巖土工程中深基坑支護設計方法

熊建良，蔡森鋼

1 巖土工程水理特性及深基坑支護特征

1.1 水理特性

在巖土工程深基坑支護中，科學合理地進行水理特性分析，能最大限度地發揮深基坑支護體系職能，提升基坑支護效果。結合巖土工程建設實際可知，除崩解性外，巖土工程本身還具有膨脹性的特征。

（1）巖土工程崩解性代表了巖土的濕化能力，即巖土中滲透進靜水后，靜水會破壞巖土土粒之間的連接結構，此時巖土會出現崩散和解體現象，這不僅降低了巖土結構的強度，而且影響了巖土的穩定性。工程實踐表明，巖土工程自身崩解性直接影響深基坑施工，當崩解性越高時，深基坑施工所受到的影響就會更加明顯。

（2）地下水會對巖土的體積結構產生作用，即巖土中滲入地下水時，自身的體積會有所膨脹，但是隨著水分的流失，早期發生膨脹的巖土又會逐漸恢復原來的體積，在巖土工程中，這一特性被稱為巖土的膨脹特性。膨脹特性對于巖土結構穩定性、安全性具有較大影響，深基坑項目建設中，巖土膨脹特性會引起基坑裂縫、突起、坍塌等。值得注意的是，巖土工程本身還具有溶水、持水、透水的特性，這些特性均會對深基坑項目的建設造成影響。

1.2 深基坑支護特征

深坑支護本質上屬于臨時工程范疇，但其在項目建設中起到關鍵作用，能為深基坑建設及巖土工程后期施工創設良好、安全的環境。巖土工程項目建設中，深基坑支護具有區域性、綜合性、不確定性和多事故性的特征。

（1）工程項目建設地點不同時，巖土的物理特性、力學特性也存在較大差異，這使得巖土深基坑支護因地區不同而存在較大差異。基于此，在巖土工程深基坑支護初期階段，需系統開展勘察工作，掌握巖土地質構造、水質情況等因素。

（2）巖土工程深基坑支護受諸多因素影響，工程建設人員不僅要考慮深基坑支護技術應用情況，而且需分析支護技術與工程環境、工程建設安全性等因素的關聯性，這使得項目建設出現了系統性、綜合性的特征。此外，巖土內部結構及性質存在較大差異，這種差異導致工程項目建設存在較大的不確定性，增加了項目施工的危險性，故在深基坑設計施工階段，還需考慮工程多事故性的特征，科學合理地開展項目設計，為后期安全施工奠定良好基礎。

2 深基坑支護設計關鍵問題

2.1 設計計算

巖土工程深基坑設計具有較強的專業性、綜合性和復雜性，為從源頭上提升項目設計質量，需系統考慮項目設計計算工作。①在巖土深基坑支護設計中，需系統考慮土體支撐力與土層受力情況，明確支撐體系與土層之間的關系。如在土層壓力計算中，應基于多因素分析法進行各要素影響效果的計算，消除單純分析主動、被動、靜止條件等極限狀態所帶來的片面性。②深基坑支護結構受諸多因素影響，在完成基坑支護后，隨著時間的推移及后期項目施工，土層含水率會因外界環境的影響而變化，這在一定程度上會對土體的力學性質發生變化，而這種變化會間接作用于支護體系。因此，在深基坑支護設計中，還需考慮巖土工程的漸變因素，提升支護體系設計質量，滿足工程項目建設要求。

2.2 空間效應

深基坑支護設計中，若僅考慮水平支撐力，忽視對基坑空間效益的分析，會使整個支撐體系出現缺陷，降低深基坑支護的可靠性。可見，深層次分析深基坑支護的空間效應是巖土工程項目建設的內在要求。工程實踐表明：在多種因素作用下，巖土工程深基坑在空間層面會發生位移，這種位移變化會使項目支撐體系失穩，降低基坑支護的穩定性和安全性。因此，在基坑支護體系設計中，有必要將基坑的空間效應納入考慮范圍，分析空間位移對項目支護體系造成的間接影響，以此來提升項目支護設計的綜合效益。

2.3 土體取樣及參數選擇

在巖土工程深基坑支護設計之初，規范化地開展項目測量，選取有代表性的土樣進行土體力學特征分析，能為后期設計工作開展奠定良好基礎，從源頭上保證基坑支護設計的科學性、合理性。深基坑土體取樣過程中，要求具有豐富經驗的工作人員按照相關規范進行取樣，在考慮深基坑土體結構復雜性的基礎上實施多點取樣，確保所選擇的土壤樣品具有代表性。另外，在完成土體取樣后，還應結合樣品檢測的實際情況選擇力學參數，并通過該參數開展工程支護體系設計，確保設計的支護體系具有較強承載能力，能實現項目施工過程的有效支撐和保護。

3 深基坑支護技術設計

3.1 土層錨桿支護

土層錨桿支護技術是巖土工程深基坑支護中的常用方式，該支撐體系下，錨桿的一側銜接支護結構，另一側插入結構穩定的巖土中。從支護體系設計效果來看，錨桿支護技術在連接禁錮錨桿、土層灌漿的基礎上，將深基坑巖土結構連接成一個整體，有效地提升了設備基坑支護設計的質量，為后期項目施工奠定了良好基礎。要進一步深化土層錨桿支護技術應用水平，在初期設計階段必須考慮以下因素。①土層錨桿支護設計受巖土工程建設區域環境的影響，為準確掌握巖土工程建設區域的地質、水文環境，要求開展施工區域的系統勘察，并在具體勘察中考慮巖土工程的建設結構、工程特征，然后規范化地進行工程建設區域的土樣提取、參數選擇和數據計算。②將錨桿材料規格、性能等參數納入考慮范圍，尤其是要做好鋼管、鋼絲等材料性能的分析，確保桿體材料能滿足項目基坑支護體系建設及應用需要。③在土層錨桿支護細節設計層面，應從施工準備、成孔、拉桿安裝、灌注、張拉錨固等環節開展錨桿支撐體系設計，并且在設計中需做好錨桿關鍵參數的計算分析，為后期項目施工提供有效指導。

3.2 土釘支護技術

巖土工程土層結構不同，在深基坑支護體系設計中必須結合土層特征，差異化地選擇支護技術。譬如在地下水位較低的粘土、砂土、粉土地基中，可選擇土釘支護技術進行項目基坑支護設計。就土洞支護技術而言，其不僅包括密集的土釘群，而且涉及混凝土面層和防水系統。相比于其他支護體系，土釘支護技術具有技術優越、造價低廉、施工便捷的特征。土釘支護技術要點設計包括2個方面。①應注重土釘支護技術應用形態的設計，先錨后噴、先噴后錨是該技術應有的2種基本形態，應結合基坑挖土特性的設計情況選擇支護方式。②機械成孔是土釘支護施工的常用技術，在此項技術設計中，應從鉆孔、注漿、安裝鋼筋網、噴射混凝土面等環節開展設計，通常在噴射混凝土設計中，應盡可能地使用C20混凝土，并確保噴射混凝土厚度維持在80mm～100mm。結合工程實際可知，深基坑土釘墻施工中，鉆孔機抽出環節容易出現坍孔，應采用套管成孔和擠壓成孔方式進行處理，確保土釘支護技術適應工程建設需要。另外，混凝土噴射是土釘支護技術設計的關鍵內容，在混凝土噴射技術參數設計中，要求采用空壓機作業時，設計空壓機的風量保持在9m3/min，且壓力需大于0.5MPa；土釘墻孔位偏差設計中，要求孔位偏差保持在150mm以內，鉆孔傾角保持在3°以內。

3.3 深層攪拌樁技術

就深層攪拌樁而言，其采用水泥充當固化劑，然后在深層攪拌機械的作用下，將軟土或砂等與固化劑強制拌和，這樣原先的軟土地基將得到硬化，這對于巖土工程項目建設具有積極作用。在巖土工程深基坑支護設計中，除淤泥、砂土地質外，淤泥質土、泥炭土和粉土均可使用深層攪拌樁技術進行支護。基于該技術開展巖土工程深基坑支護設計時，應注意以下幾點。①應系統考慮樁機定位、對中、調平設計，要求移動攪拌樁機到達指定樁位后，采用水準儀設備進行對正調平，設計攪拌樁機定位偏差保持在5cm以內，樁架的垂直度偏差不大于1%，導向架垂直度小于1.0%樁長。②漿液配比設計是深層攪拌樁技術設計的重要內容，其直接關系著攪拌樁成樁的質量，一般選擇C42.5水泥作為固化劑，同時要求漿液水灰比控制在0.45～0.50。此外，應結合土質環境，一般設計深層攪拌樁水泥用量不少于50kg/m。在攪拌沉樁作業設計中，要求按照場地平整、樁基就位、攪拌下沉、拌制水泥漿、注漿攪拌提升、重復攪拌下沉、重復提升、關閉攪拌機、攪拌機移至下一樁位的流程進行作業。在具體作業參數設計中，設計攪拌沉樁機鉆桿提升速度保持在0.5m/min～0.8m/min，注漿泵出口壓力控制在0.4MP～0.6MPa，實現漿液和土體充分拌和。隨后規范開展樁體搭接及質量檢查設計，要求樁體搭接時間超過24h時，應增加第2根樁體的注漿量，確保第2根樁體注漿量超出第1根20%。在樁體質量建設設計中，要求重視檢查樣本抽取方法設計，同時做好夾心層及斷漿等問題檢測方法的設計，這樣能為后期施工提供有效指導，實現巖土基坑的有效圍護。

3.4 地下連續墻支護技術

當巖土工程深基坑施工存在較大滲水時，可采用地下連續墻支護技術進行處理。施工實踐中，基坑深度低于地下水位、巖土工程施工地點存在砂土層等問題時，均可采用該方法進行處理。從施工過程來看，地下連續墻施工的振動性較小，且墻體剛度較大，此外，其能有效提升土石項目的防滲效果，施工效果較好。在實際施工中，針對地下連續墻支護技術的應用，還應注重以下要點。①地下連續墻多采用混凝土澆筑施工方式，施工體量較大，可采用分層連續澆筑或推移式連續澆筑的方式進行施工。②在實際澆筑中，應嚴格遵守邊澆筑、邊振搗的工藝要求，要求振搗器垂直插入的深度不小于500mm，在振搗順序管理中，按照自后向前的順序進行施工。此外，完成地下連續墻施工后，為確保良好的施工效果，還應加強連續墻的養護管理，在養護中，嚴格控制墻體表面溫度、濕度，確保地下連續墻整體完整性。地下連續墻養護時間應控制在14d左右，這樣能有效提升防護墻的整體強度，保證巖土工程深基坑防護效果。

4 提升巖土工程中的深基坑支護設計質量的方法

4.1 依據工程需求合理設計

深基坑支護在巖土工程中占重要地位，依據工程需求合理設計，可保證地基承載力，增強工程結構穩定性、安全性。那么在實際設計環節中，需各部門積極參與，依據自身工作內容深度探究，結合巖土工程實際要求，設計多種方案，通過測試方式選擇適合的設計方法，并在實踐中對設計內容適當調整與完善，并掌握工程施工作業時的不確定因素、易發生的問題等，經全面考量后，提前編制相應的防控方案與措施，保證深基坑支護設計的合理性，從而保證巖土工程綜合質量。

4.2 加大設計工作管控力度

為保證深基坑支護設計符合巖土工程建設要求，還需調整管控重心，能在此項工作中細致化地規劃與處理，提升深基坑支護設計管理水平。再加上獎懲制度、責任制度等的制定與實施，可避免人為因素對設計工作的影響。同時，還能完成工作職能細化工作，便于在問題發生時第一時間找到相應負責人，經全面分析后提出解決方案與措施，避免對后續工作的開展造成阻礙。現場施工人員始終遵循“安全第一”的施工原則，依據責任制度保證工作質量與進度，在各部門及工作人員相互協作下，高效率、高質量地完成巖土工程建設項目。

4.3 開展工程勘察工作

上述巖土工程在深基坑支護施工中，充分考慮當地的自然地質保護情況，結合當前需地質支護的項目工程質量來組織進行，將地質勘察支護工作重點落實下去，勘察內容包括土質地層主體結構、地下室和水位等，準確評價當前區域的實際情況。同時，該工程在建設中結合調查獲取的數據參數進行判斷，深入了解不同施工區域的地質存在差異，并結合實際地質情況特點進行科學的材料準備工作，采取一系列的處理措施有效解決問題。

4.4 選取支護體系結構

由于地質環境因素對巖土工程的影響較大，為了有效保證上述項目在建設中深基坑支護的施工安全，應根據自身地質環境因素正確選擇支護體系結構，合理選擇現代化技術開展建設，從而避免在實際建設過程中發生風險。在深基坑支護工作中，需要考慮地基結構和軟弱巖層地基，如土質較差，則需要對支護技術提出更高的要求，該工程為了讓深基坑支護施工更科學，實際建設前應積極了解當前環境的具體參數，隨后進行科學計算與分析研究，為深基坑支護的穩定性提供保障。

4.5 完善支護施工流程

深基坑支護項目受多種外在因素的影響，在設計和施工中，要定期進行多次測量計算和數據測量，正確選擇有效的安全和質量控制措施，相關數據采集中需要進行二次校準，避免因巖土工程深基坑支護的而埋下安全隱患。上述工程在實際施工中，首先確定開挖線、支護樁位置線等，設置支護樁、工程樁、連續梁、冠梁等一系列支撐梁，開挖土方過程中做好主體支護，全過程遵循先支撐后開挖的原則，在此基礎上針對現存問題采取養護措施，保證整體建設效果。

4.6 角撐梁、內撐梁施工

基坑支護若存在問題，會為后續建設埋下安全隱患，常見病害類型主要分為三個方面，即防護加固工程結構變形破壞、坡面變形病害和坡體變形病害。上述工程為了避免施工問題，要求在角撐梁施工過程中把樁表面的浮土清理干凈，確保同一標高下的梁頂齊平，基坑凌空面若作業高度＞1.5m，則需要安裝配套安全網，以此構建全面的安全防護體系，內撐梁施工首先要設置立柱，保證設計與實際的施工情況相同，從而提高整體施工建設質量。

4.7 加強施工檢測與監測

深基坑支護技術的施工形式較多，需根據施工土壤性質、基坑開挖深度，選擇安全系數較高的維護結構與施工操作方式，避免施工時出現下沉、開裂、傾斜等安全事故。深基坑工程開挖施工前，根據設計表和圖紙準確地測量施工作業面，不允許使用不同規格的合格材料產品，支護施工過程中要求進行實時監測，將3個監測點分別布置在基層支護主體結構頂部、底部及中間節點位置，定期進行巡視、記錄，為后續施工建設提供技術指導。

5 結語

規范化地開展深基坑支護設計，能從源頭上實現深基坑支護施工質量控制，為巖土工程項目建設奠定良好基礎。只有充分認識到巖土工程水理特性和深基坑支護特征，深層次分析巖土工程深基坑支護設計的關鍵問題，并加強深基坑支護技術設計和設計過程方法把控，才能有效地提升深基坑支護設計水平，促進深基坑及巖土工程建設工作的有序開展。