巖土工程中深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方法

熊建良，蔡森鋼

1 巖土工程水理特性及深基坑支護(hù)特征

1.1 水理特性

在巖土工程深基坑支護(hù)中，科學(xué)合理地進(jìn)行水理特性分析，能最大限度地發(fā)揮深基坑支護(hù)體系職能，提升基坑支護(hù)效果。結(jié)合巖土工程建設(shè)實(shí)際可知，除崩解性外，巖土工程本身還具有膨脹性的特征。

（1）巖土工程崩解性代表了巖土的濕化能力，即巖土中滲透進(jìn)靜水后，靜水會(huì)破壞巖土土粒之間的連接結(jié)構(gòu)，此時(shí)巖土?xí)霈F(xiàn)崩散和解體現(xiàn)象，這不僅降低了巖土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，而且影響了巖土的穩(wěn)定性。工程實(shí)踐表明，巖土工程自身崩解性直接影響深基坑施工，當(dāng)崩解性越高時(shí)，深基坑施工所受到的影響就會(huì)更加明顯。

（2）地下水會(huì)對(duì)巖土的體積結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用，即巖土中滲入地下水時(shí)，自身的體積會(huì)有所膨脹，但是隨著水分的流失，早期發(fā)生膨脹的巖土又會(huì)逐漸恢復(fù)原來的體積，在巖土工程中，這一特性被稱為巖土的膨脹特性。膨脹特性對(duì)于巖土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性具有較大影響，深基坑項(xiàng)目建設(shè)中，巖土膨脹特性會(huì)引起基坑裂縫、突起、坍塌等。值得注意的是，巖土工程本身還具有溶水、持水、透水的特性，這些特性均會(huì)對(duì)深基坑項(xiàng)目的建設(shè)造成影響。

1.2 深基坑支護(hù)特征

深坑支護(hù)本質(zhì)上屬于臨時(shí)工程范疇，但其在項(xiàng)目建設(shè)中起到關(guān)鍵作用，能為深基坑建設(shè)及巖土工程后期施工創(chuàng)設(shè)良好、安全的環(huán)境。巖土工程項(xiàng)目建設(shè)中，深基坑支護(hù)具有區(qū)域性、綜合性、不確定性和多事故性的特征。

（1）工程項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)不同時(shí)，巖土的物理特性、力學(xué)特性也存在較大差異，這使得巖土深基坑支護(hù)因地區(qū)不同而存在較大差異?；诖?，在巖土工程深基坑支護(hù)初期階段，需系統(tǒng)開展勘察工作，掌握巖土地質(zhì)構(gòu)造、水質(zhì)情況等因素。

（2）巖土工程深基坑支護(hù)受諸多因素影響，工程建設(shè)人員不僅要考慮深基坑支護(hù)技術(shù)應(yīng)用情況，而且需分析支護(hù)技術(shù)與工程環(huán)境、工程建設(shè)安全性等因素的關(guān)聯(lián)性，這使得項(xiàng)目建設(shè)出現(xiàn)了系統(tǒng)性、綜合性的特征。此外，巖土內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性質(zhì)存在較大差異，這種差異導(dǎo)致工程項(xiàng)目建設(shè)存在較大的不確定性，增加了項(xiàng)目施工的危險(xiǎn)性，故在深基坑設(shè)計(jì)施工階段，還需考慮工程多事故性的特征，科學(xué)合理地開展項(xiàng)目設(shè)計(jì)，為后期安全施工奠定良好基礎(chǔ)。

2 深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題

2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算

巖土工程深基坑設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的專業(yè)性、綜合性和復(fù)雜性，為從源頭上提升項(xiàng)目設(shè)計(jì)質(zhì)量，需系統(tǒng)考慮項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算工作。①在巖土深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中，需系統(tǒng)考慮土體支撐力與土層受力情況，明確支撐體系與土層之間的關(guān)系。如在土層壓力計(jì)算中，應(yīng)基于多因素分析法進(jìn)行各要素影響效果的計(jì)算，消除單純分析主動(dòng)、被動(dòng)、靜止條件等極限狀態(tài)所帶來的片面性。②深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受諸多因素影響，在完成基坑支護(hù)后，隨著時(shí)間的推移及后期項(xiàng)目施工，土層含水率會(huì)因外界環(huán)境的影響而變化，這在一定程度上會(huì)對(duì)土體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，而這種變化會(huì)間接作用于支護(hù)體系。因此，在深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中，還需考慮巖土工程的漸變因素，提升支護(hù)體系設(shè)計(jì)質(zhì)量，滿足工程項(xiàng)目建設(shè)要求。

2.2 空間效應(yīng)

深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中，若僅考慮水平支撐力，忽視對(duì)基坑空間效益的分析，會(huì)使整個(gè)支撐體系出現(xiàn)缺陷，降低深基坑支護(hù)的可靠性?？梢?，深層次分析深基坑支護(hù)的空間效應(yīng)是巖土工程項(xiàng)目建設(shè)的內(nèi)在要求。工程實(shí)踐表明：在多種因素作用下，巖土工程深基坑在空間層面會(huì)發(fā)生位移，這種位移變化會(huì)使項(xiàng)目支撐體系失穩(wěn)，降低基坑支護(hù)的穩(wěn)定性和安全性。因此，在基坑支護(hù)體系設(shè)計(jì)中，有必要將基坑的空間效應(yīng)納入考慮范圍，分析空間位移對(duì)項(xiàng)目支護(hù)體系造成的間接影響，以此來提升項(xiàng)目支護(hù)設(shè)計(jì)的綜合效益。

2.3 土體取樣及參數(shù)選擇

在巖土工程深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)之初，規(guī)范化地開展項(xiàng)目測量，選取有代表性的土樣進(jìn)行土體力學(xué)特征分析，能為后期設(shè)計(jì)工作開展奠定良好基礎(chǔ)，從源頭上保證基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性。深基坑土體取樣過程中，要求具有豐富經(jīng)驗(yàn)的工作人員按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行取樣，在考慮深基坑土體結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的基礎(chǔ)上實(shí)施多點(diǎn)取樣，確保所選擇的土壤樣品具有代表性。另外，在完成土體取樣后，還應(yīng)結(jié)合樣品檢測的實(shí)際情況選擇力學(xué)參數(shù)，并通過該參數(shù)開展工程支護(hù)體系設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)的支護(hù)體系具有較強(qiáng)承載能力，能實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目施工過程的有效支撐和保護(hù)。

3 深基坑支護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 土層錨桿支護(hù)

土層錨桿支護(hù)技術(shù)是巖土工程深基坑支護(hù)中的常用方式，該支撐體系下，錨桿的一側(cè)銜接支護(hù)結(jié)構(gòu)，另一側(cè)插入結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的巖土中。從支護(hù)體系設(shè)計(jì)效果來看，錨桿支護(hù)技術(shù)在連接禁錮錨桿、土層灌漿的基礎(chǔ)上，將深基坑巖土結(jié)構(gòu)連接成一個(gè)整體，有效地提升了設(shè)備基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，為后期項(xiàng)目施工奠定了良好基礎(chǔ)。要進(jìn)一步深化土層錨桿支護(hù)技術(shù)應(yīng)用水平，在初期設(shè)計(jì)階段必須考慮以下因素。①土層錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)受巖土工程建設(shè)區(qū)域環(huán)境的影響，為準(zhǔn)確掌握巖土工程建設(shè)區(qū)域的地質(zhì)、水文環(huán)境，要求開展施工區(qū)域的系統(tǒng)勘察，并在具體勘察中考慮巖土工程的建設(shè)結(jié)構(gòu)、工程特征，然后規(guī)范化地進(jìn)行工程建設(shè)區(qū)域的土樣提取、參數(shù)選擇和數(shù)據(jù)計(jì)算。②將錨桿材料規(guī)格、性能等參數(shù)納入考慮范圍，尤其是要做好鋼管、鋼絲等材料性能的分析，確保桿體材料能滿足項(xiàng)目基坑支護(hù)體系建設(shè)及應(yīng)用需要。③在土層錨桿支護(hù)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)層面，應(yīng)從施工準(zhǔn)備、成孔、拉桿安裝、灌注、張拉錨固等環(huán)節(jié)開展錨桿支撐體系設(shè)計(jì)，并且在設(shè)計(jì)中需做好錨桿關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算分析，為后期項(xiàng)目施工提供有效指導(dǎo)。

3.2 土釘支護(hù)技術(shù)

巖土工程土層結(jié)構(gòu)不同，在深基坑支護(hù)體系設(shè)計(jì)中必須結(jié)合土層特征，差異化地選擇支護(hù)技術(shù)。譬如在地下水位較低的粘土、砂土、粉土地基中，可選擇土釘支護(hù)技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目基坑支護(hù)設(shè)計(jì)。就土洞支護(hù)技術(shù)而言，其不僅包括密集的土釘群，而且涉及混凝土面層和防水系統(tǒng)。相比于其他支護(hù)體系，土釘支護(hù)技術(shù)具有技術(shù)優(yōu)越、造價(jià)低廉、施工便捷的特征。土釘支護(hù)技術(shù)要點(diǎn)設(shè)計(jì)包括2個(gè)方面。①應(yīng)注重土釘支護(hù)技術(shù)應(yīng)用形態(tài)的設(shè)計(jì)，先錨后噴、先噴后錨是該技術(shù)應(yīng)有的2種基本形態(tài)，應(yīng)結(jié)合基坑挖土特性的設(shè)計(jì)情況選擇支護(hù)方式。②機(jī)械成孔是土釘支護(hù)施工的常用技術(shù)，在此項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)從鉆孔、注漿、安裝鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土面等環(huán)節(jié)開展設(shè)計(jì)，通常在噴射混凝土設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能地使用C20混凝土，并確保噴射混凝土厚度維持在80mm～100mm。結(jié)合工程實(shí)際可知，深基坑土釘墻施工中，鉆孔機(jī)抽出環(huán)節(jié)容易出現(xiàn)坍孔，應(yīng)采用套管成孔和擠壓成孔方式進(jìn)行處理，確保土釘支護(hù)技術(shù)適應(yīng)工程建設(shè)需要。另外，混凝土噴射是土釘支護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容，在混凝土噴射技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)中，要求采用空壓機(jī)作業(yè)時(shí)，設(shè)計(jì)空壓機(jī)的風(fēng)量保持在9m3/min，且壓力需大于0.5MPa；土釘墻孔位偏差設(shè)計(jì)中，要求孔位偏差保持在150mm以內(nèi)，鉆孔傾角保持在3°以內(nèi)。

3.3 深層攪拌樁技術(shù)

就深層攪拌樁而言，其采用水泥充當(dāng)固化劑，然后在深層攪拌機(jī)械的作用下，將軟土或砂等與固化劑強(qiáng)制拌和，這樣原先的軟土地基將得到硬化，這對(duì)于巖土工程項(xiàng)目建設(shè)具有積極作用。在巖土工程深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中，除淤泥、砂土地質(zhì)外，淤泥質(zhì)土、泥炭土和粉土均可使用深層攪拌樁技術(shù)進(jìn)行支護(hù)?；谠摷夹g(shù)開展巖土工程深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。①應(yīng)系統(tǒng)考慮樁機(jī)定位、對(duì)中、調(diào)平設(shè)計(jì)，要求移動(dòng)攪拌樁機(jī)到達(dá)指定樁位后，采用水準(zhǔn)儀設(shè)備進(jìn)行對(duì)正調(diào)平，設(shè)計(jì)攪拌樁機(jī)定位偏差保持在5cm以內(nèi)，樁架的垂直度偏差不大于1%，導(dǎo)向架垂直度小于1.0%樁長。②漿液配比設(shè)計(jì)是深層攪拌樁技術(shù)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，其直接關(guān)系著攪拌樁成樁的質(zhì)量，一般選擇C42.5水泥作為固化劑，同時(shí)要求漿液水灰比控制在0.45～0.50。此外，應(yīng)結(jié)合土質(zhì)環(huán)境，一般設(shè)計(jì)深層攪拌樁水泥用量不少于50kg/m。在攪拌沉樁作業(yè)設(shè)計(jì)中，要求按照?qǐng)龅仄秸?、樁基就位、攪拌下沉、拌制水泥漿、注漿攪拌提升、重復(fù)攪拌下沉、重復(fù)提升、關(guān)閉攪拌機(jī)、攪拌機(jī)移至下一樁位的流程進(jìn)行作業(yè)。在具體作業(yè)參數(shù)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)攪拌沉樁機(jī)鉆桿提升速度保持在0.5m/min～0.8m/min，注漿泵出口壓力控制在0.4MP～0.6MPa，實(shí)現(xiàn)漿液和土體充分拌和。隨后規(guī)范開展樁體搭接及質(zhì)量檢查設(shè)計(jì)，要求樁體搭接時(shí)間超過24h時(shí)，應(yīng)增加第2根樁體的注漿量，確保第2根樁體注漿量超出第1根20%。在樁體質(zhì)量建設(shè)設(shè)計(jì)中，要求重視檢查樣本抽取方法設(shè)計(jì)，同時(shí)做好夾心層及斷漿等問題檢測方法的設(shè)計(jì)，這樣能為后期施工提供有效指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)巖土基坑的有效圍護(hù)。

3.4 地下連續(xù)墻支護(hù)技術(shù)

當(dāng)巖土工程深基坑施工存在較大滲水時(shí)，可采用地下連續(xù)墻支護(hù)技術(shù)進(jìn)行處理。施工實(shí)踐中，基坑深度低于地下水位、巖土工程施工地點(diǎn)存在砂土層等問題時(shí)，均可采用該方法進(jìn)行處理。從施工過程來看，地下連續(xù)墻施工的振動(dòng)性較小，且墻體剛度較大，此外，其能有效提升土石項(xiàng)目的防滲效果，施工效果較好。在實(shí)際施工中，針對(duì)地下連續(xù)墻支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，還應(yīng)注重以下要點(diǎn)。①地下連續(xù)墻多采用混凝土澆筑施工方式，施工體量較大，可采用分層連續(xù)澆筑或推移式連續(xù)澆筑的方式進(jìn)行施工。②在實(shí)際澆筑中，應(yīng)嚴(yán)格遵守邊澆筑、邊振搗的工藝要求，要求振搗器垂直插入的深度不小于500mm，在振搗順序管理中，按照自后向前的順序進(jìn)行施工。此外，完成地下連續(xù)墻施工后，為確保良好的施工效果，還應(yīng)加強(qiáng)連續(xù)墻的養(yǎng)護(hù)管理，在養(yǎng)護(hù)中，嚴(yán)格控制墻體表面溫度、濕度，確保地下連續(xù)墻整體完整性。地下連續(xù)墻養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)控制在14d左右，這樣能有效提升防護(hù)墻的整體強(qiáng)度，保證巖土工程深基坑防護(hù)效果。

4 提升巖土工程中的深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)質(zhì)量的方法

4.1 依據(jù)工程需求合理設(shè)計(jì)

深基坑支護(hù)在巖土工程中占重要地位，依據(jù)工程需求合理設(shè)計(jì)，可保證地基承載力，增強(qiáng)工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性。那么在實(shí)際設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，需各部門積極參與，依據(jù)自身工作內(nèi)容深度探究，結(jié)合巖土工程實(shí)際要求，設(shè)計(jì)多種方案，通過測試方式選擇適合的設(shè)計(jì)方法，并在實(shí)踐中對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容適當(dāng)調(diào)整與完善，并掌握工程施工作業(yè)時(shí)的不確定因素、易發(fā)生的問題等，經(jīng)全面考量后，提前編制相應(yīng)的防控方案與措施，保證深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性，從而保證巖土工程綜合質(zhì)量。

4.2 加大設(shè)計(jì)工作管控力度

為保證深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)符合巖土工程建設(shè)要求，還需調(diào)整管控重心，能在此項(xiàng)工作中細(xì)致化地規(guī)劃與處理，提升深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)管理水平。再加上獎(jiǎng)懲制度、責(zé)任制度等的制定與實(shí)施，可避免人為因素對(duì)設(shè)計(jì)工作的影響。同時(shí)，還能完成工作職能細(xì)化工作，便于在問題發(fā)生時(shí)第一時(shí)間找到相應(yīng)負(fù)責(zé)人，經(jīng)全面分析后提出解決方案與措施，避免對(duì)后續(xù)工作的開展造成阻礙?，F(xiàn)場施工人員始終遵循“安全第一”的施工原則，依據(jù)責(zé)任制度保證工作質(zhì)量與進(jìn)度，在各部門及工作人員相互協(xié)作下，高效率、高質(zhì)量地完成巖土工程建設(shè)項(xiàng)目。

4.3 開展工程勘察工作

上述巖土工程在深基坑支護(hù)施工中，充分考慮當(dāng)?shù)氐淖匀坏刭|(zhì)保護(hù)情況，結(jié)合當(dāng)前需地質(zhì)支護(hù)的項(xiàng)目工程質(zhì)量來組織進(jìn)行，將地質(zhì)勘察支護(hù)工作重點(diǎn)落實(shí)下去，勘察內(nèi)容包括土質(zhì)地層主體結(jié)構(gòu)、地下室和水位等，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)當(dāng)前區(qū)域的實(shí)際情況。同時(shí)，該工程在建設(shè)中結(jié)合調(diào)查獲取的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行判斷，深入了解不同施工區(qū)域的地質(zhì)存在差異，并結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況特點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)的材料準(zhǔn)備工作，采取一系列的處理措施有效解決問題。

4.4 選取支護(hù)體系結(jié)構(gòu)

由于地質(zhì)環(huán)境因素對(duì)巖土工程的影響較大，為了有效保證上述項(xiàng)目在建設(shè)中深基坑支護(hù)的施工安全，應(yīng)根據(jù)自身地質(zhì)環(huán)境因素正確選擇支護(hù)體系結(jié)構(gòu)，合理選擇現(xiàn)代化技術(shù)開展建設(shè)，從而避免在實(shí)際建設(shè)過程中發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。在深基坑支護(hù)工作中，需要考慮地基結(jié)構(gòu)和軟弱巖層地基，如土質(zhì)較差，則需要對(duì)支護(hù)技術(shù)提出更高的要求，該工程為了讓深基坑支護(hù)施工更科學(xué)，實(shí)際建設(shè)前應(yīng)積極了解當(dāng)前環(huán)境的具體參數(shù)，隨后進(jìn)行科學(xué)計(jì)算與分析研究，為深基坑支護(hù)的穩(wěn)定性提供保障。

4.5 完善支護(hù)施工流程

深基坑支護(hù)項(xiàng)目受多種外在因素的影響，在設(shè)計(jì)和施工中，要定期進(jìn)行多次測量計(jì)算和數(shù)據(jù)測量，正確選擇有效的安全和質(zhì)量控制措施，相關(guān)數(shù)據(jù)采集中需要進(jìn)行二次校準(zhǔn)，避免因巖土工程深基坑支護(hù)的而埋下安全隱患。上述工程在實(shí)際施工中，首先確定開挖線、支護(hù)樁位置線等，設(shè)置支護(hù)樁、工程樁、連續(xù)梁、冠梁等一系列支撐梁，開挖土方過程中做好主體支護(hù)，全過程遵循先支撐后開挖的原則，在此基礎(chǔ)上針對(duì)現(xiàn)存問題采取養(yǎng)護(hù)措施，保證整體建設(shè)效果。

4.6 角撐梁、內(nèi)撐梁施工

基坑支護(hù)若存在問題，會(huì)為后續(xù)建設(shè)埋下安全隱患，常見病害類型主要分為三個(gè)方面，即防護(hù)加固工程結(jié)構(gòu)變形破壞、坡面變形病害和坡體變形病害。上述工程為了避免施工問題，要求在角撐梁施工過程中把樁表面的浮土清理干凈，確保同一標(biāo)高下的梁頂齊平，基坑凌空面若作業(yè)高度＞1.5m，則需要安裝配套安全網(wǎng)，以此構(gòu)建全面的安全防護(hù)體系，內(nèi)撐梁施工首先要設(shè)置立柱，保證設(shè)計(jì)與實(shí)際的施工情況相同，從而提高整體施工建設(shè)質(zhì)量。

4.7 加強(qiáng)施工檢測與監(jiān)測

深基坑支護(hù)技術(shù)的施工形式較多，需根據(jù)施工土壤性質(zhì)、基坑開挖深度，選擇安全系數(shù)較高的維護(hù)結(jié)構(gòu)與施工操作方式，避免施工時(shí)出現(xiàn)下沉、開裂、傾斜等安全事故。深基坑工程開挖施工前，根據(jù)設(shè)計(jì)表和圖紙準(zhǔn)確地測量施工作業(yè)面，不允許使用不同規(guī)格的合格材料產(chǎn)品，支護(hù)施工過程中要求進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，將3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)分別布置在基層支護(hù)主體結(jié)構(gòu)頂部、底部及中間節(jié)點(diǎn)位置，定期進(jìn)行巡視、記錄，為后續(xù)施工建設(shè)提供技術(shù)指導(dǎo)。

5 結(jié)語

規(guī)范化地開展深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)，能從源頭上實(shí)現(xiàn)深基坑支護(hù)施工質(zhì)量控制，為巖土工程項(xiàng)目建設(shè)奠定良好基礎(chǔ)。只有充分認(rèn)識(shí)到巖土工程水理特性和深基坑支護(hù)特征，深層次分析巖土工程深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，并加強(qiáng)深基坑支護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)過程方法把控，才能有效地提升深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)水平，促進(jìn)深基坑及巖土工程建設(shè)工作的有序開展。