摘要：深基坑支護工程涉及因素眾多，支護類型也日益繁多，整個支護系統是一多因素集合體，存在優化設計的必要性。本文介紹了深基坑支護優化的基本原則并以實例對方案優化進行了研究。

　　關鍵詞：深基坑,支護,方案優化

　　前言

　　基坑支護方法眾多,諸如人工挖孔樁、預制樁、深層攪拌樁、鋼板樁、地下連續墻、內支撐、各種樁、板、墻、管、撐同錨桿聯合支護，此外還有錨釘墻等。深基坑開挖與支護工程方案種類繁多，各方案的相互匹配可演變出多種整體支護方案和細部結構設計方案。基坑支護方案選擇應當以工程要求、地質水文條件和現場環境為依據，選出最合理和經濟的方案。

　　一、深基坑工程及其特點

　　深基坑工程主要包括基坑支護體系設計與施工和土方開挖，是一項綜合性很強的系統工程。深基坑支護是指為保證地下結構施工及基坑周邊環境的安全，對深基坑側壁及周邊環境采用的支檔、加固與保護的措施。基坑支護體系是臨時結構，在地下工程施工完成后就不再需要。

　　1、基坑支護體系是臨時結構，安全儲備較小，具有較大的風險性。基坑工程施工過程中應進行監測，并應有應急措施。在施工過程中一旦出現險情，需要及時搶救。在開挖深基坑時候注意加強排水防灌措施，風險較大應該提前做好應急預案。

　　2、基坑工程具有很強的個性。基坑工程的支護體系設計與施工和土方開挖不僅與工程地質水文地質條件有關，還與基坑相鄰建(構)筑物和地下管線的位置、抵御變形的能力、重要性，以及周圍場地條件等有關。有時保護相鄰建(構)筑物和市政設施的安全是基坑工程設計與施工的關鍵。這就決定了基坑工程具有很強的個性。因此，對基坑工程進行分類、對支護結構允許變形規定統一標準都是比較困難的。

　　3、基坑工程具有較強的時空效應。基坑的深度和平面形狀對基坑支護體系的穩定性和變形有較大影響。在基坑支護體系設計中要注意基坑工程的空間效應。土體，特別是軟粘土，具有較強的蠕變性，作用在支護結構上的土壓力隨時間變化。蠕變將使土體強度降低，土坡穩定性變小。所以對基坑工程的時間效應也必須給予充分的重視。

　　4、基坑工程是系統工程。基坑工程主要包括支護體系設計和土方開挖兩部分。土方開挖的施工組織是否合理將對支護體系是否成功具有重要作用。不合理的土方開挖、步驟和速度可能導致主體結構樁基變位、支護結構過大的變形，甚至引起支護體系失穩而導致破壞。同時在施工過程中，應加強監測，力求實行信息化施工。

　　二、基坑支護的類型及其特點和適用范圍

　　1、放坡開挖

　　適用于周圍場地開闊，周圍無重要建筑物，只要求穩定，位移控制五嚴格要求，價錢最便宜，回填土方較大。

　　2、深層攪拌水泥土圍護墻

　　深層攪拌水泥土圍護墻是采用深層攪拌機就地將土和輸入的水泥漿強行攪拌,形成連續搭接的水泥土柱狀加固體擋墻。水泥土圍護墻優點:由于一般坑內無支撐,便于機械化快速挖土;具有擋土、止水的雙重功能;一般情況下較經濟;施工中無振動、無噪音、污染少、擠土輕微,因此在鬧市區內施工更顯出優越性。水泥土圍護墻的缺點:首先是位移相對較大,尤其在基坑長度大時,為此可采取中間加墩、起拱等措施以限制過大的位移;其次是厚度較大,只有在紅線位置和周圍環境允許時才能采用,而且在水泥土攪拌樁施工時要注意防止影響周圍環境。

　　3、高壓旋噴樁

　　高壓旋噴樁所用的材料亦為水泥漿,它是利用高壓經過旋轉的噴嘴將水泥漿噴入土層與土體混合形成水泥土加固體,相互搭接形成排樁,用來擋土和止水。高壓旋噴樁的施工費用要高于深層攪拌水泥土樁,但其施工設備結構緊湊、體積小、機動性強、占地少,并且施工機具的振動很小,噪音也較低,不會對周圍 建筑物帶來振動的影響和產生噪音等公害,它可用于空間較小處,但施工中有大量泥漿排出,容易引起污染。對于地下水流速過大的地層,無填充物的巖溶地段永凍土和對水泥有嚴重腐蝕的土質,由于噴射的漿液無法在注漿管周圍凝固,均不宜采用該法。

　　4、槽鋼鋼板樁

　　這是一種簡易的鋼板樁圍護墻,由槽鋼正反扣搭接或并排組成。槽鋼長6～8m ,型號由計算確定。其特點為:槽鋼具有良好的耐久性,基坑施工完畢回填土后可將槽鋼拔出回收再次使用;施工方便,工期短;不能擋水和土中的細小顆粒,在地下水位高的地區需采取隔水或降水措施;抗彎能力較弱,多用于深度≤4m的較淺基坑或溝槽,頂部宜設置一道支撐或拉錨;支護剛度小,開挖后變形較大。

　　5、鋼筋混凝土板樁

　　鋼筋混凝土板樁具有施工簡單、現場作業周期短等特點,曾在基坑中廣泛應用,但由于鋼筋混凝土板樁的施打一般采用錘擊方法,振動與噪音大,同時沉樁過程中擠土也較為嚴重,在城市工程中受到一定限制。此外,其制作一般在工廠預制,再運至工地,成本較灌注樁等略高。但由于其截面形狀及配筋對板樁受力較為合理并且可根據需要設計,目前已可制作厚度較大(如厚度達500mm 以上) 的板樁,并有液壓靜力沉樁設備,故在基坑工程中仍是支護板墻的一種使用形式。

　　6、鉆孔灌注樁

　　鉆孔灌注樁圍護墻是排樁式中應用最多的一種,在我國得到廣泛的應用。其多用于坑深7～15m 的基坑工程,在我國北方土質較好地區已有8～9m 的臂樁圍護墻。鉆孔灌注樁支護墻體的特點有:施工時無振動、無噪音等環境公害,無擠土現象,對周圍環境影響小;墻身強度高,剛度大,支護穩定性好,變形小;當 工程樁也為灌注樁時,可以同步施工,從而施工有利于組織、方便、工期短;樁間縫隙易造成水土流失,特別時在高水位軟粘土質地區,需根據工程條件采取注漿、水泥攪拌樁、旋噴樁等施工措施以解決擋水問題;適用于軟粘土質和砂土地區,但是在砂礫層和卵石中施工困難應該慎用;樁與樁之間主要通過樁頂冠梁和圍檁連成整體,因而相對整體性較差,當在重要地區,特殊工程及開挖深度很大的基坑中應用時需要特別慎重

　　7、地下連續墻

　　通常連續墻的厚度為600mm、800mm、1000mm，也有厚達1200mm的，但較少使用。地下連續墻剛度大，止水效果好，是支護結構中最強的支護型式，適用于地質條件差和復雜，基坑深度大，周邊環境要求較高的基坑，但是造價較高，施工要求專用設備。

　　8、土釘墻

　　土釘墻是一種邊坡穩定式的支護,其作用與被動的具備擋土作用的上述圍護墻不同,它是起主動嵌固作用,增加邊坡的穩定性,使基坑開挖后坡面保持穩定。土釘墻主要用于土質較好地區,我國華北和華東北部一帶應用較多,目前我國南方地區亦有應用,有的已用于坑深10m 以上的基坑,穩定可靠、施工簡便且工期短、效果較好、經濟性好、在土質較好地區應積極推廣。

　　9、SMW工法

　　SMW工法亦稱勁性水泥土攪拌樁法,即在水泥土樁內插入H 型鋼等(多數為H 型鋼,亦有插入拉森式鋼板樁、鋼管等) ,將承受荷載與防滲擋水結合起來,使之成為同時具有受力與抗滲兩種功能的支護結構的圍護墻。SMW 支護結構的支護特點主要為:施工時基本無噪音,對周圍環境影響小;結構強度可靠,凡是適合應用水泥土攪拌樁的場合都可使用,特別適合于以粘土和粉細砂為主的松軟地層;擋水防滲性能好,不必另設擋水帷幕;可以配合多道支撐應用于較深的基坑;此工法在一定條件下可代替作為地下圍護的地下連續墻,在費用上如果能夠采取一定施工措施成功回收H 型鋼等受拉材料;則大大低于地下連續墻,因而具有較大發展前景。

　　三、 支護工程系統設計中的問題

　　(一)支護工程系統設計中的原則問題

　　(1) 根據各種條件計算基坑邊坡土體作用力。計算理論應用庫侖理論和朗金理論(2)對圍護結構、支撐體系的設計是以能否平衡土體作用力為依據。(3)僅以用料的多少或所用材料的造價作為選優的依據。各種施工方案僅僅作為定性選優的參考。(4)選擇工程資料庫中列出的施工方案(5)開挖方式、降水效果均包含在土體作用力的計算結果之中。(6)定性規則與量化計算選優相結合。(7)支護方式的篩選：任意給定一個支護方式，篩選去不能平衡土體作用力的支護方式，逐步篩直至找到能平衡土體作用力的各種支護方式(8)按三級選優的方式進行優化設計。

　　(二)地下水控制設計問題

　　地下水控制是基坑工程中的一個難點，因土質與地下水位的條件不同，基坑開挖的施工方法大不相同。有時在沒有地下水的條件下，可輕易開挖到6m或更深;但在地下水位較高，又是砂土或粉土時，開挖3m也可能產生塌方。所以，對于沿海、沿江等高水位地區或表層滯水豐富的地區來說，深基坑工程的地下水控制的成敗是基坑工程成敗的關鍵問題之一。

　　在基坑開挖中，降水排水及止水對工程的安全與經濟有重大的影響，多數基坑工程事故與水都有直接或間接的關系。一般情況下軟土地區地下水位較高，深基坑工程開挖時，為改善挖土操作條件，提高土體的抗剪強度，增加土體抗管涌、抗承壓水、抗流砂的能力， 減少對圍護體的側壓力，從而提高基坑施工的安全度，往往對坑內、坑外采取降水。目前，降水主要有輕型井點及多層輕型井點、噴射井點、深井井點、電滲井點等。但降水過程中，由于含水層內的地下水位降低，土層內液壓降低，使土體粒間應力，即有效應力增加，從而導致地面沉降，嚴重時地面沉降會造成相鄰建筑物的傾斜與破壞，地下管線的破壞。另外，在坑內降水時，如果降水深度過深，由于水位差增加, 易出現管涌造成工程事故。為此，施工決策前，需要了解施工中可能發生的各種情況及其危害程度，以便提出最佳決策方案，獲得最佳經濟效益及保障施工安全。為了防止由于降水引起的各類意外事故，可采取以下措施：

　　1) 基坑四周設置的如果是不滲水擋土墻，可取消坑外降水;

　　2) 在坑外降水同時，在其外側(受保護對象之間)同時進行回灌;

　　3) 盡量減少初期的抽水速度，使降水漏斗線的坡度放緩;

　　4) 控制坑內降水深度，一般降水深度在基坑開挖面以下0.5m～1.0m;

　　5) 合理確定擋土墻的入土深度，防止管涌。

　　(三)建筑用地影響設計問題

　　由于高層建筑多處于市中心，建筑場地周圍建筑物秘籍，地下管線多，限制了基坑的放坡，往往需要垂直開挖，而在開挖中應注意到辯駁側移和地面沉降對周圍建筑物的影響。在城市，環保要求高，選擇支護方案時，應考慮到支護工程施工產生的噪音、泥漿、化學泥漿等對城市功能的影響。

　　四、支護結構方案的優化與確定

　　(一)支護結構方案的優化

　　支護結構的方案優化是根據某一深基坑工程所要達到的目標，從眾多可行方案中選出一個最佳方案。由于深基坑工程是一個相當復雜的系統工程，其支護結構的優選受許多確定和不確定因素，亦即模糊因素的制約，很難用費用最低的單目標優化準則做出最佳決策。深基坑支護結構設計方案包括可靠性、造價、施工難度、工期、環境影響等諸多屬性，這些屬性中有些是模糊的。運用多目標決策模糊集理論，能夠較好地用于這樣一個具有多種屬J性和模糊特性的深基坑支護方案的優選。

　　支護結構細部優化。在支護方案優選后，需更進一步對所選方案的細部結構進行優化，在滿足支護功能前提下使支護結構工程造價最低。完成一個實際問題的優化設計，大致包括4部分內容：決策(設計)變量、目標函數、約束條件和優化算法。

　　在依據基坑安全等級和變形控制等級初步選擇方案基礎上，利用優化設計綜合評判法進行方案的進一步優選，在深基坑支護工程中是一個比較科學的方法。根據深基坑支護設計的基本參數，進行一級優化設計：根據深基坑支護體系設計應滿足強度、變形和穩定性驗算等基本原則，以及深基坑支護體系施工費用、土方開挖費用、施工監測及檢測費用、環保費用等基本原則確定影響經濟性的因素，進行二級優化設計;根據施工對周圍居民生活的影響、施工對周圍建筑物和地下管線的影響、施工產生的次生災害影響等基本原則確定影響環境保護的因素，進行三級優化設計：按“安全可行、經濟合理、環境保護、施工便捷”的原則對基坑支護方案進行確定。

　　(二)基坑支護方案的確定

　　1、弄懂圖紙：弄清楚基礎埋深、長寬、地基持力層、地耐力要求，確定持力層為勘察報告中的哪一層，是否會加深，確定出自然地坪至基底的深度。 2、根據勘察報告取得各土層厚度、重度、粘聚力、內摩擦角、地下水等計算數據。 3、現場放線，丈量周圍建(構)筑物、地下管線等距基礎外邊沿的距離，基坑開挖對周圍環境影響程度，確定開挖坡度、基坑支護安全級別(安全系數)。 4、確定基坑支護結構頂面荷載大小及作用形式為靜載還是活載。5、根據基坑周邊環境、開挖深度、工程地質與水文地質、施工作業設備和施工季節等條件，初步確定支護類型。

　　五、深基坑支護設計與施工方案優化實例

　　工程實例一

　　(一)工程概況

　　某地鐵車站是1號線與5號線的換乘站，同時又是中心公園停車場的接軌站。車站中心里程CK10+368.000，全長635.27m，有效站臺長度118m，標準段寬32.7m、高14.2m;換乘節點段最寬34.3 m、高23.2 m，采用明挖順筑法、交通疏解道路下方采用鋪蓋法施工。本站與5號線換乘關系為一島一側站臺對島式站臺的十字節點換乘。除換乘節點段采用多跨現澆鋼筋混凝土矩形框架結構外，車站其余地段采用雙層三跨、雙層四跨及雙層雙跨現澆鋼筋混凝土矩形框架結構。3號線車站基坑開挖深度約17.9m～23.5m，換乘段基坑開挖深度26.8m，支護工程安全等級為一級。

　　(1)工程地質

　　<1-1>素填土：由礫質、砂質粘土組成，另夾漂石及塊碎石，局部含砂。

　　<3-3>中粗砂：級配良好，呈透鏡狀分布。

　　<6-1>礫(砂)質粘性土：可塑狀，成份以粘粒為主，含少量角礫土質不均。

　　<6-2>礫(砂)質粘性土：硬塑狀，局部可塑狀，土質較均勻，含少量石英質粗砂礫。

　　<12-1>全風化花崗巖：巖石風化強烈，遇水軟化。分布于殘積土及沖洪積砂層之下。

　　<12-2-1>強風化花崗巖：巖石風化強烈，遇水軟化崩解。

　　<12-3>中等風化花崗巖：粗粒結構，塊狀構造，硅質膠結。巖石節理裂隙發育。天然極限抗壓強度為25.9～60.1Mpa。

　　<12-4>微風化花崗巖：粗粒結構，塊狀構造，硅質膠結。節理裂隙不發育。巖石致密、堅硬，屬極硬巖。天然極限抗壓強度為46.7～145.1Mpa。

　　(2)水文地質

　　區間范圍地下水主要有第四系孔隙水、基巖裂隙水。第四系孔隙潛水主要賦存于沖洪積砂層及沿線砂(礫)質粘土層中。地下水埋深0.7～8.8m,以孔隙潛水為主，局部地段微承壓。主要由大氣降水補給。水量較豐富。

　　(3)工程地質及水文地質評價

　　未發現對本工程有影響的不良地質，特殊巖土主要表現為人工素填土和花崗巖殘積土、風化層。其中華強北站二層結構的基底主要位于<12-2-1>;本車站三層結構的基底深入<12-3>。<6-1>、<6-2>和<12-1>層具遇水軟化、崩解，強度急劇降低特點，基坑開挖應及時封底、支護;

　　水文地質方面反映本工程地下水位較高，以孔隙潛水為主，水量豐富。本車站基坑挖深17.8m，換乘節點挖深26.8m，故基坑內采取明溝排水結合管井降水措施。

　　(4)工程范圍內的管線較多，交通疏解次數多，依據各自與工程結構的關系，在施工過程中分別涉及到管線的遷改、支吊和保護共三個方面的管線處理問題。需懸吊的管線主要有電力2根、雨水管1根、污水管2根、給水管3根、通訊管線3根等。主要有外徑1500mm的污水管、外徑800mm的雨水管和一條外徑600mm的給水管。

　　(二)基坑支護方案比較分析

　　(1)土釘墻方案

　　本工程場地比較小，不具備放坡條件和卸土條件，基坑開挖深度范圍內全部為淤泥土層，土釘抗拔力低，效果很差。且本場地周邊環境比較復雜，周邊道路管線及建筑對地面沉降非常敏感。本方案可靠性差。?

　　(2)地下連續墻方案

　　該方案施工技術要求較高，造價也高，為確保地下室外墻不滲水，常設襯墻，這樣即增加了費用，同時也減小了地下室的空間。本方案經濟性差。?

　　(3)邊挖邊被復方案

　　由于工程環境復雜，邊墻距周圍建筑物距離小，開挖深度大，開挖時放坡，勢必對周圍建筑物產生較大影響。另外，邊挖邊對地下水位以下施工有一定困難，故不宜采用邊挖邊被復方案。

　　(三)方案優化

　　基坑支護設計方案該工程的支護設計，考慮了造價、適用性、對道路管線的影響及后續施工影響等諸多因素，分析比較了采用鋼板樁、預制樁、雙排沉管樁和鉆孔灌注樁等方案的利弊，最終選取了鉆孔灌注樁加單道鋼筋混凝土聯合支撐的形式，圍護樁采用φ700@850鉆孔灌注樁，樁頂為600mm×1200mm截面的環梁，鋼筋混凝土支撐為600mm×600mm。

　　基坑支護結構的設計計算

　　該工程支護設計計算參照國家有關規范進行，由于坑外部荷載影響較多，故按30kN/m2考慮地面荷載。土壓力按郎肯土壓力理論分層計算，并采用水土合算，即土壓力計算中不考慮水的浮重，此計算中亦不考慮工程樁對被動土壓力的影響。支護結構則按單錨深埋樁模式進行計算。樁頂環梁按連續梁計算，經天漢軟件計算的各項結果如下所示：樁身最大彎矩：608.45kN/m2·m;水平支撐力：170.7kN;樁長19.5m，實際取樁長19m;樁身配筋不均勻，依靠主要受力的兩個方面，配16Φ25，箍筋φ8@200，另加設φ14@2000加強箍。樁頂環梁按連續梁計算，各項計算結果如下所示：環梁最大彎矩：1019.7kN·m;環梁截面為：600m×1200mm，每邊配6Φ25+2Φ22，箍筋為φ8@200。基坑中間對撐采用φ609×11鋼管，四周角采用600mm×600mm截面的鋼筋混凝土;鋼管對撐承受的壓力為1638.72kN，鋼筋混凝土角撐承受力為1738.13kN，彎矩值為370.47kN·m。角撐的中部設支承樁，以便增強角撐和支承樁的穩定性，角撐中點之間設連梁，連梁與環梁轉角處相連。

　　工程實例二

　　(一)工程概況

　　山東某跨河大橋工程主墩基坑深度約9米，基坑側壁安全等級較高。建設場地原始地貌為淤泥河灘，基坑支護主要土層有建筑垃圾回填土、淤泥、礫砂、殘積土及風化巖石等，其中回填土主要由建筑垃圾、碎石塊組成，細骨料為砂粘土，均勻性差;淤泥層厚度大，承載性能很差，地質構造較為復雜，基坑支護條件十分困難。擬建場地地下水主要附存于垃圾填填土、河砂的孔隙中以及下部風化巖石 的裂隙中，地下水位最淺為0.5米，該項目為跨河橋梁，基坑周圍為營業碼頭，施工空間非常狹小有限。無法進行放坡開挖，施工要求必須進行深基坑支護。本場地基坑支護主要土層為雜填土和淤泥，地下水位較高，淤泥量大，塑狀嚴重，透水性差，固結時間不長，所以抗剪強度采用天然快剪指標進行計算。

　　(二)設計優化方案

　　1、該基坑因場地限制，無法放坡大面積開挖，加上場地地質條件差，所以宜采用排樁加預應力錨桿的支護方式。根據以往同地區的錨桿抗拉經驗值，在該種淤泥土層，采用普通的錨桿設計抗拉力不足9 K N / m，無法達到本基坑設計的要求，且在淤泥層中制作長錨桿，施工難度大。根據本工程方型基坑四邊近似相等的特點。內部錨桿支撐設置成一個圓形鋼筋砼圈梁外加小支撐的支撐系統，充分發揮圓形鋼筋砼結構受力均勻等特性，減少結構集中受力受彎，達到圈梁砼均布卸荷的極佳效果。圓形圈梁支護結構截面設定為1200x 8 800mm2，后經力學計算，最大的彎距與剪力只要求圈梁構造配筋即能滿足受力要求，達到較為理想的經濟和受力效果。

　　2、圍護樁結構通過幾種成樁方案的探討和比較，確定該排樁采用人工挖孔樁，同時配合集水井進行場地降水，降水井在基坑四周均

　　布，打設深度為人中風化巖石1.5米，防止地,下水位過高給人工成孔增加難度。該種成樁方法雖然成孔難度大，但施工工期短，造價低，樁身質量能有較大保證，故易采用。

　　3、排樁結構內支撐受力設計：在基坑底板相同高程處，對應每根圍護樁設置一根 3 0 0 * 3 0 0mm 的臨時支撐，支撐在基坑底板上，待臨時支撐砼強度達到設計強度后，拆除圓形內撐圈梁，圍護體系形成以臨時支撐為結點的懸臂結構。

　　4、圍護結構最終設計：圍護樁選用Φ800間距1500 ～1800的人工挖孔樁,為減小基坑土方開挖時淤泥層產生側向位移增加面沉降量,我們選擇在圍護樁間設置一道200 mm厚的磚砌反拱.以確保結構體系的穩定性。

　　結束語

　　近年來深基坑工程得到了極大地發展應用，但國內對其支護方案的選擇仍具有片面性和主觀性。因此?，遵循安全可行、經濟合理、施工便捷、環境保護等原則，找出一套科學合理且可操作性解決方法十分必要。?

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