大型礦山巖土工程深基坑支護方案優(yōu)化研究

袁亞坤，賀印豪

（1.江蘇省地質(zhì)環(huán)境勘查院，江蘇 南京 210000；2.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局八〇五隊，江蘇 南京 210000）

巖土工程在20世紀60年代起始于歐美國家，是根據(jù)土木工程在實踐所形成的技術(shù)體制[1]。巖土工程深基坑支護作為一種在巖土工程深基坑工作中起到支撐作用的臨時結(jié)構(gòu)，是保障巖土工程能夠順利進行的有效方式。傳統(tǒng)深基坑支護常見的方式包括：鋼板樁、橫列板、鉆孔（挖孔）樁+注漿或旋噴樁、旋噴樁、深層攪拌樁、SMW工法、地下連續(xù)墻、咬合樁、錨噴、管棚、冰凍法、放坡、等都是圍護體系工字鋼圍檁、鋼管支撐、混凝土支撐等。大型礦山巖土工程深基坑支護方案必須具有甲級資質(zhì)的單位提交的：巖土工程勘察報告、深基坑施工設(shè)計書和設(shè)計圖紙、深基坑支護專項方案、深基坑開挖專項方案、深基坑安全施工專項方案、深基坑施工應(yīng)急措施以及深基坑降水方案設(shè)計書等。結(jié)合美籍奧地利土力學家太沙基和帕克等人于20世紀40年代對深基坑的定義，通過預估支護穩(wěn)定度的原理對支護結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。考慮到深基坑在支護過程中，一旦出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，很容易導致事故的發(fā)生，直接威脅礦山工作人員的人身安全。因此，本文重點針對大型礦山巖土工程深基坑支護方案進行優(yōu)化研究，致力于提高深基坑支護的穩(wěn)定度。并結(jié)合大型礦山巖土工程深基坑支護實例進行分析，證明本文針對方案進行優(yōu)化設(shè)計的可行性。

1 大型礦山巖土工程深基坑支護方案優(yōu)化研究

1.1 設(shè)計深基坑支護結(jié)構(gòu)細部

考慮到大型礦山巖土工程深基坑在實際支護工作中，必然會受到外界因素的影響[2]。因此，針對大型礦山巖土工程的深基坑支護結(jié)構(gòu)細部設(shè)計，必須明確兩個總體控制目標，分別為：巖土條件以及基坑條件。

大型礦山的巖土條件中包括：工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境條件以及周邊氣候條件；而基坑條件中包括：基坑深度、基坑形狀、地面條件、施工條件以及施工工期。

針對以上深基坑支護結(jié)構(gòu)細部進行優(yōu)化設(shè)計，可分為三級優(yōu)化。一級優(yōu)化內(nèi)容為選擇匹配度最高的深基坑支護類型，決定匹配度的因素包括：支護方案、地下水處理方案、土方開挖方案、環(huán)境保護方案以及監(jiān)測方案，結(jié)合大型礦山巖土工程的實際情況對以上方案的綜合性選擇。在支護方案中，重點細部包括：基坑開挖涉及土層分析、圍護結(jié)構(gòu)、樁基持力層選擇以及基坑監(jiān)測。二級優(yōu)化內(nèi)容為針對支護結(jié)構(gòu)、防滲水以及環(huán)境保護的優(yōu)化設(shè)計。三級優(yōu)化內(nèi)容為巖土工程施工過程的實施優(yōu)化，其中包括：安全性、工期合理性以及造價經(jīng)濟。

1.2 計算圍護結(jié)構(gòu)

圍護結(jié)構(gòu)作為深基坑支護結(jié)構(gòu)細部中影響支護穩(wěn)定度最重要的因素，傳統(tǒng)支護方案采用常規(guī)設(shè)計方法(靜力平衡法)進行計算，而本文針對圍護結(jié)構(gòu)進行計算方式上的優(yōu)化，采用國內(nèi)外中最為先進的假想梁法進行計算。首先，假定大型礦山巖土工程中擋墻在基底以下有一假想鉸，通過假想鉸能夠把擋墻劃分為兩段假想梁。假想梁法具體示意圖，如圖1所示。

通過圖1可知，可以將上部稱為簡支梁，也就是例單撐結(jié)構(gòu)；下部可以看作一次超靜定結(jié)構(gòu)。這樣一來，就能夠求得擋墻的內(nèi)力。運用庫倫土壓力理論，根據(jù)力平衡關(guān)系，設(shè)擋墻的內(nèi)力為E，則其計算公式，如公式（1）所示。

在公式（1）中，g指的是庫倫土壓力系數(shù)；H指的是墻背與垂直線之間的夾角；K指的是填土面與水平面之間的夾角，可以證明通過庫倫土壓力理論計算擋墻的內(nèi)力可以推導出圍護結(jié)構(gòu)的中心位置[3]。在計算圍護結(jié)構(gòu)的過程中，基于采用庫倫土壓力理論可以求解多支撐雌桿擋墻的內(nèi)力，其中最關(guān)鍵的參數(shù)就在于確定假想點位置。本文設(shè)計的假象點的位置均依據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》基坑手冊JGJ 120-99，通過設(shè)計圍護結(jié)構(gòu)，致力于滿足大型礦山巖土工程深基坑支護的實際需求。

圖1 假想梁法示意圖

1.3 完成深基坑支護方案優(yōu)化

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的深基坑支護方案主要流程為：首先，進行無支護開挖；再通過上不放坡結(jié)合下部土釘墻以及上部土釘墻進行下部樁支護；利用單排懸臂裝、雙排懸臂樁以及水泥土攪拌樁，進行上部放坡、下部錨樁

以及上部土釘墻、下部錨樁；做好錨樁支護的基礎(chǔ)上，進行內(nèi)支撐、地下連續(xù)墻；最后，通過逆作法施工完成深基坑支護。為保證大型礦山巖土工程施工及基坑周邊環(huán)境的安全，對深基坑側(cè)壁及周邊環(huán)境采用的支擋、加固與保護措施。深基坑支護方案必須綜合考慮場地工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、基坑開挖深度、降排水條件、基礎(chǔ)類型、周邊環(huán)境對基坑側(cè)壁變形控制的要求、基坑周邊荷載、施工季節(jié)及施工條件、支護結(jié)構(gòu)使用期限等因素，做到因地制宜、因時制宜、精心勘察、合理設(shè)計、精心施工、嚴格監(jiān)控。

2 實例分析

2.1 實驗準備

表1 巖土工程勘察報告的結(jié)果

本文實例分析選取M大型礦山進行實驗，針對M大型礦山的巖土工程勘察報告由A市地建巖土工程有限公司提出。巖土工程勘察報告的具體結(jié)果，如表1所示。

結(jié)合表1信息，M大型礦山土層一共分為五層，屬于復雜地形。

分別使用傳統(tǒng)支護方案以及本文優(yōu)化設(shè)計后的支護方案進行對比實驗，設(shè)置傳統(tǒng)的支護方案為實驗對照組。實驗主要內(nèi)容為測試兩種支護方案的支護穩(wěn)定度，共進行10次實驗，從而評定支護安全性更高的支護方案。

2.2 實驗結(jié)果分析與結(jié)論

根據(jù)上述設(shè)計的實驗步驟，采集實驗數(shù)據(jù)，將兩種支護方案下的支護穩(wěn)定度進行對比。

為更加直觀地表現(xiàn)出兩種支護方案在支護穩(wěn)定度方面的差異，將兩種支護方案下得出的支護穩(wěn)定度以表格的形式進行對比，對比結(jié)果如表2所示。

通過表2可得出如下的結(jié)論：本文優(yōu)化的支護方案支護穩(wěn)定度明顯高于實驗對照組，可以實現(xiàn)對深基坑的穩(wěn)定支護。通過實驗結(jié)果證明，所優(yōu)化的支護方案其各項功能均可以滿足大型礦山巖土工程深基坑支護的實際需求，可以廣泛應(yīng)用于深基坑支護方面。

3 結(jié)束語

但由于大型礦山的高度普遍較高，并且支護難度大，傳統(tǒng)深基坑支護方案已經(jīng)無法滿足大型礦山巖土工程深基坑支護的實際需求。通過大型礦山巖土工程深基坑支護方案優(yōu)化研究，要求深基坑支護方案必須充分結(jié)合大型礦山的地質(zhì)特征，提升深基坑支護結(jié)構(gòu)精細化程度，打造“全方位支護”。通過仿真實驗證明，本文優(yōu)化的深基坑支護方案在大型礦山巖土工程深基坑支護中的具體優(yōu)勢已經(jīng)顯現(xiàn)出來。支護穩(wěn)定度的高低是保證大型礦山巖土工程深基坑支護安全性的主要衡量標準，而針對深基坑支護方案進行圍護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化計算設(shè)計可以大幅度提高支護穩(wěn)定度。優(yōu)化后的支護方案不但能夠完成傳統(tǒng)支護方案所不能完成的任務(wù)，還能以庫倫土壓力理論為核心理論，為大型礦山巖土工程深基坑支護領(lǐng)域的研究提供學術(shù)意義。