復(fù)雜環(huán)境下深基坑支護(hù)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：目前我國沒有對(duì)整個(gè)基坑圍護(hù)體系方面的優(yōu)化研究，面對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)，多采取增加圍護(hù)墻的嵌固深度、基坑外設(shè)置隔斷墻等措施對(duì)周邊環(huán)境予以保護(hù)，造成的工程費(fèi)用增加、工期延長(zhǎng)等問題，存在優(yōu)化的可能。文章對(duì)復(fù)雜環(huán)境下深基坑支護(hù)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜環(huán)境；深基坑；支護(hù)工程；優(yōu)化設(shè)計(jì)；基坑圍護(hù)體系 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU473 文章編號(hào)：1009-2374（2016）33-0003-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.33.002

伴隨著我國城市化建設(shè)步伐的不斷加快，城區(qū)的建筑物和地下市政實(shí)施的建設(shè)規(guī)?？涨皬?qiáng)大。為了緩解人口過大帶來的出行壓力，各大城市通常會(huì)建設(shè)有地鐵系統(tǒng)，且車站附近的商業(yè)樓通常會(huì)與地鐵車站的出入口相連接。在此類工程的施工過程中，基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)多采取對(duì)基坑結(jié)構(gòu)本體增加圍護(hù)墻嵌固深度、增加坑內(nèi)地基加固等方式進(jìn)行設(shè)施的防護(hù)，這樣進(jìn)行施工必然會(huì)加大施工的工程量和相關(guān)費(fèi)用支出，但是該設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)在確保安全的前提下存在優(yōu)化的可能。

復(fù)雜環(huán)境下深基坑的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案涉及投資以及各方面的安全因素的考慮，首先要進(jìn)行的是優(yōu)化方案的比較選擇，然后對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)本身的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算。目前，深基坑設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案主要集中在圍護(hù)墻的形式以及構(gòu)件細(xì)部的優(yōu)化方面，缺少對(duì)整個(gè)深基坑圍護(hù)體系方案的優(yōu)化研究。本文就上述問題進(jìn)行探討研究，采用有效方案對(duì)設(shè)計(jì)坑支護(hù)工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持。

1 深基坑支護(hù)工程概述

深基坑支護(hù)工程指的是為了在地下結(jié)構(gòu)施工中能夠有安全的施工環(huán)境，而采取的相應(yīng)控制深基坑變形的措施。深基坑支護(hù)工程能夠?yàn)榈叵率┕ぷ鳂I(yè)提供高質(zhì)量、高安全性的施工環(huán)境，在實(shí)際施工當(dāng)中得到廣泛的使用。但是深基坑支護(hù)工程也具有一些重要的特點(diǎn)，其主要表現(xiàn)在以下方面：第一，具有較大的風(fēng)險(xiǎn)性，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)從其功能上進(jìn)行分析只是屬于一種臨時(shí)性的結(jié)構(gòu)，而在施工的時(shí)候?qū)τ谂R時(shí)性結(jié)構(gòu)施工和永久性施工相比安全上考慮得不是那么全面，使得其在安全上存在著風(fēng)險(xiǎn)性。第二，對(duì)于深基坑支護(hù)工程來說不同區(qū)域表現(xiàn)出來的區(qū)域性特別強(qiáng)。在不同的區(qū)域，地下的土層結(jié)構(gòu)也存在著很大的差異，這會(huì)對(duì)深基坑的支護(hù)工程造成很大的影響。土壤中水分的含量以及承壓的情況等都會(huì)對(duì)其造成或多或少的影響。因此，在不同地區(qū)進(jìn)行深基坑支護(hù)施工的時(shí)候，必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，才能夠有效地提高深基坑支護(hù)工程的質(zhì)量。第三，深基坑支護(hù)工程受到外界環(huán)境的影響較大。特別是在一些地形較為復(fù)雜的地區(qū)，對(duì)于深基坑支護(hù)工程的要求也將會(huì)多出很多。第四，具有較強(qiáng)的時(shí)間效應(yīng)。土壤具有較強(qiáng)的蠕變性，隨著時(shí)間的增加，土壤蠕變變形越大，因此在深基坑支護(hù)工程中應(yīng)當(dāng)將此點(diǎn)考慮在內(nèi)。第五，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性。深基坑支護(hù)工程的設(shè)計(jì)和施工同后期的深基坑內(nèi)土木作業(yè)是處于一個(gè)系統(tǒng)中，深基坑支護(hù)工程設(shè)計(jì)和施工的合理性、科學(xué)性會(huì)嚴(yán)重影響后期的土木作業(yè)，因此在深基坑支護(hù)工程的設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)當(dāng)盡可能地考慮得更加全面。

2 某商業(yè)樓交叉口基坑支護(hù)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)情況概述

2.1 工程情況簡(jiǎn)介

該商業(yè)樓初步設(shè)計(jì)方案打算建設(shè)在地下一樓，基坑設(shè)計(jì)的深度約為5.1m，相關(guān)配套設(shè)備的地下二層深度約為一層深度的兩倍。正在使用的地鐵站位于兩條路的交叉口位置。車站主體外包尺寸為152.3m×17.6m，車站底板深度約16.5m，設(shè)計(jì)方案中預(yù)留的出入口的深度與二層地下設(shè)施的設(shè)計(jì)深度保持一致。交叉的兩條道路均為主要干道，配備有相關(guān)的居民日常生活中常用的配置設(shè)施。其中，受商業(yè)樓基坑施工影響較為明顯的居民配套設(shè)施為預(yù)留的雨水管，其施工建設(shè)的深度在3m左右。管底距出入口頂板較近，容易遭受到預(yù)留出入口在后續(xù)施工過程中對(duì)其造成的影響。

2.2 使用現(xiàn)場(chǎng)的工程環(huán)境

我們所要研究的建筑施工地區(qū)處在特有的平原地區(qū)，其地質(zhì)條件較為復(fù)雜，覆蓋有灰黃色粉質(zhì)黏土、灰色砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)黏土以及灰色粉質(zhì)黏土等多種土質(zhì)；另外，場(chǎng)地的地下水有潛水和承壓水，潛水對(duì)深基坑的影響受到降雨以及地表水等因素的影響，各項(xiàng)水文測(cè)量指標(biāo)均符合施工建設(shè)的相關(guān)要求行指標(biāo)。

2.3 深基坑的設(shè)計(jì)方案比較

我們將商業(yè)樓地下兩層區(qū)及與車站預(yù)留通道相連的區(qū)的段基坑區(qū)域統(tǒng)稱為A區(qū)。將設(shè)計(jì)施工的建筑物其他位置根據(jù)實(shí)際施工要求標(biāo)定為B區(qū)和C區(qū)。我們采用明挖順作的方式對(duì)基坑進(jìn)行施工操作，圍護(hù)體系的施工建設(shè)則是采取鋼筋混凝土內(nèi)支撐、鋼支撐的形式進(jìn)行。研究人員根據(jù)實(shí)際情況選取特定的設(shè)計(jì)方案一號(hào)進(jìn)行探討，其設(shè)計(jì)施工理念為將B區(qū)、C區(qū)和A區(qū)同時(shí)開挖，直至A區(qū)的中間位置，在A區(qū)地下部分施工完成以后再進(jìn)行該A區(qū)上面部分的施工建設(shè)。

2.4 方案調(diào)整

施工人員根據(jù)實(shí)際情況，出于對(duì)安全因素的考慮，特將上述方案一做如下調(diào)整，即方案二：在B區(qū)、C區(qū)之間設(shè)置一道臨時(shí)用于封堵作用的墻體，在墻體兩側(cè)進(jìn)行分區(qū)域施工，以避免其他區(qū)域施工造成的影響，同時(shí)在對(duì)A區(qū)中板以下部分的施工完成以后，施工人員根據(jù)設(shè)計(jì)之初的既定方案進(jìn)行其相應(yīng)的頂板方面的施工建設(shè)，最后再進(jìn)行深基坑的建設(shè)和維護(hù)。

2.5 兩種設(shè)計(jì)方案的比較

第一，第二個(gè)方案的安全性較高，有利于保護(hù)周邊設(shè)施，但是臨時(shí)封堵墻的建設(shè)為后續(xù)清除工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)；第二，臨時(shí)建造的封堵墻增加了結(jié)構(gòu)施工縫的數(shù)量，在滲水方面提升了一定的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，與此同時(shí)，施工建設(shè)還會(huì)影響周邊居民配套設(shè)施的正常使用與維護(hù)；第三，方案一的施工工期相對(duì)較短，所花費(fèi)的成本較高，但是對(duì)相鄰管線以及地鐵造成的影響可能較大。

3 設(shè)計(jì)方案的分析與比較選擇

3.1 圍護(hù)樁墻、支撐的設(shè)計(jì)參數(shù)之間的比較

為了滿足設(shè)計(jì)及計(jì)算的信息要求，我們根據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)基坑穩(wěn)定性、圍護(hù)樁墻強(qiáng)度及變形控制等方面的要求，按照實(shí)際施工要求及建筑物的基本特征和功能需求設(shè)定好圍護(hù)墻的各個(gè)參數(shù)。

3.2 模型的維度、尺寸以及相關(guān)參數(shù)

考慮到邊界對(duì)現(xiàn)有建筑物的影響，統(tǒng)一將模型的邊界確定為結(jié)構(gòu)邊界外側(cè)25m。土體采用D-P方式進(jìn)行施工，并在初始應(yīng)力狀態(tài)分析及開挖過程模擬階段對(duì)土體賦予不同的彈性模量，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、各層結(jié)構(gòu)板和市政管線采用線彈性板單元進(jìn)行模擬應(yīng)用，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)采用線彈性梁?jiǎn)卧M。

3.3 計(jì)算結(jié)果

基坑的最大水平位移出現(xiàn)在基坑底面以上接近坑底的部位，與基坑圍護(hù)樁墻優(yōu)化分析時(shí)常采用的Winkle地基梁法算得的圍護(hù)墻體變形具有相同的規(guī)律。在對(duì)基坑施工完成之后，既有預(yù)留出入口上方雨水管的變形小于其相鄰兩側(cè)區(qū)域，源于該處水管底部距出入口頂板距離近，而出入口結(jié)構(gòu)沉降小，對(duì)雨水管具有類似結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的承托作用。為降低基坑施工時(shí)該區(qū)域水管因較大差異沉降而增加的水管損傷風(fēng)險(xiǎn)，雨水管敷設(shè)施工時(shí)，已在預(yù)留通道兩側(cè)各設(shè)置一座檢修井以增加管線對(duì)地層沉降的適應(yīng)能力。地鐵車站的底板變形呈現(xiàn)在近基坑開挖一側(cè)較大，往遠(yuǎn)處逐漸減小的特征。其中，平面上位于既有預(yù)留出入口區(qū)域的變形梯度較大。原因?yàn)橛?jì)算模型與所模擬的實(shí)際結(jié)構(gòu)具有差異性。各方案的基坑、車站底板及管線變形情況見表1：

3.4 結(jié)果分析

通過上述方案的對(duì)比分析我們得出，方案1受到的環(huán)境影響較方案2、方案3大，但仍可滿足周邊建、構(gòu)筑物的保護(hù)要求，特別是運(yùn)營(yíng)地鐵的安全要求。商業(yè)基坑雖然說在設(shè)計(jì)及施工中面臨開挖面積大、與地鐵車站及管線的平行段長(zhǎng)度長(zhǎng)等諸多問題，但基坑與車站平行段間的水平凈距位于基坑開挖的顯著影響區(qū)以外，區(qū)基坑與車站既有預(yù)留通道的銜接段，基坑的主要變形為橫斷面方向，即平行于地鐵車站的方向，且基坑沿深度方向設(shè)置三道內(nèi)支撐體系，由此對(duì)車站的直接影響較??；地鐵車站底板埋深大于本基坑的底板深度客觀上符合相鄰基坑開挖“先深后淺”的基本原則。同時(shí)，車站圍護(hù)墻底的深度較大，對(duì)地層位移具有一定的隔斷效果。因此，在具體的施工進(jìn)行之前，優(yōu)先選擇方案一具有很高的商用價(jià)值和實(shí)踐意義，值得各個(gè)相關(guān)單位關(guān)注和采納。

4 結(jié)語

本文以一個(gè)實(shí)際的深基坑支護(hù)工程設(shè)計(jì)作為研究案例，充分反映出深基坑支護(hù)工程所具備的重要意義，尤其是在復(fù)雜的環(huán)境下，更應(yīng)當(dāng)引起特別的注意。一不小心，就將會(huì)產(chǎn)生一定的不良后果，對(duì)生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅，因此在設(shè)計(jì)研究方面的工作人員應(yīng)當(dāng)考慮得更加全面，使設(shè)計(jì)出來的支護(hù)結(jié)構(gòu)更加科學(xué)和合理。

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作者簡(jiǎn)介：耿強(qiáng)（1986-），男，山西大同人，廣西華藍(lán)巖土工程有限公司工程師，研究方向：基坑支護(hù)與地基處理。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）