深基坑工程設計的優化原理與途徑

詹龍曄 倪政東 莊書偉 吳載啟 魏天榕

摘 要：深基坑工程具有挑戰性強、高風險、難度也高的特點，本文基于城市建設用地存在較大局限性，當前社會的發展又對深基坑工程提出了較高要求的背景下論述了深基坑工程的優化設計原理，并提出了幾條深基坑工程優化設計的途徑。

關鍵詞：深基坑；設計；優化原理；途徑

1.前言

隨著我國經濟與城市建設的飛速發展，城市建設用地存在著較大的局限性、周圍環境也相對嚴峻，深基坑工程在開挖與維護的過程中較為復雜且受不確定因素影響，在此情況下深基坑工程即變成了一個挑戰性很強、風險很高、難度也高的巖土工程技術課題。在一定程度上，主要由于深基坑的工程涉及面廣、深基坑工程由多個環節連環構成，任何一個環節失控都將對工程造成消極的影響、并且深基坑工程不是一個簡單的孤立的支護工程等因素，使得深基坑工程成為一個復雜的系統工程。想要實現高質量完成深基坑工程的前提是需要一個優秀的工程方案，即優化設計，這樣才能有效地讓深基坑工程真正實現安全、經濟，這也是當前亟待解決的課題之一。

2.優化設計原理

深基坑工程的優化設計主要從技術的可靠性及施工是否可行、經濟效益、環境影響因素和工期四個方面展開。深基坑工程的優化設計主要根據階段的進展狀況，分為三級優化，其由系統優化、設計計算優化和反演分析優化三部分組成。系統優化，指的是方案優化，即根據某一具體的深基坑工程所要達到的目標選取一個最佳的設計方案。設計計算優化即指在確定相應的支護系統后，細化具體的方案并進一步優化計算，其目標是致力使深基坑工程總體造價達到數值最小。深基坑工程系統優化是整個深基坑工程優化設計至關重要的一步，也是整個深基坑工程優化設計的第一步，其由深基坑工程的概念設計、支護結構與地下水處理及周邊環境保護措施等方案的優化選擇。支護系統設計應當基于概念設計再著眼于可行方案的篩選與優化。

深基坑工程的概念設計是深基坑工程一種面向問題的方案設計方式，其貫穿了深基坑工程的一種整體設計思想。深基坑工程的概念設計是從解決問題的關鍵點著手，根據深基坑具體的幾何特征、土層特征、地下水特征及環境要素等再進行相應具體方案的選取；緊抓問題的關鍵節點，在定性的基礎上確立具體問題的相應對策措施。由于深基坑工程實踐性很強且相對復雜，當前，一方面存在理論落后于實踐的現象，這樣就導致實踐缺乏良好的導向，例如一些新技術新工法的應用和在相對復雜地質條件下開展施工深基坑工程；另一方面，一些理論和算法與模擬施工過程、實際施工工序不契合，不能反映出實際而具體的去年高考。此外，巖土材料也存在著不確定性以及受地域性的約束。所以，深基坑工程概念設計的主要途徑有建立在“經驗法則”基礎上的工程類比方法及“專家系統”，而具有時代氣息的信息化施工法是深基坑工程概念設計的必然趨勢。

3.優化設計途徑

3.1根據具體情況選用支護方案

一般情況下無支護或簡單護面的放坡方案是最經濟的選擇，當基坑開挖深度要求較高時，可考慮采取聯合支護型式，例如采取基坑邊坡上段適度放坡，下段采用噴錨網支護的方式。噴錨網支護是一張巖土原位加固技術，其主要由噴射混凝土面層錨桿、鋼筋網等聯合組成的支護結構，通過對土體進行嵌固、加筋作用，與土體形成共同工作體系。在土性較好的地層和基坑工程搶險中，網支護較為適用。在深度大于6m小于7m的深基坑工程中，懸臂樁和水泥攪拌樁擋墻組合的方案較為適用，由于懸臂樁承受的彎矩很大，其側向位移也很大。當采用懸臂樁支護的方式時，還應注重基坑位移對基坑周邊環境產生的影響。在基坑支護方案選用時，還應當充分考慮基坑空間效應，力爭使其達到優化的目的。

3.2根據深基坑周邊環境特點選用支護方案

在深基坑的施工過程中，其周邊環境也是重要決定因素之一，應當充分考慮基坑開挖地點周邊環境的嚴峻程度，再充分結合基坑開挖的目標深度、工程地質等條件確定相應的支護方案。在確定支護方案時充分考慮環境因素便于基坑工程的開展及安全系數的控制，且有利于選取經濟效益最佳的方案。國家行業標準《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120-99）中明確劃分了不同安全等級基坑側壁相應的支護結構選型及重要性系數。

本論文基于一項深基坑工程案例相關數據作出分析，地點位于上饒市，此深基坑工程的相應指標為：開挖面積為10000㎡左右，基坑各篇開挖深度不一，分別為10.3m，8.6m，8.3m和6.3m，整個基坑周邊以φ800mm，間距1.2m的鉆孔灌注樁排作主要支護結構。另根據各邊不同的開挖深度、環境及地層情況，再確定是否增設預應力錨桿和錨桿的排數。以下是不同安全等級與支護結構對比表。

據相關的工程監測資料表明，在深基坑開挖和基礎施工過程中，應保證周邊環境不受任何大的不良影響，這種設計方法及安全又經濟。

3.3采取有效的地下水處理措施

在深基坑工程的施工過程中還應控制好開挖場地的地下水，這是一個難題。深基坑工程開展中，處理地下水有降水措施、防水措施及降、防聯合措施三種方式。降水方式也多種多樣，按將水所處的位置可分為坑外降水和坑內降水兩類；按疏干地下水方式可分為為抽排疏干型和導滲減壓型兩類；防水措施主要采用豎向防滲圍幕和封底的方式。一般而言，降水措施較于防水措施更為經濟。然而，降水引起地面下降對基坑周邊環境會造成相應的消極影響。因此，降水方案提出了在滿足基坑開挖施工需要的前提下將坑外地下水的水坡力度和壓降或水位深度降至最低，這樣就能對周邊的環境產生的影響控制到最小。據大量的實踐調查顯示，降水與打防滲圍幕或回灌技術相結合的地下水處理措施能夠在滿足基坑開挖施工需要的前提下保護基坑周圍的環境，且經濟安全。

3.4重視信息化施工

深基坑工程是由一個土體、支護結構、周邊環境構成的共同作用的復雜的動態變化系統。僅依據理論分析難以制定出一個經濟效益高、可靠的基坑設計方案，因為設計方案的選取要考慮的因素很多，而其中的一些影響因素難以把控。例如巖土材料的不確定性、實驗數據的離散型、復雜的周邊環境以及偶然事件等。因此，在施工過程中應當實時定期監測整個深基坑工程系統，充分了解變化的趨勢，并對監測反饋的信息作出科學合理的分析，并提前進行預測。當出現險情預兆信號時，及時作出預警，并采取相應的精致處理措施，保證施工與環境的安全；當安全儲備過大是，應當及時作出相應的修改設計，對圍護措施進行相應的削減。并且，還可以根據定期監測所獲取的信息，反演計算參數，并根據反演計算參數重新分析而進行整分析變形預測。在必要的情況下，應當根據具體的情況對工程設計及施工步驟作出適當的修改，再繼續施工、監測。通過信息化施工，在一定程度上能夠有效地提高施工的安全系數，并制定合理的方案，讓施工過程效率高，經濟效益較好。

4結語

深基坑工程是一門相對復雜的系統工程，要充分考慮到周邊的環境，復雜的技術問題，且要選取經濟效益較高的深基坑工程設計。本文提出的優化途徑較為普遍常用，要想深基坑工程設計優化取得更好的進展，還需要人們不斷地探索和研究。

作者簡介

詹龍曄（1990-），男，漢族，福建龍巖人，助理工程師，研究方向：巖土工程。

（作者身份證號碼：350802199001037719）