礦山巖土工程施工中基坑支護(hù)設(shè)計(jì)存在的問題及改進(jìn)措施

黃 琨，謝維安

（1.廣西工勘巖土工程有限公司，廣西 桂林 541002；2.桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

在礦山巖土工程施工過程中，基坑支護(hù)是必不可少的一個(gè)步驟，施工時(shí)通常將基坑支護(hù)安置在地下管線、人防工程等位置[1]。

這項(xiàng)工程在施工過程中起到了前期搭建功能，在后期會(huì)進(jìn)行拆除操作，但這不影響對(duì)這項(xiàng)工程的技術(shù)高要求[2]。基坑支護(hù)設(shè)計(jì)是否科學(xué)，對(duì)礦山巖土工程施工過程的安全和質(zhì)量有著不可分割的作用，并且嚴(yán)重影響著礦山地下工程和開采工作的施工安全[3]。所以，在礦山巖土工程的建設(shè)中，需要對(duì)基坑支護(hù)方案進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)，以保證礦山巖土工程的施工質(zhì)量和安全。

因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中基坑支護(hù)在設(shè)計(jì)方面需要特別注意，所以在施工的時(shí)候需要因地制宜的進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。由于在施工的時(shí)候會(huì)遇到許多不同的問題，基坑支護(hù)的所需要設(shè)計(jì)內(nèi)容十分復(fù)雜，這不單是在礦山建筑施工時(shí)需要面對(duì)的問題，同樣也是前期是方案設(shè)計(jì)人員所需要著重注意的問題。尤其是在設(shè)計(jì)過程中需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐娜宋耐临|(zhì)、地理概況、地下開采工程等方面進(jìn)行結(jié)合。這項(xiàng)工程設(shè)計(jì)是一個(gè)十分系統(tǒng)的工程，同時(shí)具有很大的挑戰(zhàn)性，對(duì)于方案設(shè)計(jì)人員的要求也比較高，要求設(shè)計(jì)人員擁有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析，以確保坑基支護(hù)在礦山巖土工程施工過程中可以有效、安全的運(yùn)行。

在此基礎(chǔ)上，本文針對(duì)礦山巖土工程施工中基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中存在的問題進(jìn)行分析，并提出相關(guān)改進(jìn)的措施，最后通過對(duì)實(shí)例進(jìn)行應(yīng)用以驗(yàn)證改進(jìn)后方法的作用效果。

1 礦山巖土工程施工中基坑支護(hù)設(shè)計(jì)存在的問題

1.1 力學(xué)參數(shù)選擇不科學(xué)

在礦山巖土工程中深基坑支護(hù)的方案設(shè)計(jì)中的力學(xué)參數(shù)，一般是指巖石間的各礦層隨著氣流速度的不同時(shí)而生成的制約力，以及各巖石層的附著力。這兩個(gè)力學(xué)參數(shù)是對(duì)巖土工程建筑主體是否被侵蝕的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。

但是因?yàn)椴煌牡貐^(qū)的地質(zhì)條件有所不同，地理結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，不能將同一個(gè)力學(xué)參數(shù)應(yīng)用在多個(gè)地點(diǎn)，需要工程師前期對(duì)地質(zhì)進(jìn)行考察，通過縝密的計(jì)算，得出適用于該地點(diǎn)的力學(xué)參數(shù)。合理、科學(xué)的力學(xué)參數(shù)對(duì)于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著巨大的影響。

在進(jìn)行礦山巖土工程的基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要將巖土力學(xué)方面的問題進(jìn)行綜合分析。所以，研究巖石受力情況時(shí)，還需要綜合各種力學(xué)數(shù)據(jù)。但是有很多基坑支護(hù)工程在方案設(shè)計(jì)時(shí)候選擇了錯(cuò)誤的力學(xué)數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，從而使得方案與實(shí)際工程不能完全配適。特別是大部分設(shè)計(jì)人員是通過實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行方案設(shè)計(jì)的，與實(shí)際施工情況相差較大，導(dǎo)致沒有準(zhǔn)確的對(duì)礦山的巖土工程間的力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，力學(xué)參數(shù)選擇失誤。最終在實(shí)際施工中無法有效發(fā)揮基坑支護(hù)的作用。

1.2 基坑土體選樣本缺乏整體性

在對(duì)礦山坑基支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，工程人員要先到該地區(qū)進(jìn)行土體采樣。將采回的樣本進(jìn)行分析計(jì)算。所得到的數(shù)據(jù)提供給設(shè)計(jì)人員，設(shè)計(jì)人員根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。但是由于不同地區(qū)的地質(zhì)條件的復(fù)雜性，在進(jìn)行土體采樣挖掘時(shí)，鉆孔不能很好的反映礦山整體的地質(zhì)情況。有時(shí)候?yàn)榱丝刂乒こ坛杀荆こ倘藛T不會(huì)在礦山多個(gè)地區(qū)進(jìn)行采樣，這樣就導(dǎo)致了土體采樣缺乏整體性，所獲得的數(shù)據(jù)具有隨機(jī)性，不能為后期的坑基支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，造成設(shè)計(jì)方案不適用礦山。

1.3 土層的挖掘與基坑支護(hù)間存在不和諧現(xiàn)象

在對(duì)礦山進(jìn)行施工作業(yè)的時(shí)候，土層的挖掘與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)置有著千絲萬縷的聯(lián)系，尤其是礦山的地理結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)于基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)方案和施工技術(shù)都有著嚴(yán)格的要求。但是礦山土層的挖掘一般所用的技術(shù)難度不高，施工人員的技術(shù)達(dá)不到基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)建設(shè)的要求。這就使得團(tuán)隊(duì)要同時(shí)存在兩組施工人員，一方面導(dǎo)致施工現(xiàn)場人員混雜不利于管理，施工進(jìn)度緩慢，效率低下；另一方面雇傭兩組施工人員致使成本開銷大幅度增加，工程預(yù)算嚴(yán)重超支。

2 改進(jìn)措施

2.1 針對(duì)力學(xué)參數(shù)選擇不科學(xué)采用新型基坑設(shè)計(jì)方式

在上文中對(duì)基坑支護(hù)存在的問題進(jìn)行了分析。本文在傳統(tǒng)的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上提出了新型基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方式。這種新型的設(shè)計(jì)方式可以很好地避免因力學(xué)參數(shù)選擇不科學(xué)而導(dǎo)致的設(shè)計(jì)方案與最終施工實(shí)際情況存在巨大誤差的問題。如圖1所示為新型基坑支護(hù)方案。

圖1 某工程新型基坑支護(hù)方案俯視圖

與傳統(tǒng)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方式比較，新型基坑設(shè)計(jì)方法有效地提升了傳統(tǒng)支護(hù)方案的穩(wěn)定性和安全性，并且新型基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案將礦山巖土的地質(zhì)構(gòu)造、各層巖石附著力等力學(xué)特性進(jìn)行結(jié)合，使得盡管礦山巖土性質(zhì)在不斷變化、力學(xué)特性也在不斷改變的情況下，仍能夠很好地適用于實(shí)際工程中，并且對(duì)基坑支護(hù)的保護(hù)功能進(jìn)行優(yōu)化提高。

新型基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展多元化，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)和水工結(jié)構(gòu)相結(jié)合，根據(jù)地質(zhì)的不同設(shè)置固定基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)或者臨時(shí)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。多種基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)相組合，更能適用于礦山復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。同時(shí)工程人員要對(duì)礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算，把握和控制好基坑支護(hù)中的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，從設(shè)計(jì)源頭確保基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案更科學(xué)、更符合礦山的實(shí)際情況。

同樣地，新型基坑支護(hù)方案的設(shè)計(jì)方法，并不是將巖土力學(xué)特性進(jìn)行完全拋棄，而是與工程的實(shí)際巖土力學(xué)的監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，使得設(shè)計(jì)出來的方案能夠在實(shí)際施工中很好地配適，實(shí)現(xiàn)工程施工過程中的基坑支護(hù)能夠很好地發(fā)揮安全、穩(wěn)定的作用。

2.2 對(duì)基坑變形、基坑坍塌等實(shí)際問題進(jìn)行分析

基坑變形、基坑坍塌是在基坑支護(hù)工程施工時(shí)經(jīng)常遇到的問題。在作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)人員時(shí)，需要在基坑支護(hù)工程方案的前期計(jì)劃時(shí)，參考具有工程結(jié)構(gòu)實(shí)際力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步使得基坑支護(hù)工程的方案的設(shè)計(jì)能夠進(jìn)一步完善。

在對(duì)礦山的巖土工程進(jìn)行基坑支護(hù)施工時(shí)，要時(shí)刻注意施工現(xiàn)場的變化，隨時(shí)對(duì)施工現(xiàn)場的塌方情況進(jìn)行監(jiān)測。在施工前對(duì)當(dāng)?shù)靥鞖膺M(jìn)行一段時(shí)間的監(jiān)測，確保施工時(shí)的天氣適宜，減少對(duì)土壤地質(zhì)造成的傷害。在施工時(shí)，要注意基坑支護(hù)的形變程度，當(dāng)形變超過預(yù)定值時(shí)，及時(shí)調(diào)整施工方案，提高基坑支護(hù)的穩(wěn)定性和質(zhì)量，確保礦山支護(hù)的施工工程能夠順利進(jìn)行。

在遇到所設(shè)計(jì)工程地點(diǎn)存在特殊性時(shí)，需要根據(jù)當(dāng)?shù)貐^(qū)域的巖土特性和土體承載力的情況進(jìn)行分析，通過實(shí)地考察和數(shù)據(jù)分析，再因地制宜進(jìn)行基坑支護(hù)的方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程中不斷對(duì)方案的適用性和安全性進(jìn)行優(yōu)化。

另一方面，因?yàn)榈V山巖土工程周圍環(huán)境較為復(fù)雜，所以關(guān)于基坑支護(hù)的方案設(shè)計(jì)要求對(duì)礦山周圍巖土、巖石礦化程度等地理特性進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，這樣也能實(shí)現(xiàn)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠在巖土施工過程中發(fā)揮保護(hù)作用。并且，在進(jìn)行基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)過程時(shí)，還需要對(duì)基坑支護(hù)工程進(jìn)行應(yīng)急預(yù)案的設(shè)計(jì)，以及微小問題的臨時(shí)補(bǔ)救方案的設(shè)計(jì)。這樣可以保證基坑支護(hù)工程在實(shí)際巖土工程施工過程中，能夠針對(duì)問題有相對(duì)應(yīng)的應(yīng)急方案，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的后續(xù)保障作用。

同樣的，在礦山巖土工程進(jìn)行施工的單位應(yīng)將在施工過程中的情況進(jìn)行詳細(xì)的記錄，對(duì)基坑附近巖石土體的沉降系數(shù)、巖石水平位移等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，借助對(duì)深基坑相關(guān)數(shù)據(jù)的有效監(jiān)管，為相應(yīng)安全隱患的發(fā)生進(jìn)行提前預(yù)防。作為設(shè)計(jì)人員，既要保證支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、安全性，還要借助施工單位多記錄整理的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征進(jìn)行分析和梳理，從而實(shí)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)符合相應(yīng)的設(shè)計(jì)初衷，從而滿足施工的所有要求。

3 實(shí)例分析

3.1 礦山工程概況

某礦山巖土工程的基坑縱深為15.7m，性質(zhì)表現(xiàn)為基坑支護(hù)工程，基坑開挖面積約8000m2，土方開挖量約2.4×105m3，基坑支護(hù)的上部分采用土釘墻設(shè)計(jì)支撐，基坑支護(hù)下位采用鉆孔灌注樁進(jìn)行支撐，同時(shí)在細(xì)節(jié)上應(yīng)用局部單道支撐和土層錨桿的方法進(jìn)行支撐。基坑支護(hù)進(jìn)行開挖時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐膸r石地質(zhì)主要以粉質(zhì)黏土、黏土的形式存在著，礦山淺層被松散砂覆蓋著，巖土的含水量較高。巖石礦化程度高，土壤蓬松，礦山距離居民區(qū)較近。周圍情況相較有些復(fù)雜，附近地下存在地下工程，埋有高壓輸電線纜，有地下水管道經(jīng)過。

3.2 施工方案

目前在礦山施工工程中比較常用的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)方案有重力式擋土墻支護(hù)結(jié)構(gòu)、土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)、排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)、地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)。結(jié)合該礦山的實(shí)際地理地質(zhì)情況，選擇適用區(qū)域采用預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)法聯(lián)合灌注樁與預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

該礦山基坑工程距離居民區(qū)近，同時(shí)礦山周圍巖土情況十分復(fù)雜。為“深、大、復(fù)雜”的重大基坑，支護(hù)結(jié)構(gòu)需有效控制變形。根據(jù)相鄰場地工程經(jīng)驗(yàn)，基坑開挖的作用效益區(qū)域范圍是2-3倍基坑深度，且基坑開挖過程中易引起較大變形。

在施工過程中，負(fù)荷在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力一部分是地質(zhì)水土給予的壓力，一部分是施工工具作用在基坑支護(hù)上的壓力。

水土壓力一般作用在基坑支護(hù)的側(cè)面，施加側(cè)向壓力，根據(jù)前期調(diào)查所得到的物理力學(xué)參數(shù)對(duì)基坑支護(hù)的側(cè)面進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)因?yàn)榈叵滤械乃终急却螅€要另外考慮水給予的壓力，因?yàn)榛又ёo(hù)中多采用黏土粉作為主要材料，可將地下水壓力進(jìn)行有限元計(jì)算，將所得參數(shù)加入水土壓力中。因?yàn)榈V山毗鄰居民區(qū)的交通運(yùn)輸主干道，這就導(dǎo)致基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)還要考慮道路交通所產(chǎn)生的壓力。

在實(shí)地進(jìn)行基坑支護(hù)挖掘施工時(shí)，為了縮短施工時(shí)間，預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)可與基坑土壤挖掘和灌注樁與預(yù)應(yīng)力錨索同時(shí)進(jìn)行施工操作。在對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建設(shè)的同時(shí)，開始連接灌注樁與預(yù)應(yīng)力錨索，但是最終的挖掘工作要在基坑支護(hù)建設(shè)完畢之后才能進(jìn)行操作，這樣保證了施工人員的安全。在建設(shè)多個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，第一個(gè)基坑支護(hù)建設(shè)完成后進(jìn)行挖掘的同時(shí)開始建設(shè)第二個(gè)基坑支護(hù)支撐通道。基坑支護(hù)通道的建設(shè)時(shí)刻根據(jù)挖掘長度調(diào)整寬度，并且第二個(gè)基坑支護(hù)的通道深度要深于第一個(gè)基坑支護(hù)土體結(jié)構(gòu)。挖掘工作要慢于通道建設(shè)的速度，這樣能夠保證施工人員的人身安全。

基坑?xùn)|、南、西側(cè)均為道路，北側(cè)緊臨相門塘駁岸，對(duì)變形較為敏感，需重點(diǎn)保護(hù)。場地空間狹小，考慮工程土方量大、為便于土方開挖、主體建筑應(yīng)用，基坑支護(hù)在方案設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合土方開挖的情況進(jìn)行實(shí)施，并根據(jù)土建施工要求設(shè)置棧橋。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的西側(cè)和北側(cè)主要采用灌注樁聯(lián)合預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行支護(hù)建設(shè)。基坑的西側(cè)距離基坑大約四到五米的位置建設(shè)一個(gè)與基坑平行的斷面，在斷面內(nèi)部設(shè)置暗渠用于排污。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)建設(shè)的第一批暗裝設(shè)置在距離該暗渠大約七米的直徑范圍內(nèi)，這樣保證排污順暢不堵塞。基坑的北側(cè)地質(zhì)層較為復(fù)雜，大量的強(qiáng)風(fēng)化板巖覆蓋在泥土層之上。強(qiáng)風(fēng)化板巖的走勢為由西向東，斷層明顯，期間夾雜著些許較脆弱的巖石層，高低走勢起伏較大，對(duì)于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的建設(shè)挑戰(zhàn)較大。在建設(shè)的時(shí)候增加樁錨結(jié)構(gòu)用來加固基坑支護(hù)，防止在后續(xù)操作中支護(hù)出現(xiàn)坍塌的情況。

基坑南側(cè)為柔性預(yù)應(yīng)力支撐剖面，地質(zhì)土壤稀疏。在此處建設(shè)的基坑支護(hù)深度大約為20m，因?yàn)橥寥老鄬?duì)松軟，要增加錨桿結(jié)構(gòu)，使得基坑結(jié)構(gòu)能夠緊緊抓住該地區(qū)土壤。錨桿結(jié)構(gòu)選取長度為8m到18m之間的鋼筋，設(shè)置間距為縱向2m、橫向2m。第一排的錨桿結(jié)構(gòu)要采用長為18m的鋼筋進(jìn)行基礎(chǔ)的構(gòu)建，長度以此類推，逐步遞減設(shè)置。每個(gè)錨桿的壓力形成程度都為100kN，保證錨桿能夠承受基坑后期建設(shè)所施加的壓力。在基坑橫向處設(shè)計(jì)槽鋼，槽鋼與錨桿相連，錨桿間要用螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，形成相對(duì)穩(wěn)固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行混凝土噴射，保證基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性能。

基坑支護(hù)挖掘時(shí)發(fā)現(xiàn)礦山深層有滲壓水的存在，地下水較豐富，為此要確保基坑支護(hù)在挖掘時(shí)能夠順利施工，以及保證礦山和周邊建筑的安全，需設(shè)置封閉止水帷幕，疏干④粉土、②-2粉土夾粉質(zhì)黏土層的深層滲壓水。此外，在建設(shè)單位提供塔樓部位電梯坑結(jié)構(gòu)圖之后，還進(jìn)一步進(jìn)行基坑抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算，以便準(zhǔn)確評(píng)價(jià)該層承壓含水層對(duì)基坑開挖的影響。

3.3 分析結(jié)果

對(duì)蘇州交通銀行基坑工程的土層分布、水文地質(zhì)情況和設(shè)計(jì)土層產(chǎn)生進(jìn)行了說明。明確了基坑總體方案的選型原則，采用排除法進(jìn)行分析得出了可行的幾種基坑支護(hù)方案。

經(jīng)過改善后的礦山巖土工程施工中基坑支護(hù)方案解決了由于對(duì)力學(xué)參數(shù)選擇不科學(xué)導(dǎo)致設(shè)計(jì)與實(shí)際情況存在巨大誤差的問題，使得基坑支護(hù)能夠滿足礦山巖土工程施工的所需要求。

4 結(jié)語

本文，旨在對(duì)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)上存在的問題進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)由于力學(xué)參數(shù)選擇的不科學(xué)導(dǎo)致設(shè)計(jì)與實(shí)際情況存在誤差的問題。

針對(duì)此問題進(jìn)行了解決措施的討論，制定出采用新型基坑設(shè)計(jì)方式和強(qiáng)化對(duì)基坑變形、基坑坍塌等實(shí)際問題的具體控制的方法。最后通過對(duì)某礦山巖土工程進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證，證明了該方法有效的解決了以上的問題。