談巖土工程深基坑支護的設計與施工及其優化過程管理

劉堰陵

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司，武漢430015）

1 引言

長期以來，我國在基礎設施建設中投入了大量的人力、物力，推動各項基礎設施建設規劃不斷落實，隨著施工規模和施工范圍的逐步拓展，巖土工程深基坑支護的設計與施工面臨著更大的壓力和更高的質量要求，在工程深基坑支護的設計和施工過程中相關人員必須堅持精細化管理理念。

2 巖土工程深基坑支護的設計分析

2.1 土壓力計算

“十二五”期間，政府加大保障性住房建設力度，保障房投資高達1.3×104億元；水利工程建設的高潮也即將到來，水利固定資產投資將達2×104億元，眾多大型項目投入建設，巖土工程行業潛力巨大，前景光明。鑒于此，對深基坑支護設計中的土壓力計算進行介紹。

根據巖土工程基坑支護結構位移方向，土壓力主要分為靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力。其中，靜止土壓力主要是基坑支護結構中的擋土墻體不發生位移或不發生明顯位移時，擋土墻結構受到的土體作用力；主動土壓力是擋土墻結構受到土體壓力產生位移后土體應力達到平衡狀態時，土體對擋土墻結構產生的最小壓力，主動土壓力結構如圖1 所示。被動土壓力是指擋土墻受到外部壓力的作用產生整體位移，當擋土墻結構處于應力平衡狀態時土體與墻體之間的最大壓力，被動土壓力結構如圖2 所示。為明確各類型土壓力的具體值，支持巖土工程深基坑支護合理設計，需要借助郎肯土壓力理論進行土壓力值實際計算。計算公式為：

式（1）、式（2）中，Ep為被動土壓力（體現被動土壓力下墻體的受力情況）；Eb為主動土壓力；γ 為土體的重度；H為土體圍墻的高度；Kp為被動土壓力系數。

圖1 主動土壓力結構圖

圖2 被動土壓力結構圖

2.2 空間效應分析

前文中主要對巖土工程深基坑支護設計中的土壓力計算進行了介紹，可知不同環境中巖土工程的擋土墻結構主要存在2 種狀態，即不發生位移或不發生明顯位移以及發生位移，位移的發生主要來源于擋土墻與土層的互相作用，從這一角度上來看，要想保證巖土工程深基坑支護結構的穩定性，還應從空間效應上分析深基坑的結構位移特征，以下對其進行介紹。

在分析空間效應時不僅應該重點掌握深基坑中土體對擋土墻結構的水平作用力，還應分析空間環境中擋土墻結構的承受應力分布，相關人員應結合該地區土壤環境、地質情況、水文情況進行地質結構探究，掌握深基坑支護施工環境中土體結構的穩定性以及空間位移情況，按照太沙基理論進行抗隆起驗算。其計算公式為：

式中，Pu為極限承載力；c為土壤的內聚力；q為基底水平面以上基礎兩側的超載；Nc、Nq、Nγ為無量綱承載力因數；γ 為土的重度；b為土體結構的高度系數。

該公式適用于條形荷載下的整體剪切破壞，在局部剪切破壞計算中，應用如下公式展開：

式中，Pu為極限承載力；c為土壤的內聚力；Nc′、Nq′、Nγ′為無量綱承載力因數；γ 為土的容量；q為基底水平面以上基礎兩側的超載；b為土體結構的高度系數。

若存在較大空間位移風險，應采用應力抵抗性措施，使深基坑支護結構具有更高的穩定性，避免由于巨大空間位移造成深基坑支護結構塌陷，影響施工質量，降低施工安全系數。另外，在空間效應分析上，還應重點掌握空間位移的移動特征和移動方向，以在深基坑支護結構設計中確定抵抗力方向，明確設計重點。

2.3 設計計算

近年來，在基礎設施建設規劃的不斷推進下，巖土工程的施工比例呈現了明顯的上升趨勢，施工規模逐漸擴大，施工難度與日俱增，深基坑支護結構合理設計有助于保證巖土工程的整體穩定性。在設計計算過程中，相關人員應具備全面性設計理念和精細化設計理念，能夠對實際施工環境中的各種施工因素和施工條件進行全面掌握，結合理論分析現場實際條件，以明確極限平衡體系下深基坑支護結構的受力情況。另外，為保障工程質量，還需在實際設計過程中對施工條件和施工環境的變化性因素進行考慮，計算出板樁墻入土深度，滿足深基坑支護結構設計中的靜態平衡設計要求和動態平衡設計要求。公式如下：

式中，t0為板樁墻的最小入土深度；y為土壓力零點距坑底的距離；x為基坑開挖深度。

為保證支護結構穩定性，應計算基坑地面向上位移δ，計算公式為：

式中，γ 為土層重度；h為土層厚度；q為基坑頂面的地面超載；D為樁嵌入長度；H為基坑開挖深度；c為樁底面處土層黏結力；φ 為樁底面處土層內摩擦角。

3 巖土工程深基坑支護的施工分析

3.1 規范深基坑土體取樣

巖土工程深基坑支護施工與巖土工程整體質量具有密不可分的關系，對施工安全系數產生明顯影響。為保證工程穩定性，在施工前期需要進行深基坑土體取樣，通過土樣實驗來明確土體結構的穩定性。以下對規范深基坑土體取樣提出2 點建議：

1）深基坑支護工程具有較高的復雜性施工特點，為保證土體取樣質量，在實際施工前，現場管理人員應對施工人員進行有效培訓，并組織施工人員召開技術交流會議，在會議中強調深基坑支護施工中的土壤取樣流程，提高施工人員對土體取樣工作的重視程度。

2）為有效降低巖土工程深基坑支護施工風險，在土體取樣中相關人員要有高度的質量控制意識，能有效地識別土體結構的位移風險。另外，應對于不同施工環境中的土體進行針對性取樣和標準化取樣，以提高土體結構檢驗和穩定性檢測結果的精準度。相關調查表明，深基坑土體取樣技術改進前和改進后取得的工程經濟效益分別為68.2%和80.6%，施工人員工作效率分別為48.2%和68.8%，均呈明顯提升特征，可知優化土體取樣技術切實可行【1】。

3.2 加強材料管理

按照巖土工程深基坑支護質量管理要求，為保證空間結構的穩定性，解決空間位移問題對施工質量產生的不良影響，在實際施工中應有效加強材料管理力度。

巖土工程深基坑支護中材料質量管理是不可或缺的重要管理內容，相關人員應充分重視材料質量對深基坑支護工程穩定性的影響，在材料購買時做好市場調研，選擇性價比高、質量穩定的施工材料，并在其進場前和使用前做好質量檢驗工作，出具質量檢驗報告，以支持質量復檢和質量追溯。另外，為避免材料儲存不當造成的質量損失，還應在施工場地中合理規劃材料儲存空間，并用防水土工布對其進行防水、防潮處理【2】。

3.3 優化過程管理

基于巖土工程深基坑支護施工的復雜性，為全面保證工程質量，施工現場管理人員應開展過程管理工作。過程管理工作貫穿于巖土工程深基坑支護的全生命周期，管理人員要全面掌握土工程深基坑支護的施工條件、施工環境，強化質量控制效果和技術管理效果。為有效降低管理難度，管理人員應積極借鑒先進管理技術，如BIM 建筑信息模型，發揮其可視化優勢和模型化優勢，對施工現場環境和具體施工項目進行模擬，掌握施工風險，明確質量控制重點。在BIM 建筑信息模型的支持下，管理人員能夠充分整合各項施工資源：包括材料管理資源、人員管理資源和技術管理資源，從多個方面對巖土工程深基坑支護施工進行質量控制。另外，為保證質量控制效果，相關人員應在過程管理過程中設定階段性管理目標，并在后續施工中針對不同施工模塊中施工技術的實際應用效果進行監督，嚴格規范施工現場技術人員的施工行為，保證巖土工程深基坑支護工程施工工序的嚴謹性，降低施工風險，提升安全施工系數。

4 結語

目前，我國正處于基礎設施建設規劃推進的關鍵時期，為保證巖土工程深基坑支護結構的穩定性，在深基坑支護的設計階段，應該精細化開展土壓力計算、空間效應分析和設計計算，并在深基坑支護的施工階段規范深基坑土體取樣、合理選擇力學參數、優化過程管理，以提高巖土工程深基坑支護質量控制水平。