巖溶區基坑支護設計及穩定性分析

摘 要：為保證巖溶區基坑支護設計的合理性，以該區內基坑地質條件為基礎，先進行支護設計，并通過經驗公式、變形預測對基坑支護后的穩定性進行分析。分析結果表明：基坑近接條件存在一定差異，單一治理措施不合理，即采用分區支護設計，區1、區2的基坑支護措施設計分別為“支護樁+內支撐梁、格構柱”和“支護樁+兩道錨桿+內支撐梁、格構柱”。在基坑穩定性計算結果中，整體穩定性、抗隆起穩定性均滿足規范要求，加之基坑后續變形趨于收斂，充分驗證了基坑設計的合理性，為類似工程積累了經驗。

關鍵詞：巖溶；基坑支護設計；變形預測；穩定性分析

中圖分類號：P 642" " " 文獻標志碼 ：A

在基坑施工過程中，基坑支護與其施工安全密切相關，尤其是在巖溶區，基坑支護設計顯得更加重要，因此，巖溶區基坑支護設計及穩定性分析具有重要意義[1-2]。目前，不少學者進行了相關研究，岳立章[3]探究了土釘墻和支護樁在基坑支護中的聯合應用效果，禹澤云[4]分析了基坑支護中的加固技術，陶陽[5]研究了基坑支護過程中的常見問題，并提出了對應處理措施。上述研究充分說明基坑支護設計的必要性，但較少涉及基坑支護設計及穩定性的聯合分析。因此，該文以巖溶區內基坑地質條件為基礎，先進行其支護設計，并通過經驗公式、變形預測對基坑支護后的穩定性進行分析，以期指導現場施工，并為類似工程積累經驗。

1 工程概況

擬建項目為商業建筑，用地面積為5521.25㎡。在建筑修建過程中，配套基坑近似矩形，開挖深度為11.6m，屬深基坑（如圖1所示）。

根據勘察資料可知，區內地層自上而下依次為填土層、粉質黏土層和灰巖層，其中，填土層主要由粉砂巖碎屑、粉質黏土組成，結構松散，回填時間已超過5年，分布厚度為1.3～3.0m，粉質黏土層多呈褐黃色，切面光滑，強度中等，巖芯采取率較高，具有較優的均勻性，分布厚度為3.5～4.8m，灰巖層主要為青灰色，強～中風化，巖芯采取率較高，溶蝕也較為發育，形成了規模不一的溶洞，多由黏性土充填或局部充填。

在基坑近接條件方面，基坑北側、西側以及東側均近接既有建筑，均是高度為6層～12層的住宅，基礎形式為天然基礎，無地下室，南側為近接道路，為雙向4車道，已運營多年。

基坑區亦屬巖溶區，且坑底位于灰巖深度范圍內，因此，對其支護設計及穩定性進行分析具有重要意義。

2 基坑支護設計

2.1 支護方案設計

由于基坑近接條件存在一定差異，單一治理措施不合理，因此，結合基坑現場條件，將其支護范圍進行分區，其中，區1為基坑南側（即圖1中B1～B3監測點），區1為基坑北側、西側及東側（即圖1中B1～B3監測點以外的地區）。

根據以往經驗，將區1的基坑支護措施設計為“支護樁+內支撐梁、格構柱”，區2的基坑支護措施設計為“支護樁+兩道錨桿+內支撐梁、格構柱”。

兩區支護樁尺寸是一致的，長度設計為19m，包括懸臂段11.6m，嵌固段7.4m，直徑為0.8m，采用鋼筋混凝土，頂部設置冠梁，其尺寸為1.0m×1.0m。

內部支撐梁、格構柱均是采用鋼筋混凝土，其目的主要是維持基坑支護措施的穩定，其材質也均為鋼筋混凝土，兩者尺寸均為0.5m×0.5m。

錨桿1和錨桿2長度為7m，中部設計直徑32mm鋼筋，錨桿直徑為為91mm，充填物為M30水泥砂漿，沉渣段長度30cm，鎖定值200kN，錨頭設計為0.4m×0.4m。

基坑支護方案如圖2所示。

2.2 支護措施計算

在2.1節基坑支護方案設計的基礎上，進一步計算支護樁、錨桿。

2.2.1 支護樁計算結果

支護樁是基坑支護的主要措施，其穩定性是非常重要的，因此，按不利原則對兩區支護樁進行設計計算。通過經典法計算得到基坑區內的最不利彎矩值為318.72kN?m，最不利剪力為187.16kN，并以此為基礎，進行支護樁配筋計算，如公式（1）所示。

（1）

式中：M為最不利彎矩值；at、a為樁和鋼筋的特征參數； fy為鋼筋抗拉強度；As、A為鋼筋、支護樁的截面積，mm2；rs、r為鋼筋、支護樁的半徑，mm；fc為混凝土抗壓強度。

通過公式（1）計算支護樁的配筋，支護樁所需主筋、箍筋面積分別為6428.798mm2和513.01mm2，因此，配置主筋18根直徑22的鋼筋，實配面積為6841.8mm2，配置直徑12mm的箍筋，間距20cm，實配面積為565.5mm2，均滿足要求。

2.2.2 錨桿計算結果

在區2錨桿支護設計的過程中，其所需的最大反力為178.28kN，計算錨桿錨固力的計算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：Pt為錨桿錨固力，kN；a為滑面與錨桿夾角，°；β為錨桿入射角，°；φ為土體摩擦角，°。

按照公式（2）計算錨桿錨固力計算值為189.94kN，因此，將錨桿鎖定值設計為2000k0N是滿足要求的。

錨桿長度設計的計算過程如公式（3）所示。

L=L1+L2+L3 " " " " " " " " " " " " " " " " "（3）

式中：L為錨桿長度，m；L1、L2、L3為自由段、錨固段、拉張段長度，m。

用公式（3）計算錨桿長度，得到錨桿所需的計算長度為5.91m，因此，將錨桿長度設計為7m是滿足要求的。

3 基坑支護措施的穩定性分析

3.1 分析方法構建

為驗證基坑支護措施的合理性，進一步進行穩定性分析，并將分析過程劃分為兩步：利用經驗公式進行基坑穩定性及抗隆起穩定性計算；利用變形預測進行基坑穩定性評價，即若基坑變形趨于穩定，則說明基坑支護措施的變形控制效果較優，對應穩定性也較好。

3.1.1 基坑穩定性的經驗計算

按照思路，基坑穩定性經驗計算主要包括基坑整體穩定性、抗隆起穩定性計算，其中，基坑整體穩定性的計算過程如公式（4）所示。

（4）

式中：Ks為基坑穩定系數；Mp為基坑支護后的抵抗彎矩，kN?m；Ma為基坑支護后的下滑彎矩，kN?m。

同時，基坑抗隆起穩定性的計算過程如公式（5）所示。

（5）

式中：KL為基坑抗隆起穩定性系數；q為超載度；r1、r2為坑外、內土重度，kN/m3；Nq、Nc為地基系數；D為樁嵌入深，m。

通過公式（4）計算得到基坑穩定性系數最小值為1.25，再通過公式（5）計算得到抗隆起系數最小值為1.82，均滿足規范要求。

3.1.2 基坑變形預測模型

由于支持向量機（Support Vector Machines，SVM）在基坑變形預測中具有廣泛的適用性[6]，因此，利用其構建基坑變形預測模型。根據SVM原理，其訓練公式如公式（6）所示。

yi=w?（xi）+b " " " " " " " " " " " " " " " " " （6）

式中：yi為基坑變形預測值，mm；w為權值；xi為輸入值，mm；?（ ）為訓練函數；b為偏置值。

為保證預測精度，利用最小二乘法對SVM進行尋優處理，主要是對訓練過程進行約束，如公式（7）所示。

（7）

式中：J為約束目標；C為懲罰因子；k為訓練樣本數；ξi為損失函數。

在約束條件下，SVM的訓練過程可進一步用公式（8）表示。

yi=w?（xi）+b+ξi " " " " " " " " " " " " " " " " "（8）

綜上所述，將基坑變形預測模型最終確定為LS-SVM。

3.2 穩定性分析結果

3.2.1 基坑穩定性的經驗計算

在基坑范圍內選取6個剖面進行其穩定性計算，所得Ks值依次為1.528、1.901、2.085、1.765、2.116和1.514，均滿足規范規定的1.25要求。

計算得到基坑抗隆起穩定性系數KL值為3.854，也滿足規范規定的1.8要求。

基坑支護措施均滿足經驗穩定性計算要求，初步驗證了基坑支護措施的合理性。

3.2.2 基坑變形預測的穩定性計算結果

在基坑施工過程中，篩選7個監測點（布置位置如圖1所示，即B1～B7）進行后續變形預測分析。經統計，B1～B7的累計變形值見表1。由表1可知，7個監測點累計變形值的變化為16.87～22.75mm，均值為20.13mm，明顯小于基坑設計限值35mm，即現階段基坑變形控制效果較優。

B7 22.26

本文對最大的4個監測點進行分析，即B1、B3、B6和B7。B1、B3、B6和B7的監測數據見表2。由表2可知，4個監測點的累計變形值具持續增加特征，說明進行后續變形預測是十分重要的。

在預測過程中，按照公式（6）～公式（8），對前24期數據進行訓練，并得到后5期（25期～29期）驗證結果和4期（30期～33期）預測結果，見表3。由表3可知，B1的相對誤差為1.92%～2.06%，均值為2.02%，B3的相對誤差為1.97%～2.10%，均值為2.05%，B6的相對誤差為1.95%～2.07%，均值為2.01%，B7的相對誤差為2.04%～2.13%，均值為2.08%。因此，4個監測點均具有較高的預測精度，充分驗證了LS-SVM在基坑變形預測中具有良好的效果。

結合表3中30期～33期預測結果，得到B1監測點在這4期的增加速率依次為0.72mm/期、0.58mm/期、0.52mm/期和0.43mm/期，B3監測點在4期的增加速率依次為0.60mm/期、

0.53mm/期、0.49mm/期和0.44mm/期，B6監測點在4期的增加速率依次為0.71mm/期、0.64mm/期、0.56mm/期和0.50mm/期，B7監測點在4期的增加速率依次為0.41mm/期、0.33mm/期、0.28mm/期和0.24mm/期。通過對比，4個監測點后續增加速率呈持續減少趨勢，說明基坑變形趨于收斂，且最終預測值為22.09～24.54mm，也小于基坑設計限值35mm，充分說明基坑支護措施是合理有效的。

4 結論

通過巖溶區基坑支護設計及穩定性分析，得出以下結論。1）由于巖溶區地質條件相對較差，基坑周邊近接條件較為復雜，因此，需要對基坑進行分區支護設計，其中，將區1的基坑支護措施設計為“支護樁+內支撐梁、格構柱”，將區2的基坑支護措施設計為“支護樁+兩道錨桿+內支撐梁、格構柱”。2）基坑整體穩定性、抗隆起穩定性均滿足規范要求，且經變形預測分析，得出基坑后續增加速率呈持續減少趨勢，說明基坑變形趨于收斂，且最終預測值也小于基坑設計限值35mm，充分說明基坑支護措施是合理有效的，為類似工程積累了經驗。

參考文獻

[1]胡博. 基于鋼板樁的橋梁施工深基坑支護研究 [J]. 建筑科技， 2023， 7 （6）： 99-101.

[2]張進聯. 灌注樁+前撐式注漿鋼管基坑支護技術研究 [J]. 建筑科技， 2021， 5 （5）： 70-72.

[3]岳立章. 土釘墻+樁錨式組合的深基坑支護技術研究 [J]. 建筑施工， 2024， 46 （3）： 387-388，395.

[4]禹澤云. 高層建筑施工深基坑支護加固技術研究 [J]. 建筑技術， 2024， 55 （5）： 542-546.

[5]陶陽. 基于巖土工程中的深基坑支護設計問題和對策 [J]. 城市建設理論研究（電子版）， 2024（8）： 160-162.

[6]蔡群群. 基于粒子群算法改進支持向量機的深基坑變形預測研究 [J]. 黑龍江交通科技， 2023， 46 （5）： 97-99，103.