復(fù)雜環(huán)境下深基坑降水開挖支護(hù)穩(wěn)定控制技術(shù)研究

趙昀

（中南勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢 430074）

1 引言

作為一項系統(tǒng)復(fù)雜，影響因素眾多的工程，深基坑施工受場地工程地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件的影響明顯[1]。隨著基坑開挖深度的增加，水源對其穩(wěn)定性的擾動作用也表現(xiàn)出更加明顯的特征[2]。在此背景下，由于施工環(huán)境氣象條件的差異化，降水是開挖支護(hù)穩(wěn)定控制階段必須要考慮的因素之一[3]。通過對發(fā)生的基坑工程事故進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，位于沿海、臨江地區(qū)的深基坑施工中，地下水位高是重要的誘導(dǎo)因素[4]。由此不難看出，選擇合理的止水和降水措施是維護(hù)施工和工程安全的重要基礎(chǔ)[5]。但是需要注意的是，工程進(jìn)度、施工造價和支護(hù)質(zhì)量三者之間的協(xié)調(diào)關(guān)系是深基坑降水開挖不可回避的問題。現(xiàn)階段，井點降水和深井降水是應(yīng)用較為廣泛的降水措施[6]。但是其在降水效率方面存在一定的局限性，并且對深基坑施工也有一定的影響。

為此，本文提出復(fù)雜環(huán)境下深基坑降水開挖支護(hù)穩(wěn)定控制技術(shù)研究，并通過實際應(yīng)用測試分析驗證了設(shè)計控制技術(shù)的作用效果。

2 深基坑降水開挖支護(hù)施工方法

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力需求分析

對于深基坑降水開挖施工而言，受實際施工環(huán)境的差異化以及深基坑目標(biāo)施工深度的不同，需要進(jìn)行針對性處理。為此，需要計算基坑靜止土壓力，以及在降水環(huán)境下的主動土壓力。三者的作用方式如圖1所示。

圖1 支護(hù)構(gòu)件位移與土壓力關(guān)系

按照圖1所示的方式，本文對靜止土壓力的計算是建立在支擋構(gòu)件只承受土體豎向自重應(yīng)力的基礎(chǔ)上的，此時在土層某深度h處的靜止土壓力E1可以表示為：

式中，K為靜止土的壓力系數(shù)；λ為支護(hù)靜止土的土體重度。

需要注意的是，在沿支護(hù)構(gòu)件由上而下的空間中，靜止土壓力的狀態(tài)分布為正三角形，那么在這種模式下，作用在支護(hù)構(gòu)件上的靜止土壓力E0可以表示為：

式中，r為靜止土壓力狀態(tài)分布對應(yīng)正三角形的邊長；L為支護(hù)鋼板樁的高度。

對于主動土壓力的計算，在主動極限平衡狀態(tài)下，深基坑邊坡土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)體系之間的應(yīng)力關(guān)系是相同的，那么此時的支護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷的主動土壓力主要是來自周圍土體的自重、破裂面處反力以及支護(hù)結(jié)構(gòu)體系自身的反力。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合正弦定律計算其大小可以表示為：

式中，E2為支護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷的主動土壓力強(qiáng)度；ψ為深基坑地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)的夾角；G為主動土楔的自重；θ為主動土楔的滑動方向與水平方向的夾角；φ為支護(hù)樁結(jié)構(gòu)與主動土楔的滑動方向之間的夾角。

結(jié)合式（2）和式（3），支護(hù)鋼板的應(yīng)力需求可以表示為：

按照該參數(shù)值，對深基坑支護(hù)材料進(jìn)行選擇以及施工參數(shù)的設(shè)置。

2.2 深基坑降水開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照上述方式，將計算得到的支護(hù)鋼板的應(yīng)力需求作為支護(hù)技術(shù)實施的目標(biāo)。考慮到山地地區(qū)、軟土地區(qū)的地層基礎(chǔ)條件差異較大，本文首先對支護(hù)結(jié)構(gòu)對應(yīng)材料的類型進(jìn)行選擇。首先，是槽鋼鋼板樁，其主要應(yīng)用于開挖深度在4.0 m以內(nèi)的基坑工程中，其次，是鋼板樁鎖口，其主要應(yīng)用于開挖深度在7.0~10.0 m的基坑工程中。在確定鋼板樁的類型之后，需要按照深基坑的應(yīng)力需求對鋼板樁的具體參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，此時要求鋼板的應(yīng)力強(qiáng)度閾值大于深基坑對支護(hù)鋼板的應(yīng)力需求強(qiáng)度。對于土釘墻結(jié)構(gòu)的搭建，以深基坑邊坡的基礎(chǔ)穩(wěn)定情況為基礎(chǔ)開展，考慮到該結(jié)構(gòu)的作用主要是通過主動嵌固的方式增加邊坡的穩(wěn)定性，因此，本文設(shè)置其埋深與地質(zhì)硬度之間成反比，對應(yīng)鉆孔的直徑以大于鋼板樁直徑5.0~10.0 cm為準(zhǔn)。鋼板樁的直徑越大，鉆孔直徑與其差異越高。通過這樣的方式確保后續(xù)的灌漿操作可以最大限度地實現(xiàn)對其的固定。關(guān)于鋼板樁的排布密度，以單個鋼板樁的應(yīng)力閾值上限為基準(zhǔn)，確保其所受荷載在閾值范圍內(nèi)。最后，是對支護(hù)樁結(jié)構(gòu)的灌漿處理。其效果如圖2所示。

圖2 灌漿施工示意圖

對于混凝土水泥的選擇，一方面要具有較高的強(qiáng)度，另一方面要具有較快的凝固效率。在實際施工過程中，結(jié)合鉆孔的體積與鋼板樁的體積，準(zhǔn)確計算所需灌注總量，并輔以振搗施工，確保支護(hù)樁的強(qiáng)度能夠達(dá)到設(shè)計需求。

通過這樣的方式，完成對深基坑降水開挖支護(hù)穩(wěn)定控制。

3 應(yīng)用測試

3.1 測試工程概況

應(yīng)用本文提出深基坑開挖支護(hù)穩(wěn)定控制技術(shù)的工程為某采用直立開挖方式施工的方形基坑結(jié)構(gòu)。在施工過程中，為了穩(wěn)定坡面，在挖進(jìn)的同時在坡面上噴射了混凝土結(jié)構(gòu)，以此形成相對穩(wěn)定的面板結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，對應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)主要為土釘與錨桿，在二者的共同作用下，保障深基坑的安全性。在具體的設(shè)置上，共設(shè)有4層土釘，按照豎向的方式均勻布設(shè)，錨桿共計3層，在搭建階段，設(shè)置其與水平方向的夾角均為15°，以此最大化其應(yīng)力強(qiáng)度，具體的土釘及錨桿分布情況如圖3所示。按照圖3所示的方式布置支護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖3 土釘及錨桿分布情況示意圖

3.2 控制措施

在上述基礎(chǔ)上，本文對測試工程開挖支護(hù)穩(wěn)定控制階段，搭建了以單排水泥攪拌樁為主要應(yīng)力結(jié)構(gòu)的止水帷幕，其具體的施工深度為16.0 m，攪拌樁的直徑為50.0 cm，為了確保攪拌樁自身的穩(wěn)定性以及應(yīng)力分布的均衡性，設(shè)置相鄰兩根樁之間的距離為50.0 cm，并構(gòu)建了重疊搭接結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的長度為20.0 cm。除此之外，在安裝土釘及錨桿前，在原有的混凝土面板結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行鉆孔處理，其直徑為150.0 mm，深度為300.0 mm，具體的材料為具有較高耐腐蝕性的熱軋帶肋鋼筋，土釘鋼筋的直徑為20.0 mm，錨桿鋼筋的直徑為25.0 mm。最后在孔內(nèi)灌注水泥漿液對其進(jìn)行加固處理，具體的強(qiáng)度為20.0 MPa。完成上述施工后，利用強(qiáng)度為C20，厚度為50.0 mm的混凝土對表層進(jìn)行封層處理。

3.3 測試結(jié)果

在上述施工的基礎(chǔ)上，分別對深基坑的沉降情況和水平移動情況進(jìn)行分析，按照均勻分布的方式在工程中選擇4個工況點作為測試目標(biāo)，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

表1 深基坑開挖后位移情況統(tǒng)計表mm

從表1中可以看出，4個測試點的水平和垂直位移在7 d內(nèi)的發(fā)展情況最大值均不超過20.00 mm，其中，第1 d、第2 d、第4 d以及第5 d的位移變化相對明顯，這是因為在上述時段開挖施工由于設(shè)備因素出現(xiàn)了長時間的劇烈振動，對基坑所在地層的整體穩(wěn)定性造成的干擾，其他時段的位移發(fā)展情況均穩(wěn)定在2.00 mm/d以內(nèi)。表明本文提出的方法可以實現(xiàn)對深基坑降水開挖支護(hù)穩(wěn)定進(jìn)行有效控制。

4 結(jié)語

深基坑降水開挖支護(hù)穩(wěn)定控制技術(shù)不僅可以有效防止地下水對基坑邊坡和坑底的稀釋作用，降低開挖施工的難度，同時也可以提高基坑邊坡和底部的穩(wěn)定性，以更大的承載力應(yīng)對施工帶來的負(fù)荷。本文提出復(fù)雜環(huán)境下深基坑降水開挖支護(hù)穩(wěn)定控制技術(shù)研究，保障了基坑工程的穩(wěn)定性。旨在通過本文的研究，避免邊坡或坑底因力學(xué)性能指標(biāo)異常帶來的施工安全問題。