大型礦山巖土工程深基坑支護(hù)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(duì)，江蘇 南京 210000）

巖土工程在20世紀(jì)60年代起始于歐美國家，是根據(jù)土木工程在實(shí)踐所形成的技術(shù)體制[1]。巖土工程深基坑支護(hù)作為一種在巖土工程深基坑工作中起到支撐作用的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，是保障巖土工程能夠順利進(jìn)行的有效方式。傳統(tǒng)深基坑支護(hù)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(hù)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(hù)方案必須具有甲級(jí)資質(zhì)的單位提交的：巖土工程勘察報(bào)告、深基坑施工設(shè)計(jì)書和設(shè)計(jì)圖紙、深基坑支護(hù)專項(xiàng)方案、深基坑開挖專項(xiàng)方案、深基坑安全施工專項(xiàng)方案、深基坑施工應(yīng)急措施以及深基坑降水方案設(shè)計(jì)書等。結(jié)合美籍奧地利土力學(xué)家太沙基和帕克等人于20世紀(jì)40年代對(duì)深基坑的定義，通過預(yù)估支護(hù)穩(wěn)定度的原理對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。考慮到深基坑在支護(hù)過程中，一旦出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，很容易導(dǎo)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(diǎn)針對(duì)大型礦山巖土工程深基坑支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化研究，致力于提高深基坑支護(hù)的穩(wěn)定度。并結(jié)合大型礦山巖土工程深基坑支護(hù)實(shí)例進(jìn)行分析，證明本文針對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。

1 大型礦山巖土工程深基坑支護(hù)方案優(yōu)化研究

1.1 設(shè)計(jì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)細(xì)部

考慮到大型礦山巖土工程深基坑在實(shí)際支護(hù)工作中，必然會(huì)受到外界因素的影響[2]。因此，針對(duì)大型礦山巖土工程的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)，必須明確兩個(gè)總體控制目標(biāo)，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(duì)以上深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)細(xì)部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可分為三級(jí)優(yōu)化。一級(jí)優(yōu)化內(nèi)容為選擇匹配度最高的深基坑支護(hù)類型，決定匹配度的因素包括：支護(hù)方案、地下水處理方案、土方開挖方案、環(huán)境保護(hù)方案以及監(jiān)測(cè)方案，結(jié)合大型礦山巖土工程的實(shí)際情況對(duì)以上方案的綜合性選擇。在支護(hù)方案中，重點(diǎn)細(xì)部包括：基坑開挖涉及土層分析、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、樁基持力層選擇以及基坑監(jiān)測(cè)。二級(jí)優(yōu)化內(nèi)容為針對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)、防滲水以及環(huán)境保護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。三級(jí)優(yōu)化內(nèi)容為巖土工程施工過程的實(shí)施優(yōu)化，其中包括：安全性、工期合理性以及造價(jià)經(jīng)濟(jì)。

1.2 計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)細(xì)部中影響支護(hù)穩(wěn)定度最重要的因素，傳統(tǒng)支護(hù)方案采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法(靜力平衡法)進(jìn)行計(jì)算，而本文針對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算方式上的優(yōu)化，采用國內(nèi)外中最為先進(jìn)的假想梁法進(jìn)行計(jì)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(jiǎn)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(yùn)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(jì)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(jì)算擋墻的內(nèi)力可以推導(dǎo)出圍護(hù)結(jié)構(gòu)的中心位置[3]。在計(jì)算圍護(hù)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(diǎn)位置。本文設(shè)計(jì)的假象點(diǎn)的位置均依據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》基坑手冊(cè)JGJ 120-99，通過設(shè)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，致力于滿足大型礦山巖土工程深基坑支護(hù)的實(shí)際需求。

圖1 假想梁法示意圖

1.3 完成深基坑支護(hù)方案優(yōu)化

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的深基坑支護(hù)方案主要流程為：首先，進(jìn)行無支護(hù)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(jìn)行下部樁支護(hù)；利用單排懸臂裝、雙排懸臂樁以及水泥土攪拌樁，進(jìn)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(hù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(hù)。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(duì)深基坑側(cè)壁及周邊環(huán)境采用的支擋、加固與保護(hù)措施。深基坑支護(hù)方案必須綜合考慮場(chǎng)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(duì)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(hù)結(jié)構(gòu)使用期限等因素，做到因地制宜、因時(shí)制宜、精心勘察、合理設(shè)計(jì)、精心施工、嚴(yán)格監(jiān)控。

2 實(shí)例分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

表1 巖土工程勘察報(bào)告的結(jié)果

本文實(shí)例分析選取M大型礦山進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，針對(duì)M大型礦山的巖土工程勘察報(bào)告由A市地建巖土工程有限公司提出。巖土工程勘察報(bào)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(fù)雜地形。

分別使用傳統(tǒng)支護(hù)方案以及本文優(yōu)化設(shè)計(jì)后的支護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，設(shè)置傳統(tǒng)的支護(hù)方案為實(shí)驗(yàn)對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容為測(cè)試兩種支護(hù)方案的支護(hù)穩(wěn)定度，共進(jìn)行10次實(shí)驗(yàn)，從而評(píng)定支護(hù)安全性更高的支護(hù)方案。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將兩種支護(hù)方案下的支護(hù)穩(wěn)定度進(jìn)行對(duì)比。

為更加直觀地表現(xiàn)出兩種支護(hù)方案在支護(hù)穩(wěn)定度方面的差異，將兩種支護(hù)方案下得出的支護(hù)穩(wěn)定度以表格的形式進(jìn)行對(duì)比，對(duì)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(hù)方案支護(hù)穩(wěn)定度明顯高于實(shí)驗(yàn)對(duì)照組，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)深基坑的穩(wěn)定支護(hù)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所優(yōu)化的支護(hù)方案其各項(xiàng)功能均可以滿足大型礦山巖土工程深基坑支護(hù)的實(shí)際需求，可以廣泛應(yīng)用于深基坑支護(hù)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(hù)難度大，傳統(tǒng)深基坑支護(hù)方案已經(jīng)無法滿足大型礦山巖土工程深基坑支護(hù)的實(shí)際需求。通過大型礦山巖土工程深基坑支護(hù)方案優(yōu)化研究，要求深基坑支護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)精細(xì)化程度，打造“全方位支護(hù)”。通過仿真實(shí)驗(yàn)證明，本文優(yōu)化的深基坑支護(hù)方案在大型礦山巖土工程深基坑支護(hù)中的具體優(yōu)勢(shì)已經(jīng)顯現(xiàn)出來。支護(hù)穩(wěn)定度的高低是保證大型礦山巖土工程深基坑支護(hù)安全性的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)，而針對(duì)深基坑支護(hù)方案進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化計(jì)算設(shè)計(jì)可以大幅度提高支護(hù)穩(wěn)定度。優(yōu)化后的支護(hù)方案不但能夠完成傳統(tǒng)支護(hù)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(hù)領(lǐng)域的研究提供學(xué)術(shù)意義。