空間受限條件下深基坑支護設計與施工

盧增毅

深基坑支護在建筑領域中起到支撐建筑結構和加固穩定建筑的作用，是建筑地下空間開發利用過程中必不可少的一項技術。由于地下空間和結構被人為破壞，增加周圍地質環境和地理環境的敏感性，為了降低其對建筑結構穩定性和建筑施工安全性的影響，隨著深基坑開挖深度的增加，考慮使用深基坑支護技術。深基坑支護是在深基坑開挖過程中由于不存在放坡空間或放坡空間不足而采取的支檔或護坡方案。深基坑支護問題屬于綜合性的巖土工程問題，主要包含擋土、支護、防水、降水、挖土等許多緊密聯系的環節，其影響因素較多，與場地條件、地層情況、水文地質條件、施工管理、現場監測及相鄰施工場地的施工相互影響等密切相關，所以存在一定的安全隱患。目前深基坑支護設計與施工理論已經具有一定的地區經驗性，但是隨著建筑行業的不斷發展，隨之而來的多層地下室、地下車站、地下隧道等建筑工程大量出現，這種大型的地下結構工程對深基坑支護設計與施工質量要求較高，高層地下室、地下車站以及地下隧道不僅挖深較大，而且深基坑支護施工過程是在一個有限空間環境內，使深基坑支護逐漸發展為具有施工操作空間小、挖深較大特點的技術工藝。深基坑支護設計與施工需要充分考慮空間受限條件，這樣才能保證設計精度與施工質量。但是目前現有的深基坑支護設計并未考慮空間受限條件，并且在該方面的理論研究也比較少，仍然采用原有的設計理論對深基坑支護進行設計，導致施工后基坑發生水平方向和垂直方向位移，并且位移量較大，已經超出可控范圍，為此提出空間受限條件下深基坑支護設計與施工，為深基坑支護設計與施工提供參考依據。

1 空間受限條件下深基坑支護設計

1.1 空間受限條件下深基坑支護結構形式選擇

深基坑支護設計的第一個步驟是選擇一個合適的深基坑支護結構形式，深基坑支護結構形式主要有懸臂式排樁、三維立體式排樁、排樁+預應力錨桿支護、地下連續墻、排樁內支撐支護以及組合型支護六種，每種深基坑支護結構形式都具有鮮明的個性，需要結合具體施工環境條件來確定，其中包括地層結構、土層分布、地下水空間分布特征、深基坑挖深大小等，綜合考慮確定深基坑支護結構形式。空間受限條件是一種特定環境，對于空間受限條件下深基坑支護結構形式與普通深基坑在本質上是相同的，但是由于自身條件特點又使空間受限條件下深基坑支護結構形式與其他深基坑不完全等同，考慮到空間受限條件下深基坑支護施工機械操作難度較大，不利于大型機械施工，并且空間受限條件下深基坑開挖施工并不具備放坡條件，在施工過程中容易擾動深基坑基礎持力層。綜合考慮以上空間受限條件下深基坑支護特點，采用懸臂式排樁作為空間受限條件下深基坑支護結構形式。

1.2 深基坑支護結構參數設計

根據空間受限條件選擇懸臂式排樁支護結構形式，這種支護結構形式是由多組樁錨組合形成，其主要組成部分包括冠梁、排樁、腰梁、錨桿等，在整個結構中錨桿參數是結構設計的關鍵，其關系到深基坑支護實際效果，因此對其支護結構參數設計主要是考慮空間受限條件確定錨桿長度、樁徑、埋深等。在對深基坑支護參數設計之前需要分析空間受限條件下深基坑支護的受力情況，在有限的空間環境下深基坑支護結構主要受到土壓力外力作用，深基坑周圍巖土壓力作用在深基坑支護結構上，影響其發生變形和位移，因此深基坑土壓力是深基坑支護結構的首要載荷因素，其由靜土壓力、被動土土壓力以及主動土土壓力三種力組成，如圖1所示。

圖1 深基坑支護結構的巖土壓力示意圖

如圖1所示，當深基坑周圍巖土結構處于彈性平衡狀態時，深基坑支護結構處于靜止狀態，此時受到的是靜止土壓力。隨著深基坑挖深深度的增加，深基坑周圍巖土結構向背離巖土方向發生位移，此時深基坑支護結構受到主動土壓力；當深基坑周圍土體向下發生偏移時，深基坑支護結構會受到被動土壓力作用。為了保證設計的深基坑支護可以滿足空間受限條件下深基坑支護需求，要得到深基坑支護重力載荷結果，需測得過深基坑支護受到的最大靜土土壓力、深基坑支護受到的最大主動土土壓力、深基坑支護受到的最大被動土土壓力數值。三種巖土壓力得出過程，要先了解深基坑支護巖土重度，深基坑靜止土壓力系數，深基坑土層深度，深基坑支護空間面積，深基坑庫倫主動土壓力系數，深基坑土體內摩擦角，深基坑巖土結構傾角，深基坑土體外摩擦角，深基坑庫倫被動土壓力系數，深基坑周圍巖土層對支護結構的外摩擦角，深基坑周圍巖土層對支護結構的內摩擦角。通過以上參數推算出空間受限條件下深基坑支護最大巖土壓力，根據力學理論對空間受限條件下深基坑支護錨桿長度。在上述基礎上確定空間受限條件下深基坑支護錨桿樁徑，所涉及的結構參數為深基坑支護錨桿長度，深基坑挖深，深基坑支護剪應力。深基坑支護錨桿埋深結果受深基坑支護錨桿樁徑和深基坑支護材料的粘聚力的影響。

2 空間受限條件下深基坑支護施工

2.1 基坑開挖

考慮到空間受限條件，不利于大型機械設備施工，采用人工+機械方式開展深基坑開挖施工，施工原則采用自上而下、分段開挖的原則。首先要確定深基坑地質條件，其中包括深基坑周圍巖土性質、地下水水位、地下水空間分布情況等，根據深基坑周圍巖土性質選擇施工機械和工具，如果土層屬于軟土，可以采用人工開挖方式，如果土層屬于硬度較高的硬土，則可以使用小型機械開挖方式。將深基坑分成幾部分，每部分面積范圍在200m2～250m2之間，根據開挖邊線自上向下開挖，挖深控制在2m～3m之間。由于施工空間有限，因此需要邊挖邊清理坑內土方，當基坑挖深接近設計深度時，預留300mm～350mm厚度土層由人工使用工具開挖，確保基坑開挖施工質量。在深基坑開挖施工過程中要觀察基坑內排水情況，如果出現排水異常時，需要及時疏通排水管道淤泥和其他雜質，保證排水通暢。

2.2 支護樁成孔施工

深基坑開挖施工完成后，采用長螺旋鉆機對深基坑進行鉆孔。因為長螺旋鉆機體積小，施工過程中不需要占據較大的施工空間，適用于空間受限條件下的深基坑支護施工，因此采用長螺旋鉆機作為深基坑支護樁鉆孔施工設備。根據實際情況對長螺旋鉆機的施工參數進行確定，通常情況下長螺旋鉆機鉆孔深度要大于深基坑支護錨桿埋深5mm～10mm，鉆孔孔徑要大于預先設計錨桿桿徑2mm～3mm，鉆孔之間的間距不得小于10m，按照以上設定長螺旋鉆機施工參數，并且采用液壓傳動方式驅動長螺旋鉆機在深基坑內進行鉆孔。

2.3 錨桿注漿及插入管樁施工

成孔完成后，將孔內多余的泥土和雜質進行清理，然后對鉆孔進行注漿，注漿材料選擇混凝土，混凝土配制過程中需要添加定量的高效減水劑，因為深基坑鉆孔內部會存有一定的水，需要利用減水劑協調混凝土中水的比例，利用專用機械設備將制作成的混凝土泵送到鉆孔內，混凝土注射高度不得超過鉆孔深度的一半。灌注完混凝土后立即插入錨桿，為了保證錨桿的牢固性，采用空壓機高壓旋轉樁方式進行施工，將空壓機的壓力、功率、旋轉速度等參數進行設定。隨著錨桿的插入，鉆孔內的水泥砂漿會向上冒出，當冒出的水泥砂漿量為10%-15%時停止繼續管樁插進，將冒出的水泥砂漿抹平，并且使用錨索將插入的錨桿進行連接和固定，以此完成空間受限條件下深基坑支護施工。

3 現場施工實驗分析

實驗以某深基坑支護工程為實驗對象，該深基坑支護施工面積為2650.3m2，施工空間高度為6.5m，周圍巖土體分別為填土、粉質黏土、粉土、細砂、中砂、粉砂，其土層厚度分別為1.56m、2.47m、2.76m、1.26m、3.58m、1.75m，其具體參數如表1所示。

表1 深基坑周圍巖土結構參數表

該深基坑地質結構比較復雜，并且空間有限，利用此次設計與傳統設計對該深基坑支護進行設計與施工。根據該深基坑實際地質條件，將深基坑分成5個部分，分別對5個部分的支護結構參數進行計算，如表2所示。

表2 深基坑支護錨索參數表

按照表2對深基坑支護進行施工，施工完成一個月之后，利用SHFIA/SA23F全測儀對深基坑位移情況進行測量。在深基坑內布設了100個測量點，隨機抽取其中8個測量點位移情況作為實驗結果，如表3所示。

表3 施工后深基坑位移數據表

從表3中數據可以看出，應用本文設計施工完成后，深基坑位移量比較小，最大位移僅為1.394mm，遠遠小于傳統設計，因此實驗證明了本文設計的深基坑支護可以空間受限條件下深基坑支護設計要求，并且也能滿足空間受限條件下深基坑支護施工質量要求，能夠有效保證深基坑位移和變形在可控制范圍內，相比較傳統設計更適用于空間受限條件下深基坑支護與施工。

3 結語

此次考慮到空間受限條件，對深基坑支護設計與施工進行了分析，有效解決了深基坑水平位移與垂直位移問題，對提高空間受限條件下深基坑支護施工技術水平，提高深基坑支護安全與施工效率，以及為空間受限條件下深基坑支護設計與施工提供理論依據具有一定的現實意義。