復雜環境下深基坑降水開挖支護穩定控制技術研究

趙昀

（中南勘察設計院集團有限公司，武漢 430074）

1 引言

作為一項系統復雜，影響因素眾多的工程，深基坑施工受場地工程地質條件與水文地質條件的影響明顯[1]。隨著基坑開挖深度的增加，水源對其穩定性的擾動作用也表現出更加明顯的特征[2]。在此背景下，由于施工環境氣象條件的差異化，降水是開挖支護穩定控制階段必須要考慮的因素之一[3]。通過對發生的基坑工程事故進行分析可以發現，位于沿海、臨江地區的深基坑施工中，地下水位高是重要的誘導因素[4]。由此不難看出，選擇合理的止水和降水措施是維護施工和工程安全的重要基礎[5]。但是需要注意的是，工程進度、施工造價和支護質量三者之間的協調關系是深基坑降水開挖不可回避的問題。現階段，井點降水和深井降水是應用較為廣泛的降水措施[6]。但是其在降水效率方面存在一定的局限性，并且對深基坑施工也有一定的影響。

為此，本文提出復雜環境下深基坑降水開挖支護穩定控制技術研究，并通過實際應用測試分析驗證了設計控制技術的作用效果。

2 深基坑降水開挖支護施工方法

2.1 支護結構應力需求分析

對于深基坑降水開挖施工而言，受實際施工環境的差異化以及深基坑目標施工深度的不同，需要進行針對性處理。為此，需要計算基坑靜止土壓力，以及在降水環境下的主動土壓力。三者的作用方式如圖1所示。

圖1 支護構件位移與土壓力關系

按照圖1所示的方式，本文對靜止土壓力的計算是建立在支擋構件只承受土體豎向自重應力的基礎上的，此時在土層某深度h處的靜止土壓力E1可以表示為：

式中，K為靜止土的壓力系數；λ為支護靜止土的土體重度。

需要注意的是，在沿支護構件由上而下的空間中，靜止土壓力的狀態分布為正三角形，那么在這種模式下，作用在支護構件上的靜止土壓力E0可以表示為：

式中，r為靜止土壓力狀態分布對應正三角形的邊長；L為支護鋼板樁的高度。

對于主動土壓力的計算，在主動極限平衡狀態下，深基坑邊坡土體和支護結構體系之間的應力關系是相同的，那么此時的支護結構負荷的主動土壓力主要是來自周圍土體的自重、破裂面處反力以及支護結構體系自身的反力。在此基礎上，結合正弦定律計算其大小可以表示為：

式中，E2為支護結構負荷的主動土壓力強度；ψ為深基坑地層與支護結構的夾角；G為主動土楔的自重；θ為主動土楔的滑動方向與水平方向的夾角；φ為支護樁結構與主動土楔的滑動方向之間的夾角。

結合式（2）和式（3），支護鋼板的應力需求可以表示為：

按照該參數值，對深基坑支護材料進行選擇以及施工參數的設置。

2.2 深基坑降水開挖支護結構設計

按照上述方式，將計算得到的支護鋼板的應力需求作為支護技術實施的目標。考慮到山地地區、軟土地區的地層基礎條件差異較大，本文首先對支護結構對應材料的類型進行選擇。首先，是槽鋼鋼板樁，其主要應用于開挖深度在4.0 m以內的基坑工程中，其次，是鋼板樁鎖口，其主要應用于開挖深度在7.0~10.0 m的基坑工程中。在確定鋼板樁的類型之后，需要按照深基坑的應力需求對鋼板樁的具體參數進行設計，此時要求鋼板的應力強度閾值大于深基坑對支護鋼板的應力需求強度。對于土釘墻結構的搭建，以深基坑邊坡的基礎穩定情況為基礎開展，考慮到該結構的作用主要是通過主動嵌固的方式增加邊坡的穩定性，因此，本文設置其埋深與地質硬度之間成反比，對應鉆孔的直徑以大于鋼板樁直徑5.0~10.0 cm為準。鋼板樁的直徑越大，鉆孔直徑與其差異越高。通過這樣的方式確保后續的灌漿操作可以最大限度地實現對其的固定。關于鋼板樁的排布密度，以單個鋼板樁的應力閾值上限為基準，確保其所受荷載在閾值范圍內。最后，是對支護樁結構的灌漿處理。其效果如圖2所示。

圖2 灌漿施工示意圖

對于混凝土水泥的選擇，一方面要具有較高的強度，另一方面要具有較快的凝固效率。在實際施工過程中，結合鉆孔的體積與鋼板樁的體積，準確計算所需灌注總量，并輔以振搗施工，確保支護樁的強度能夠達到設計需求。

通過這樣的方式，完成對深基坑降水開挖支護穩定控制。

3 應用測試

3.1 測試工程概況

應用本文提出深基坑開挖支護穩定控制技術的工程為某采用直立開挖方式施工的方形基坑結構。在施工過程中，為了穩定坡面，在挖進的同時在坡面上噴射了混凝土結構，以此形成相對穩定的面板結構。在此基礎上，對應的支護結構主要為土釘與錨桿，在二者的共同作用下，保障深基坑的安全性。在具體的設置上，共設有4層土釘，按照豎向的方式均勻布設，錨桿共計3層，在搭建階段，設置其與水平方向的夾角均為15°，以此最大化其應力強度，具體的土釘及錨桿分布情況如圖3所示。按照圖3所示的方式布置支護結構。

圖3 土釘及錨桿分布情況示意圖

3.2 控制措施

在上述基礎上，本文對測試工程開挖支護穩定控制階段，搭建了以單排水泥攪拌樁為主要應力結構的止水帷幕，其具體的施工深度為16.0 m，攪拌樁的直徑為50.0 cm，為了確保攪拌樁自身的穩定性以及應力分布的均衡性，設置相鄰兩根樁之間的距離為50.0 cm，并構建了重疊搭接結構，對應的長度為20.0 cm。除此之外，在安裝土釘及錨桿前，在原有的混凝土面板結構表面進行鉆孔處理，其直徑為150.0 mm，深度為300.0 mm，具體的材料為具有較高耐腐蝕性的熱軋帶肋鋼筋，土釘鋼筋的直徑為20.0 mm，錨桿鋼筋的直徑為25.0 mm。最后在孔內灌注水泥漿液對其進行加固處理，具體的強度為20.0 MPa。完成上述施工后，利用強度為C20，厚度為50.0 mm的混凝土對表層進行封層處理。

3.3 測試結果

在上述施工的基礎上，分別對深基坑的沉降情況和水平移動情況進行分析，按照均勻分布的方式在工程中選擇4個工況點作為測試目標，得到的數據結果如表1所示。

表1 深基坑開挖后位移情況統計表mm

從表1中可以看出，4個測試點的水平和垂直位移在7 d內的發展情況最大值均不超過20.00 mm，其中，第1 d、第2 d、第4 d以及第5 d的位移變化相對明顯，這是因為在上述時段開挖施工由于設備因素出現了長時間的劇烈振動，對基坑所在地層的整體穩定性造成的干擾，其他時段的位移發展情況均穩定在2.00 mm/d以內。表明本文提出的方法可以實現對深基坑降水開挖支護穩定進行有效控制。

4 結語

深基坑降水開挖支護穩定控制技術不僅可以有效防止地下水對基坑邊坡和坑底的稀釋作用，降低開挖施工的難度，同時也可以提高基坑邊坡和底部的穩定性，以更大的承載力應對施工帶來的負荷。本文提出復雜環境下深基坑降水開挖支護穩定控制技術研究，保障了基坑工程的穩定性。旨在通過本文的研究，避免邊坡或坑底因力學性能指標異常帶來的施工安全問題。