建筑工程深基坑開挖與支護(hù)技術(shù)研究

【摘要】研究旨在探討深基坑開挖與支護(hù)技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用效果，以提高支護(hù)效果和確保施工安全。以深圳某超高層建筑群深基坑工程為例，采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐支護(hù)體系，結(jié)合工程實(shí)踐、數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)分析方法進(jìn)行研究。支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析表明，現(xiàn)有支護(hù)系統(tǒng)滿足強(qiáng)度要求，但第四道支撐處需重點(diǎn)關(guān)注。研究驗(yàn)證了所采用支護(hù)體系在復(fù)雜地質(zhì)條件下的有效性，信息化監(jiān)測(cè)與施工相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了精確控制。

【關(guān)鍵詞】深基坑開挖；深基坑支護(hù)；數(shù)值模擬；信息化監(jiān)測(cè)

【中圖分類號(hào)】TU753 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）10-0105-03

0 引言

隨著城市化進(jìn)程加快，超高層建筑和地下空間開發(fā)日益普遍，深基坑工程面臨的挑戰(zhàn)不斷增加，為深入探討深基坑開挖與支護(hù)技術(shù)，提高支護(hù)效果，確保施工安全，本文通過分析實(shí)際工程案例，結(jié)合數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)評(píng)估了支護(hù)方案的有效性和適用性。

1 某超高層建筑群深基坑工程案例

1.1 工程概況

深圳某超高層建筑群深基坑工程位于福田區(qū)，是城市核心區(qū)域的重點(diǎn)項(xiàng)目[1]。工程占地面積約9 600 ㎡，基坑呈不規(guī)則多邊形，最大開挖深度達(dá)28.5 m。周邊環(huán)境復(fù)雜，東側(cè)15 m處為1棟30層辦公樓，南側(cè)30 m有地鐵線路通過。勘察顯示地層自上而下依次為填土層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖，以第四紀(jì)松散層和花崗巖殘積層為主。地下水位埋深2.8～3.5 m，主要為第四系孔隙水，地下水豐富。

1.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

支護(hù)方案采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐體系，針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件和嚴(yán)格的變形控制要求精心設(shè)計(jì)。地下連續(xù)墻厚1 000 mm，深度42 m，進(jìn)入中風(fēng)化花崗巖5 m以上，確保墻體穩(wěn)定性和止水效果。內(nèi)支撐系統(tǒng)由5道鋼管支撐組成，間距6 m，規(guī)格為Φ609 mm×16 mm，有效控制基坑變形[2]。為應(yīng)對(duì)高地下水位，設(shè)計(jì)三軸水泥攪拌樁止水帷幕，樁徑850 mm、搭接100 mm、深度46 m，形成連續(xù)水封。支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)嚴(yán)格把控，地下連續(xù)墻抗彎強(qiáng)度30 MPa，鋼支撐屈服強(qiáng)度345 MPa，水泥攪拌樁抗壓強(qiáng)度1.8 MPa，綜合考慮了荷載條件、土壓力分布和水壓力影響，以確保支護(hù)體系的整體性能和安全可靠性。

2 深基坑支護(hù)方案分析

2.1 支擋結(jié)構(gòu)類型對(duì)比

針對(duì)深圳地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件和嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)要求，常用支擋結(jié)構(gòu)包括地下連續(xù)墻、鋼板樁、樁錨支護(hù)和土釘墻[3]。地下連續(xù)墻具有強(qiáng)度高、止水性好的優(yōu)點(diǎn)，適用于深度超過20 m的基坑，但造價(jià)較高。鋼板樁施工速度快，可回收利用，但在硬土層和巖石層中施工困難。樁錨支護(hù)靈活性強(qiáng)，占用空間小，但對(duì)周邊環(huán)境影響較大。土釘墻造價(jià)低、施工簡(jiǎn)單，但深度受限，一般不超過12 m。不同支擋結(jié)構(gòu)性能對(duì)比如表1所示。

2.2 止水帷幕設(shè)計(jì)

止水帷幕設(shè)計(jì)是深基坑支護(hù)方案中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其在深圳這類地下水豐富的地區(qū)。針對(duì)該超高層建筑群項(xiàng)目，采用了三軸水泥攪拌樁技術(shù)構(gòu)建止水帷幕。帷幕深度設(shè)計(jì)為46 m，超出基坑底部17.5 m，有效切斷了主要含水層。攪拌樁直徑850 mm，搭接寬度100 mm，形成連續(xù)水封。水泥摻量為18%，通過室內(nèi)試驗(yàn)確定，確保攪拌樁抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.8 MPa，滲透系數(shù)控制在1×10-7 cm/s以下。為應(yīng)對(duì)復(fù)雜地層，采用變速攪拌技術(shù)，在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層降低攪拌速度至15 r/min，而在砂層和風(fēng)化巖層提高至25 r/min，以保證攪拌均勻性。帷幕與地下連續(xù)墻搭接處采用雙重搭接，增強(qiáng)整體防滲效果。施工過程中，每100 m設(shè)置一個(gè)檢測(cè)孔，進(jìn)行鉆芯取樣和注水試驗(yàn)，確保帷幕質(zhì)量。

2.3 支撐系統(tǒng)優(yōu)化

案例項(xiàng)目采用五道鋼管支撐，規(guī)格為φ609 mm×

16 mm，間距6 m。通過有限元分析，優(yōu)化了支撐布置，將上部?jī)傻乐伍g距減小到5 m，有效控制地表沉降。支撐軸力設(shè)計(jì)值為4 200 kN，考慮了20%的余量[4]。為提高支撐剛度，在四角和長(zhǎng)邊中部設(shè)置了斜撐，角度為45°，顯著減小了墻體位移。支撐端部采用可調(diào)節(jié)千斤頂，預(yù)加軸力為設(shè)計(jì)軸力的60%，有效控制變形?？紤]溫度影響，支撐采用分段設(shè)計(jì)，每30 m設(shè)置一道伸縮縫，防止溫度應(yīng)力集中。支撐與圍護(hù)結(jié)構(gòu)連接處采用鋼板加勁肋加固，提高局部承載力。同時(shí)，在支撐安裝過程中，采用測(cè)量放線與激光定位相結(jié)合的方法，將支撐安裝精度控制在±10 mm內(nèi)，確保支撐系統(tǒng)整體性能發(fā)揮。

3 深基坑開挖過程數(shù)值模擬

3.1 土體本構(gòu)模型選擇

案例項(xiàng)目深基坑工程的土體本構(gòu)模型選擇基于場(chǎng)地復(fù)雜地質(zhì)條件和工程特性。針對(duì)上覆的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，采用修正劍橋模型（MCC），該模型能夠較好地描述軟土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和體積變化特性，臨界狀態(tài)參數(shù)M通過三軸試驗(yàn)確定為1.2。對(duì)于粉細(xì)砂層，選用硬化土模型（HS），考慮了應(yīng)力水平對(duì)剛度的影響，通過室內(nèi)試驗(yàn)確定了特征剛度E50ref為35 MPa。全風(fēng)化花崗巖層采用彈塑性Mohr-Coulomb模型，cohesion取35 kPa，friction angle取28°。強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化花崗巖層則采用廣義Hoek-Brown模型，更準(zhǔn)確地反映了巖體的非線性特性，其中GSI值分別取35和50。地下水影響通過耦合分析考慮，采用滲流-應(yīng)力耦合模型，有效模擬了開挖過程中的孔隙水壓力變化。

3.2 開挖階段模擬

案例項(xiàng)目深基坑開挖過程數(shù)值模擬采用PLAXIS 3D軟件，基于土體本構(gòu)模型。模擬中將開挖過程分為8個(gè)階段，每階段激活相應(yīng)支撐單元，同時(shí)釋放相應(yīng)土體單元。從模擬結(jié)果可以看出，最大水平位移出現(xiàn)在開挖深度22 m處，數(shù)值為28.3 mm，與實(shí)測(cè)值26.8 mm吻合度高。地表最大沉降出現(xiàn)在基坑邊緣5 m處，為19.2 mm。支撐軸力隨開挖深度增加而增大，第四道支撐軸力最大，達(dá)到3 920 kN[5]。通過應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D分析，發(fā)現(xiàn)在連續(xù)墻底部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大剪應(yīng)力達(dá)到420 kPa。

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

案例項(xiàng)目深基坑工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析基于PLAXIS 3D數(shù)值模擬結(jié)果。地下連續(xù)墻最大彎矩出現(xiàn)在開挖深度17.5 m處，數(shù)值為1 240 kN .m/m，低于設(shè)計(jì)極限彎矩1 500 kN .m/m。墻體剪力峰值位于第三道支撐處，達(dá)到685 kN/m。支撐系統(tǒng)中，第四道支撐軸力最大，為3 920 kN，接近設(shè)計(jì)值4 200 kN的93%。通過應(yīng)力路徑分析，發(fā)現(xiàn)連續(xù)墻底部土體應(yīng)力狀態(tài)接近屈服面，最大主應(yīng)力達(dá)到1.2 MPa。墻背土體卸荷明顯，水平有效應(yīng)力減小約60%。支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體界面處的剪應(yīng)力分布呈“S”形，最大值420 kPa出現(xiàn)在開挖面以下2 m處。結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)果表明，現(xiàn)有支護(hù)系統(tǒng)滿足強(qiáng)度要求，但第四道支撐處應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，考慮增加剛度或調(diào)整布置。

4 深基坑變形控制技術(shù)

4.1 預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力技術(shù)在深圳超高層建筑群深基坑工程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用[6]。針對(duì)28.5 m深基坑，在鋼管支撐系統(tǒng)中應(yīng)用了預(yù)應(yīng)力技術(shù)。每道支撐采用200 t千斤頂施加預(yù)應(yīng)力，初始預(yù)應(yīng)力值為設(shè)計(jì)軸力的60%，即2 520 kN。預(yù)應(yīng)力施加采用分級(jí)加載法，每級(jí)20%設(shè)計(jì)軸力，持荷2 h觀測(cè)變形。支撐端部特別設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，精度達(dá)±1 mm，便于后期調(diào)整。預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用振弦式應(yīng)力計(jì)，每道支撐布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，形成實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)顯示，預(yù)應(yīng)力施加后，基坑周邊地表最大隆起量為2.3 mm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移減小了18.6%。支撐軸力損失率在15 d內(nèi)達(dá)到5.8%，之后趨于穩(wěn)定。預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，有效控制了基坑變形，為工程安全提供了有力保障。

4.2 土釘墻加固措施

案例項(xiàng)目深基坑工程在特定區(qū)段采用了土釘墻加固措施，有效控制了局部變形。土釘采用HRB400級(jí)φ28 mm螺紋鋼筋，長(zhǎng)度6～8 m，傾角15°，垂直間距1.5 m，水平間距1.2 m，呈梅花形布置。土釘孔徑110 mm，采用袖閥管注漿，注漿壓力0.5～1.0 MPa，水灰比0.45～0.5。面板采用C30噴射混凝土，厚度120 mm，內(nèi)置φ8@200雙向鋼筋網(wǎng)。土釘極限拔出力通過現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)確定，平均值達(dá)到180 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。施工過程中采用測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)土體水平位移，最大位移為22.3 mm，低于控制值30 mm。土釘墻與地下連續(xù)墻搭接處采用φ130 mm小導(dǎo)管加固，長(zhǎng)3 m，間距0.6 m，有效消除了薄弱區(qū)。土釘墻加固顯著提高了基坑整體穩(wěn)定性，減小了主支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

4.3 樁錨組合支護(hù)

案例項(xiàng)目深基坑工程在局部地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域采用樁錨組合支護(hù)技術(shù)，有效控制了大面積變形。采用φ800 mm鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)18 m，間距1.5 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30。樁間采用φ609 mm鋼管橫撐連接，形成整體剛度。錨索選用1 860級(jí)低松弛鋼絞線，由4根φ15.2 mm鋼絞線組成，設(shè)計(jì)承載力800 kN，傾角15°，長(zhǎng)度20～25 m，水平間距3 m。錨固段長(zhǎng)8 m，采用二次注漿工藝，注漿壓力2.5 MPa。錨頭采用YCM240型錨具，預(yù)應(yīng)力張拉采用分級(jí)加載法，張拉至設(shè)計(jì)荷載的1.1倍。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，樁錨組合支護(hù)區(qū)域最大水平位移為18.6 mm，較傳統(tǒng)支護(hù)方式減小了35%。樁身彎矩峰值為786 kN .m，低于極限值1 050 kN .m。錨索軸力損失率在90 d內(nèi)穩(wěn)定在6.2%，性能良好。

5 深基坑監(jiān)測(cè)與信息化施工

5.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置

案例項(xiàng)目深基坑工程采用全面的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置，確保施工全過程的安全控制。圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移采用22個(gè)測(cè)斜管，深度42 m，沿基坑周長(zhǎng)每30 m布置一個(gè)。地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)35個(gè)，呈網(wǎng)格狀分布，間距20 m，基坑邊緣加密至10 m。支撐軸力監(jiān)測(cè)采用18個(gè)軸力計(jì)，每道支撐選取3～4個(gè)代表性位置?？紫端畨毫Σ捎?2個(gè)振弦式孔隙水壓力計(jì)，埋設(shè)深度分別為基坑底面以下5、10、15 m?；拥茁∑鸨O(jiān)測(cè)采用8個(gè)深層沉降儀，布置在基坑中央?yún)^(qū)域。周邊建筑物傾斜監(jiān)測(cè)使用9個(gè)傾斜儀，安裝在距離基坑30 m范圍內(nèi)的重要建筑上。所有監(jiān)測(cè)設(shè)備通過無線傳輸模塊實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，構(gòu)建了完整的信息化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，為工程決策提供及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

5.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法

案例項(xiàng)目深基坑工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析采用多元統(tǒng)計(jì)和人工智能相結(jié)合的方法。時(shí)間序列分析用于預(yù)測(cè)變形趨勢(shì)，通過ARIMA模型，準(zhǔn)確度達(dá)到89%。主成分分析用于降維，從35個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)中提取5個(gè)主成分，解釋了總方差的87.3%。支持向量機(jī)（SVM）算法用于異常檢測(cè)，準(zhǔn)確率達(dá)95.2%，誤報(bào)率控制在3.1%以內(nèi)。模糊綜合評(píng)判法用于基坑安全性評(píng)估，綜合考慮變形、應(yīng)力和水壓力等因素，給出實(shí)時(shí)安全等級(jí)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于分析多個(gè)因素對(duì)基坑變形的影響，揭示了降雨量與變形速率的非線性關(guān)系。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)用于因果分析，識(shí)別出支撐軸力變化對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移的顯著影響。

5.3 預(yù)警閾值確定

案例項(xiàng)目深基坑工程預(yù)警閾值確定采用多級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制，結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬和工程經(jīng)驗(yàn)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移閾值采用分層設(shè)置，頂部控制在0.1%H（H為基坑深度），底部控制在0.15%H，預(yù)警值為控制值的80%。地表沉降閾值考慮周邊建筑敏感性，最大控制在30 mm，警戒值25 mm，預(yù)警值20 mm。支撐軸力閾值設(shè)為設(shè)計(jì)軸力的95%，并結(jié)合應(yīng)變率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整?？紫端畨毫ψ兓撝禐?0 kPa，與數(shù)值模擬結(jié)果吻合?；拥茁∑鹂刂圃诨由疃鹊?.2%以內(nèi)。閾值確定過程中，采用蒙特卡洛模擬方法評(píng)估不確定性，置信區(qū)間設(shè)為95%。實(shí)施中，通過貝葉斯更新法，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整閾值，使預(yù)警系統(tǒng)更加靈敏和可靠。

6 結(jié)語

通過深圳某超高層建筑群項(xiàng)目分析，驗(yàn)證了地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐支護(hù)體系在復(fù)雜地質(zhì)條件下的有效性。采用逆作法施工，結(jié)合優(yōu)化的開挖順序和支撐布置，有效控制了基坑變形。信息化監(jiān)測(cè)與施工相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的精確控制。研究結(jié)果表明，最大水平位移26.8 mm，低于預(yù)測(cè)值31.5 mm，證實(shí)了支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性。未來研究將聚焦于支護(hù)結(jié)構(gòu)的智能化設(shè)計(jì)、新型復(fù)合材料的應(yīng)用，以及基于大數(shù)據(jù)和人工智能的施工過程優(yōu)化，進(jìn)一步提升深基坑工程的安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，為城市深基坑工程提供更加可靠和高效的技術(shù)支持。

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[作者簡(jiǎn)介]王艷秋（1985—），女，本科，山東菏澤人，工程師，研究方向：土木工程。