市政工程軟土深基坑分區組合支護設計*

孫 勝

(宣城職業技術學院建筑藝術系，安徽 宣城 242000)

引言

市政工程是地方政府依據自身義務與責任在城市規劃范圍中建設的建筑物或者設備，這些建筑過程一般為有償或者無償形式，一般是為城市居民服務而建設，該類工程都是政府規劃城市建設時所需要完成的工程，因此建設要求較高.無論哪個城市，地下都蘊含豐富的地下水，水層附近會形成淤泥型軟土[1].市政工程多涉及城市建設規劃項目，其中排水管道修建和隧道建設的工作，不可避免需要對軟土實行挖掘和施工，為解決軟土對于工程進度造成的影響，需要在施工過程中采取相應措施[2].

施工過程中對地面開挖以后會形成一個基礎空間，這個空間就是基坑，針對基坑開展的工程是一個比較復雜的過程，一旦工程開始，形成基坑以后不但需要考慮到周邊環境以及基坑四壁之間的安全性，還需要綜合考慮經濟成本與建設施工的整體可靠性.施工中最需要優先考慮整體結構在施工過程中的便利性.部分市政工程體量較大，地下挖掘部分屬于軟土基坑超大型支護工程，這類工程需要關聯各種因素，在實際施工過程中需要對各類矛盾多方考慮[3-5].目前相關研究多集中在計算支護結構、施工環境優化、維護基坑穩定性等方面，但是不同地區，地層條件存在差異，氣候、溫度等眾多影響因素都會對大面積的軟土深基坑造成影響，若想同時滿足基坑安全維護與環境保護的要求，需要綜合使用圍護結構技術[6]，運用更加合理的空間組合降低組合支護之間存在的結構矛盾，使得市政工程或者其他工程更加具有經濟性與安全性[7].本文研究市政工程軟土深基坑分區組合支護設計方法，并綜合兩種設計方法，尋找最優最安全的組合形式，實現軟土深基坑的支護設計.

1 軟土深基坑分區組合支護設計

1.1 工程概況

本文所研究的市政工程為某地政府大樓修建工程，開挖日期為2019年8月27日.該工程項目包含一個龐大的雙層地下室，基坑的開挖深度為9～11 m，最深開挖深度接近14 m，施工周長與開挖面積分別達到1 800 m與5.8萬m2，以工程體量計算屬于超大型深基坑挖掘工程，由于該工程靠近河流水脈，挖掘后的基坑周圍淤泥質軟土厚度接近18 m，這些軟土嚴重影響基坑施工安全與施工穩定性，需要采取有效的支護措施解決這種情況.由于該市政建筑處于城市中心交通要道，地下線路管網密集，地上及地下環境都極為復雜，實際施工時，難度巨大.工程地層分布情況見表1.

表1 工程區域土層分布情況

除表1中工程區域地層概況以外，導致工程區域出現軟土的主要影響水系是第四系土層中空隙承載的壓力水與地面表層滯留的積水，第四系土層中的水是周圍河流滲入土層的地下水，該水與河流水之間形成互補關系，所以水量充沛，最高水位能達到18 m，年平均水位在2.5～4.5 m之間.本文所研究的市政工程根據工程整體需求情況，需要整體開挖工程主體土地，后期再挖掘地下室與聯絡通道[8].

1.2 分區組合支護設計方案

開展支護設計時考慮到水泥擋土墻只能解決淺基坑支護問題，所以本文研究中使用復合土釘支護結合拉錨式排樁的分區組合支護設計方案，提升市政工程軟土深基坑支護的穩定性與安全性.

本文市政工程軟土深基坑上道位置屬于淺坑，深度約為5.4 m，實行支護時使用三軸水泥攪拌樁擋土墻，所用水泥攪拌樁長度約為10.2 m，利用三軸型鉆掘攪拌機作為施工機，該軟土深基坑上道位置支護設計時還需要在基坑豎直方向布置四排土釘，該土釘是直徑4.9 mm×3.1 mm的鋼管，各個土釘之間的水平間距設置為1.3 m，豎直間距則為1.2 m，以梅花的形狀排列土釘，在10 cm的面層厚度處使用噴射的方式布置強度為C20的細石砼作為高壓噴射注漿，該土釘的內部還需要配置雙向鋼筋網片，網片直徑為0.66 cm，間距為20 cm[9].

下道位置屬于深坑部分，支護設計時使用拉錨式排樁支護形式.支護樁是沿基坑下道邊緣每1.5 m布置一根鋼筋混凝土(強度為C25)，所使用的支護樁數為85根，每根支護樁的直徑均為1 m，在支護樁的頂部設置標高為-7.2 m的帽梁頂，樁尖深入到第4層土層中，確保入土深度大于1.3 m.錨桿布置在1～3層的土層中(布置依據是軟土基坑開挖深度)，在巖層和土層中分別鉆出錨桿孔，直徑分別為16 cm和13 cm，錨桿的拉繩是直徑為0.6 cm的鋼絞絲.設定1.6 m作為錨桿水平間距[10].

對于支護樁使用的配筋數量需要實行計算，計算配筋量時，需要先計算得出圓形截面的配筋量，受拉區域100°～120°范圍中需要使用一半支護樁配筋量實現分布，針對受壓區域，只需要按照支護樁結構實現配筋即可.這種配筋方式不但能夠降低鋼筋整體用量，同時能夠符合支護樁整體結構的抗彎要求.通過計算結構，獲得支護樁水平位移和拉力等力學性能.

本文采用數字化方法解決鋼筋混凝土柱的配筋問題.對于基坑工程施工中的各個截面來說, 將其所受到的內力Pi、Mxi、Myi由基坑工程的鋼筋面積及中和軸位置確定.為此 ,本文構建以下三個方程式:

P=f(y1,y2,As)

(1)

Mx=G(y1,y2,As)

(2)

My=G(y1,y2,As)

(3)

式(1)～(3)中，P表示截面所受內力，Mx與My表示中和軸y1與平行軸y2二直線交點的縱坐標.As表示為鋼筋的面積 .解此方程組, 就能夠可求得鋼筋面積及相應的中和軸位置. 假定中和軸位置和鋼筋面積為已知量, 我們可得到相應的截面內力Pi、Mxi、Myi, 它們也為y1i、y2i、Asi的函數,即

Pi=F(y1i,y2i,Asi)

(4)

Mxi=G(y1i,y2i,Asi)

(5)

Myi=G(y1i,y2i,Asi)

(6)

令dPi=P-Pi, dMxi=Mx-Mxi,dMyi=My-Myi, 則當dPi、dMxi、dMyi小于某一值時, 這時的y1i、y2i、Asi即為設計所需值.

當截面抗力都由鋼筋承擔時，通過平衡條件獲得軸力和配筋的計算式，用無量綱形式表示為：

(7)

(8)

式(8)中，ns、ns1表示深基坑支撐軸力的水平與豎直方向受力，ω、ω1表示此時應變，as、as1表示深基坑支護垂直載荷以及側壁承擔水平載荷.據此得到配筋結果.

2 設計方法分析

為驗證本文方法設計的合理性以及支護效果，實現市政工程軟土深基坑分區組合支護設計，對該市政工程實施基坑監測.從工程深基坑開挖之始一直到2019年11月15日(監測日期)始終保持工程支護監測，支護墻體位移情況、土體位移以及水位觀測等都是主要監測內容，監測點布置與支護位置相對應.

2.1 監測結果分析

通過監測結果發現，支護結構的各項性能與深基坑的開挖深度呈正比例關系，邊坡土壤出現的位移隨深度增加而逐漸呈上升趨勢，分析出現這種情況的原因，主要是由于深基坑內的土壤不斷被開挖出來，在坑內的支護樁發生位移變化，導致出現了提升側壓力的情況.

監測基坑內深層位置的土體出現位移情況，發現在布置的測斜孔頂部區域出現比較大的位移，但是符合安全范圍要求.對于支護墻體進行監測，結果顯示，拆除深基坑水平支撐以后，支護墻的位移遠大于46 mm(該值為預警值)，隨著時間的增加，位移最高接近52.75 mm.分析這種超出預警值的原因，主要由于在深基坑及靠近南部的位置搭建了一個上下坡道平臺，在這個平臺上出現一個與基坑平行的裂縫，裂縫寬度接近6 mm，經過分析發現，可能導致這種裂縫出現的原因是：

1)在深基坑南部設置的幾個監測點(A、B、C)處于深度較大的基坑附近，最深處的深度達到16 m，該處支護樁及墻體承受了更大的土體壓力.

2)該市政工程軟土深基坑的南部堆積較多鋼筋，在監測點C附近還設置了用于運輸土體的棧橋，較大質量的運輸車輛從這個位置運輸土體，造成在這個支護結構和邊坡土體中存在較大荷載.

3)在監測點B附近存在一個塔吊，在工程進入下一個進度之后，部分混凝土殘渣被塔吊運出，導致裝吊荷載升高，造成塔吊周圍的邊坡出現比較嚴重的水平變形，這種變形在最嚴重的情況下造成監測點B的頂部累積位移大大超出預警值.為解決這種情況，施工方采取措施降低塔吊的裝載荷載，這種措施在一定程度上降低了監測點B頂部位置的位移，使位移狀態實現收斂，在該措施使用一段時間以后，位移逐漸回落到預警值以下.

2.2 監測點分析

監測支護軸力的預警值為11 800 kN，檢測點為深基坑南部，監測點編號分別為X、Y、Z，統計監測結果顯示，在挖掘施工過程中，接近標高位置時，三個軸力監測點均出現較高的同時段預警信息，對這種預警情況展開深入分析發現，監測點Y與監測點Z設置于深基坑的東面環梁上，在深基坑西南角位置的環梁上則布置監測點X，建設所需要的鋼筋都堆積在深基坑的南面，土體運輸車輛從深基坑的西南角駛出施工區域，施工便道接近基坑東面的土體邊坡.綜合以上多種情況，承載較大壓力的土體運輸車輛以及質量較大的鋼筋配件與鋼筋本體大量積壓在東南方向的環梁上，對東南環梁產生極大荷載，造成該區域的環梁軸力出現明顯升高.在實際的建筑施工中，可以通過混凝土澆筑支護樁與建筑底板等措施降低環梁軸力，使得環梁軸力逐漸降低.本文以監測點X為例，對監測點X環梁軸力變化情況進行分析，結果如圖1所示.

圖1 2019年監測點X環梁軸力變化情況

從圖1中可以看出，2019年9～11月這3個月之中，從初始階段監測，由于各因素影響，環梁軸力升高并超過預警值，但是在施工過程中不斷采取措施，改進施工現場情況，環梁軸力逐漸下降，10月9日開始軸力逐漸回落，說明除去外部因素干擾，本文設計的組合支護方案能夠獲得良好的軟土深基坑支護效果.

Y監測點位置環梁軸力變化情況見圖2.從圖2中能夠看出，在2019年9月6日后,Y環梁軸力明顯上升，后期經過調整，10月8日之后，環梁軸力逐漸下降，說明除去外部因素干擾，本文設計的組合支護方案能夠獲得良好的軟土深基坑支護效果.

圖2 2019年監測點Y環梁軸力變化情況

Z監測點位置環梁軸力變化情況見圖3.分析圖3可知，對于監測點Z來說，2019年9月6日到10月8日，Z環梁軸力明顯處于較高水平，在10月8日之后，Z環梁軸力逐漸下降，這表明在3個月的施工期內本文設計的組合支護方案能夠獲得良好的軟土深基坑支護效果.

圖3 監測點Z環梁軸力變化情況

統計研究對于軟土深基坑的施工情況，在3個月的施工期內各監測點反饋的結果均在規定范圍之內，說明本文設計的組合支護方法能夠實現良好的支護效果.

3 結論

本文研究設計市政工程軟土深基坑分區組合支護方法，使用組合支護的方式實現市政工程的穩定安全生產建設.綜合來看，對于靠近水系附近的建筑工程，地下水資源豐富，建筑施工向土層深處挖掘時更容易遇到軟土，這類軟土不利于工程開展，因此需要采取支護手段實現軟土深基坑建設.相比于單獨支護手段，本文這類組合支護方法能夠有效解決隨著挖掘深度增加導致的軟土危險系數升高問題，提升了市政工程軟土深基坑分區組合支護設計，通過監測結果也驗證了本文方法的支護結果能夠有效實現安全施工.