基于巖土工程勘察的深基坑支護設計方案探究

摘 要：為保障基坑開挖安全，本文以某基坑為實例背景，在巖土工程勘察成果分析的基礎上，結合工程經驗，初步構建了基坑支護方案，并利用P×C法進行基坑支護方案篩選方法構建，以篩選最優的基坑支護方案。分析結果表明，結合工程實際，將基坑支護方案初設為4類，即方案一“灌注樁+止水”、方案二“地下連續墻”、方案三“工法樁+型鋼”和方案四“土釘墻+錨索”，各類支護措施的優缺點較為明顯，且通過支護方案篩選，得到4類支護方案的適宜性得分介于70.80～90.85，以方案二的適宜性得分相對最高，適宜性等級為Ⅳ級，說明其很適宜本文提到的實例基坑支護。

關鍵詞：基坑；巖土工程勘察；支護設計

中圖分類號：P 642 " " " " " 文獻標志碼：A

隨著市政建設如火如荼的發展，產生了大量的基坑工程，但限于基坑近接環境越來越復雜，基坑變形控制顯得格外重要；同時，要實現基坑變形的良好控制，基坑支護設計顯得格外重要，因此，進行基坑支護方案探究具有重要的現實意義[1-2]。目前，唐成偉[3]針對復雜環境條件下的深基坑進行了支護設計研究；溫忠義等[4]探究了鋼絞線雙排樁在基坑支護中的應用效果；郭全元等[5]評價了樁錨支護在軟土基坑施工中的支護效果。上述研究為基坑支護積累了經驗，但均未進行基坑支護方案的篩選研究。因此，本文以某基坑為實例背景，在巖土工程勘察成果分析的基礎上，結合工程經驗，初步構建了基坑支護方案，并利用P×C法進行基坑支護方案篩選方法構建，以篩選最優的基坑支護方案，從而更好指導基坑支護設計，為類似工程積累經驗。

1 工程概況

擬建基坑屬車站基坑，平面形態近似為矩形（如圖1所示），全長234.00m，標準寬度22.5m，開挖深度17.1m，開挖方式為明挖順作法。

根據勘察成果，項目區地形較為平臺，標高為2.45m～

3.94m，地層巖性主要包括填土、粉質黏土、淤泥質黏土、碎石土以及泥巖，在開挖范圍內地層的工程性質相對較差。在水文地質條件方面，地表水主要是降雨形成的洼地積水，地下水主要為上層滯水和裂隙水，局部含水層具微承壓特征。

在基坑周邊近接環境條件中，基坑沿既有道路東西展布，北側主要為近接既有住宅，南側主要為既有商業中心。

2 基坑勘察成果分析

由于該基坑屬車站基坑，開挖深度較大且地層性質一般，基礎參數對其后期支護設計具有重要的作用，因此，保證勘察成果的準確性就顯得格外重要。

2.1 土層基礎參數

由鉆探資料，項目區地層主要包括填土、粉質黏土、淤泥質黏土、碎石土及泥巖，經試驗成果統計，得到各類地層的物理力學參數見表1。

2.2 基坑安全等級

基坑周邊環境條件較為復雜，開挖深度也較大，如果出現失穩，就會帶來嚴重后果，因此，由《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120—2012）判斷該基坑的安全等級為一級。

2.3 基坑支護設計參數

在前述勘察成果基礎上，進一步將基坑支護設計過程中的參數設計如下：基坑結構重要性系數為1.1，增量法作為其內力計算方法，支護材料設計為鋼筋混凝土，強度等級C30；基坑附加荷載設計為40kPa，作用寬度、深度依次為8m和1.6m，與坑邊距離值設計為1.0m；周邊既有建筑按20kPa/層設計，支護使用年限2年，設防烈度為7度。

3 基坑支護設計方案探究

3.1 支護方案初選

基坑支護方案相對較多，在本文支護設計的過程中，不僅要考慮基坑所處的環境條件，還應考慮開挖過程的維護、成本以及工期等因素，因此，基坑支護方案初選具有重要意義。

結合以往經驗，將文中基坑的支護方案初設為四類，即方案一“灌注樁+止水”、方案二“地下連續墻”、方案三“工法樁+型鋼”和方案四“土釘墻+錨索”，經統計，各類支護方案的優缺點見表2。

3.2 支護方案篩選方法構建

由3.1節說明文中基坑可選支護方案相對較多，為盡可能保證基坑支護方案的合理性，篩選支護方案是重要的[6-7]。根據使用經驗，提出利用P×C法進行基坑支護方案篩選方法構建。

3.2.1 篩選模型構建

以基坑支護方案篩選為目的，通過層次分析法構建其篩選模型，其包括三層結構。其中，目標層為“基坑支護方案篩選體系A”，其下是一級評價指標，包括安全因素B1、技術因素B2、環境因素B3和經濟因素B4；在一級指標基礎上，可再進一步細分二級指標。1） 安全因素B1包括支護體系的剛度C1、支護體系的穩定性C2和支護體系抗變形能力C3。2） 技術因素B2包括施工過程的可靠性C4、施工難易程度C5和支護對后續施工的影響C6。3） 環境因素B3包括支護施工對周邊交通影響C8和支護施工對地下管線的影響C9。4） 經濟因素B4包括工程材料成本C9、工期成本C10和施工及監測費用C11。

綜上所述，基坑支護方案篩選模型結構統計如圖2所示。

3.2.2 計算評價指標的權值、隸屬度

3.2.2.1 計算評價指標的權值

根據以往經驗，利用1-9標度法計算各評價指標的權值，過程包括判斷矩陣構建、一致性檢驗以及計算權值。因此，先對比確定評價指標的相應重要性，在評價指標相對重要性不傳遞原則條件下，構建判斷矩陣，其也具互反矩陣性質。

在得到判斷矩陣的基礎上，計算其最大特征值，并計算一致性評價指標 C，如公式（1）所示。

（1）

式中：λmax為最大特征值；n為判斷矩陣的相應行數或列數；R為重要性標度指標。

當C值不大于0.1時，認為判斷矩陣是合理的，對最大特征值對應性的特征向量進行歸一化處理，所得值即為相應的權值；反之，重新構建判斷矩陣，并重復上述步驟。

3.2.2.2 計算評價指標的隸屬度

在評價指標的隸屬度計算的過程中，將其計算方法確定為專家法，且要求專家具正高級職稱或項目負責人；當各專家完成隸屬度計算后，對各專家的隸屬度計算結果進行均值統計，所得均值即為相應評價指標的隸屬度值。

3.2.3 基坑支護方案適宜性等級劃分

以評價指標權值、隸屬度值為基礎，利用P×C法對基坑支護方案適宜性等級進行量化劃分，標準如下。1）Ⅰ級。該等級條件下，對應支護方案不適宜基坑支護，其對應適應性分為55，適應性評分為0～60。2）Ⅱ級。該等級條件下，對應支護方案基本適宜基坑支護，其對應適應性分為70，適應性評分為60～75。3）Ⅲ級。該等級條件下，對應支護方案適宜基坑支護，其對應適應性分為85，適應性評分為75～90。4）Ⅳ級。該等級條件下，對應支護方案很適宜基坑支護，其對應適應性分為95，適應性評分為90～100。

3.3 支護方案篩選結果

根據3.1節，本文實例共計設計了4種支護方案，以方案一為例，進行各評價指標的適宜性計算分析。

按照3.2節思路，計算得到各評價指標的權值見表3。

同時，進一步利用專家法計算各評價指標的隸屬度，所得結果見表4。C1的隸屬度為0.095～0.542，C2的隸屬度為0.102～0.601，C3的隸屬度為0.123～0.571，C4的隸屬度為0.094～0.613，C5的隸屬度為0.107～0.539，C6的隸屬度為0.096～0.520，C7的隸屬度為0.115～0.571，C8的隸屬度為0.168～0.400，C9的隸屬度為0.130～0.533，C10的隸屬度為0.126～0.534，C11的隸屬度為0.085～0.537。

在評價指標權值、隸屬度計算的基礎上，首先，按照3.2節方法，先計算得到方案一11個二級指標的適應性計算，結果見表5。據表5，在方案一支護條件下，11個二級指標的適宜性得分為71.26～92.16，均值為82.29，總體適宜性相對較好，相應適宜性等級為Ⅱ級～Ⅳ級。其中，Ⅱ級涉及的二級指標個數為4個，所占比例為36.36%；Ⅲ級涉及的二級指標個數為5個，所占比例為45.45%；Ⅳ級涉及的二級指標個數為2個，所占比例為18.18%。

按照適宜性得分大小，將方案一條件下的二級指標適宜性排序結果統計如下：C8gt;C5gt;C2gt;C4gt;C11gt;C7gt;C9gt;C3gt;C1gt;C10gt;C6。

其次，進一步計算得到方案一4個一級指標的適應性，結果見表6。據表6，安全因素B1的適宜性得分為84.92，適宜性等級為Ⅲ級；技術因素B2的適宜性得分為91.05，適宜性等級為Ⅳ級；環境因素B3的適宜性得分為82.76，適宜性等級為Ⅲ級；經濟因素B4的適宜性得分為85.42，適宜性等級為Ⅲ級。因此，在方案一條件下，適宜性等級介于Ⅲ級～Ⅳ級，且Ⅲ級指標有3個，所占比例為75%，Ⅳ級指標有1個，所占比例為25%。

按照適宜性得分大小，將方案一條件下的一級指標適宜性排序結果統計如下：B2gt;B4gt;B1gt;B3。

根據一級、二級指標的權值、隸屬度計算結果，進一步計算得到4個一級指標的隸屬度向量R1=[0.111 0.141 0.087 0.661]，第3.2節適應性分向量E=[55 70 85 95]T，因此，計算得到方案一的最終適宜性得分F=R1E=86.16

綜上所述，方案一在本文實例中的適宜性得分為86.16，適宜性等級為Ⅲ級，適宜于本文的基坑支護。

類別方案一的適宜性評價過程，再對其余3個方案進行適宜性評價，結果見表7。據表7，方案一的適宜性得分為86.16，適宜性等級為Ⅲ級，方案二的適宜性得分為90.85，適宜性等級為Ⅳ級，方案三的適宜性得分為72.46，適宜性等級為Ⅲ級，方案四的適宜性得分為70.80，適宜性等級為Ⅲ級。

按照適宜性得分大小排序結果為方案二gt;方案一gt;方案三gt;方案四。因此，將方案一“地下連續墻”作為此文實例基坑的支護方案。

4 結語

通過在巖土工程勘察基礎上的深基坑支護設計方案探究，得到以下3個結論：1）根據基坑巖土工程勘察成果，基坑開挖范圍內地層具較差的工程性質，且基坑安全等級為一級，因此，基坑支護設計顯得格外重要。2）結合工程實際及經驗，本文實例基坑的支護方案初設有4類，即方案一“灌注樁+止水”、方案二“地下連續墻”、方案三“工法樁+型鋼”和方案四“土釘墻+錨索”，各類支護措施的優缺點較為明顯，因此基坑支護方案篩選是必要的。3）通過層次分析法、專家法等方法構建了基坑支護方案篩選模型，并經計算，以方案一“地下連續墻”的適宜性得分最高，因此，將其確定為基坑支護方案。

參考文獻

[1]黃世政.基于復雜環境的深基坑設計與變形監測分析[J].中國新技術新產品， 2023（16）：118-120.

[2]孫海浩，王園.復雜環境條件下深基坑設計與變形監測分析[J].中國新技術新產品，2023（15）：121-123.

[3]唐成偉.復雜環境條件下的深基坑支護設計研究[J].中國新技術新產品， 2023， （11）：102-104.

[4]溫忠義，張麗娟，王召斌，等.對拉鋼絞線雙排樁支護體系在深基坑工程中的研究與運用[J].工業建筑，2023，53（增刊2）：462-464，446.

[5]郭全元，陳春強，楊代，等.樁錨支護錨固體段預加固在軟土地層應用研究[J]. 地下空間與工程學報，2023，19（增刊1）：278-286.

[6]盧瀚，張勇，程英建.基于模糊層次分析法的北京西山基坑工程支護方案選擇研究[J].結構工程師， 2019， 35（2）：32-39.

[7]蔣英禮，鄧子勝，王冬英.基于集對分析方法的深基坑支護方案優選研究[J].地下空間與工程學報，2016，12（1）：131-137.