌孔和孔位偏問題；③連續(xù)墻支護技術，該技術承受荷載較大，放水較好，但施工條件要求松散含水底層和軟土；④土釘墻支護技術，由于基坑深度大，施工要配合土方開挖分層進行，采用由深至淺退挖的方法，與土釘施工密切結合，做好基坑邊坡施工及防護；⑤錨桿支護技術，包括預應力錨桿和非預應力錨桿技術，能夠穩(wěn)定深層巖土，降低結構自重，節(jié)省施工材料，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
3．3逆作法施工
對于基坑剖面較為狹窄，距離周邊建筑較多的區(qū)域，采用逆作法施工，目的是嚴格控制地面沉降。和傳統(tǒng)方式不同，從上至下逐漸施工，該方法對周圍建筑影響較小，適合復雜環(huán)境條件下的深基坑施工。施工中使用結構頂板代替臨時路面，恢復性較好，通過建立完善的內部支撐體系提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。該方法適用于軟弱底層，能夠有效控制地面沉降問題，位移小，適合深基坑施工。具體施工中包括如下方法：首先是全逆作法，即地下結構和地上結構同時施工，采用整體澆筑方法，利用地下各層樓板進行水平支撐；其次是半逆作法，地上和地下不同步施工，以永久結構頂板為分隔，一半采用逆作，一半采用順作；第三是部分逆作法，部分順作和部分逆作相結合，采用局部土方抵抗側向壓力，在深基坑的邊部采用逆作法，中部采用順作法；最后是分層逆作法，該方法是目前最先進的施工技術方法之一，通過土釘墻分層逆作四周的方式進行施工。
3．4支護方案驗算結果
采用瑞典條分法進行整體穩(wěn)定性驗算，土條寬度0．50m，最終得到安全系數(shù)。根據(jù)被動土和主動土壓力進行抗傾覆穩(wěn)定性驗算，同時對各個剖面進行抗隆起穩(wěn)定性驗算，檢驗其穩(wěn)定性。重點對各支護結構的沉降、內力位移和水平位移進行研究，研究結果顯示，順作法施工的最大位移、彎矩及剪力都發(fā)生在最終的工況階段，最大值在基坑底部。采用逆作法施工，最初及最終工況階段位移皆較大，基坑頂部和底部也是如此，但內力最大值的產生和順作法一致。順作法和逆作法相比，逆作法的位移較小，尤其是基坑的外側位移接近于0，適合高度復雜環(huán)境下的深基坑，對周邊建筑影響較小。但是該方法的最大內力較大，因此，在施工中不但對于材料性能要求高，而且施工方法、施工技術和支撐結構體系都需要不斷地進行改進，如采用地下連續(xù)墻和100多根大直徑灌注樁作為支撐。逆作法的另一個優(yōu)勢在于工期較短，經(jīng)濟效益顯著，因此，如果能夠不斷提升技術成熟度，在未來的施工中可以較大規(guī)模地取代順作法。
4施工支護方案的優(yōu)化策略
4．1施工中技術安全保障措施的完善
一律采用機械開挖方案，采用反鏟挖土機分層接力開挖。當開挖深度深于周邊建筑基礎時，要保持一定的坡度和距離，應采用坡腳設擋墻或支撐等支護措施提升邊坡穩(wěn)定性。開挖時要注意坑底是否有洞穴、裂縫和斷層等，如果發(fā)現(xiàn)跡象，應及時處理?；犹幚砗弥螅瑢拥走M行抄平，如果小部分超挖，可用與地基土密度相同的回填土夯實。為防止坑底擾動，挖好之后要減少暴露時間，如果不能及時進行下一道工序，應該預留30cm左右的覆蓋土層。對地下水位較高的松土坑要去除松土，在進行回填。對于無放坡條件的基坑要采用分層開挖方法，根據(jù)施工層級進行支護。在基坑頂周圍設置1×1m排水溝連接成排水管網(wǎng)，基坑內設置1m排水溝，每隔30m設置一個排水井，提升排水能力。嚴格按照施工安全規(guī)范作業(yè)，坑口周邊設置鋼管護欄和警示標志。夜間施工必須要照明整個施工現(xiàn)場，坑班要有警示燈，并且由專人負責安全。為了提升施工安全水平，要完善局部地方垮塌處理方案，根據(jù)實際情況提升堆砌高度。
4．2不斷采用新技術提升支護結構的穩(wěn)定性
采用深基坑換撐技術，將樁錨、樁撐和地連墻加內支撐相結合，考慮到深基坑的施工環(huán)境復雜，水文地質條件各異，有土質較差的情況，因此，可以采用兩墻合一等方式，通過臨時支護將應力轉移到其他構件。在支撐技術的選擇上，可以采用以下幾種，首先是斜撐，其成本較低，但施工中難度較大，護樁與墻體之間的距離很短，防水難度較高。其次是水平剛性構件換撐，操作方式較為簡單，對結構的安全性高，施工單位需要保持構件的強度。第三是鋼筋混凝土換撐梁，該操作較為繁雜，適合復雜條件下的深基坑，需要較為復雜的施工方案設計，最后是回填石料換撐，一般作為備用方案。大量使用裝配式技術，如使用裝配式預應力魚腹梁鋼支撐技術，用螺栓連接構件，構件拆除之后能夠循環(huán)利用，提升節(jié)能環(huán)保的水平，縮短工期，而且有利于提升構件的標準化的水平。同時要提升工藝技術的精細化水平，對逆作法施工進行優(yōu)化，逐漸對大承載力鉆孔灌注樁、一柱一樁施工、樁底后注漿施工、逆作取土工藝、無排吊模技術、躍層施工技術等進行創(chuàng)新，以提升支護結構的穩(wěn)定性。
4．3加強深基坑支護工程的監(jiān)測
深基坑工程地質條件復雜，周邊建筑眾多，材料性能，受力結構和諸多環(huán)境的影響，因此，單純依靠計算還不能滿足實際工程需要，不能準確反映工程的變化和未知狀況。比如強降水、地下管道漏水以及外負載劇增等，都容易導致發(fā)生較大位移。為了避免基坑失穩(wěn)，就要加強監(jiān)測工作，以便于及時調整施工方案。在施工階段要對頂部的水平和豎向位移，支護結構的深層位移，錨桿內力以及周邊建筑的豎向位移進行檢測。對整體變化的總量進行監(jiān)測，一旦超出報警值，及時調整方案。在監(jiān)測中要大量采用信息化技術，全面分析內力、變形、地下水、周圍環(huán)境的位移、傾斜、沉降、開裂、隆起等狀況，增加觀測點和觀測次數(shù)，在此基礎上預測下一施工階段的方案。
5結語
基坑失穩(wěn)一旦發(fā)生事故造成的危害非常大，會造成巨大的生命財產損失，因此，在施工中要加強施工前的準備，提升支護安全等級，完善基坑支護施工流程，不斷采用新技術，加強監(jiān)測水平，確保支護的穩(wěn)定性。
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作者：相宛彤 付凱文 劉軒均 單位：山東科技大學
