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摘要：深基坑支护工程涉及因素众多，支护类型也日益繁多，整个支护系统是一多因素集合体，存在优化设计的必要性。本文介绍了深基坑支护优化的基本原则并以实例对方案优化进行了研究。
关键词：深基坑,支护,方案优化
前言
基坑支护方法众多,诸如人工挖孔桩、预制桩、深层搅拌桩、钢板桩、地下连续墙、内支撑、各种桩、板、墙、管、撑同锚杆联合支护，此外还有锚钉墙等。深基坑开挖与支护工程方案种类繁多，各方案的相互匹配可演变出多种整体支护方案和细部结构设计方案。基坑支护方案选择应当以工程要求、地质水文条件和现场环境为依据，选出最合理和经济的方案。
一、深基坑工程及其特点
深基坑工程主要包括基坑支护体系设计与施工和土方开挖，是一项综合性很强的系统工程。深基坑支护是指为保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对深基坑侧壁及周边环境采用的支档、加固与保护的措施。基坑支护体系是临时结构，在地下工程施工完成后就不再需要。
1、基坑支护体系是临时结构，安全储备较小，具有较大的风险性。基坑工程施工过程中应进行监测，并应有应急措施。在施工过程中一旦出现险情，需要及时抢救。在开挖深基坑时候注意加强排水防灌措施，风险较大应该提前做好应急预案。
2、基坑工程具有很强的个性。基坑工程的支护体系设计与施工和土方开挖不仅与工程地质水文地质条件有关，还与基坑相邻建(构)筑物和地下管线的位置、抵御变形的能力、重要性，以及周围场地条件等有关。有时保护相邻建(构)筑物和市政设施的安全是基坑工程设计与施工的关键。这就决定了基坑工程具有很强的个性。因此，对基坑工程进行分类、对支护结构允许变形规定统一标准都是比较困难的。
3、基坑工程具有较强的时空效应。基坑的深度和平面形状对基坑支护体系的稳定性和变形有较大影响。在基坑支护体系设计中要注意基坑工程的空间效应。土体，特别是软粘土，具有较强的蠕变性，作用在支护结构上的土压力随时间变化。蠕变将使土体强度降低，土坡稳定性变小。所以对基坑工程的时间效应也必须给予充分的重视。
4、基坑工程是系统工程。基坑工程主要包括支护体系设计和土方开挖两部分。土方开挖的施工组织是否合理将对支护体系是否成功具有重要作用。不合理的土方开挖、步骤和速度可能导致主体结构桩基变位、支护结构过大的变形，甚至引起支护体系失稳而导致破坏。同时在施工过程中，应加强监测，力求实行信息化施工。
二、基坑支护的类型及其特点和适用范围
1、放坡开挖
适用于周围场地开阔，周围无重要建筑物，只要求稳定，位移控制五严格要求，价钱最便宜，回填土方较大。
2、深层搅拌水泥土围护墙
深层搅拌水泥土围护墙是采用深层搅拌机就地将土和输入的水泥浆强行搅拌,形成连续搭接的水泥土柱状加固体挡墙。水泥土围护墙优点:由于一般坑内无支撑,便于机械化快速挖土;具有挡土、止水的双重功能;一般情况下较经济;施工中无振动、无噪音、污染少、挤土轻微,因此在闹市区内施工更显出优越性。水泥土围护墙的缺点:首先是位移相对较大,尤其在基坑长度大时,为此可采取中间加墩、起拱等措施以限制过大的位移;其次是厚度较大,只有在红线位置和周围环境允许时才能采用,而且在水泥土搅拌桩施工时要注意防止影响周围环境。
3、高压旋喷桩
高压旋喷桩所用的材料亦为水泥浆,它是利用高压经过旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合形成水泥土加固体,相互搭接形成排桩,用来挡土和止水。高压旋喷桩的施工费用要高于深层搅拌水泥土桩,但其施工设备结构紧凑、体积小、机动性强、占地少,并且施工机具的振动很小,噪音也较低,不会对周围 建筑物带来振动的影响和产生噪音等公害,它可用于空间较小处,但施工中有大量泥浆排出,容易引起污染。对于地下水流速过大的地层,无填充物的岩溶地段永冻土和对水泥有严重腐蚀的土质,由于喷射的浆液无法在注浆管周围凝固,均不宜采用该法。
4、槽钢钢板桩
这是一种简易的钢板桩围护墙,由槽钢正反扣搭接或并排组成。槽钢长6～8m ,型号由计算确定。其特点为:槽钢具有良好的耐久性,基坑施工完毕回填土后可将槽钢拔出回收再次使用;施工方便,工期短;不能挡水和土中的细小颗粒,在地下水位高的地区需采取隔水或降水措施;抗弯能力较弱,多用于深度≤4m的较浅基坑或沟槽,顶部宜设置一道支撑或拉锚;支护刚度小,开挖后变形较大。
5、钢筋混凝土板桩
钢筋混凝土板桩具有施工简单、现场作业周期短等特点,曾在基坑中广泛应用,但由于钢筋混凝土板桩的施打一般采用锤击方法,振动与噪音大,同时沉桩过程中挤土也较为严重,在城市工程中受到一定限制。此外,其制作一般在工厂预制,再运至工地,成本较灌注桩等略高。但由于其截面形状及配筋对板桩受力较为合理并且可根据需要设计,目前已可制作厚度较大(如厚度达500mm 以上) 的板桩,并有液压静力沉桩设备,故在基坑工程中仍是支护板墙的一种使用形式。
6、钻孔灌注桩
钻孔灌注桩围护墙是排桩式中应用最多的一种,在我国得到广泛的应用。其多用于坑深7～15m 的基坑工程,在我国北方土质较好地区已有8～9m 的臂桩围护墙。钻孔灌注桩支护墙体的特点有:施工时无振动、无噪音等环境公害,无挤土现象,对周围环境影响小;墙身强度高,刚度大,支护稳定性好,变形小;当 工程桩也为灌注桩时,可以同步施工,从而施工有利于组织、方便、工期短;桩间缝隙易造成水土流失,特别时在高水位软粘土质地区,需根据工程条件采取注浆、水泥搅拌桩、旋喷桩等施工措施以解决挡水问题;适用于软粘土质和砂土地区,但是在砂砾层和卵石中施工困难应该慎用;桩与桩之间主要通过桩顶冠梁和围檩连成整体,因而相对整体性较差,当在重要地区,特殊工程及开挖深度很大的基坑中应用时需要特别慎重
7、地下连续墙
通常连续墙的厚度为600mm、800mm、1000mm，也有厚达1200mm的，但较少使用。地下连续墙刚度大，止水效果好，是支护结构中最强的支护型式，适用于地质条件差和复杂，基坑深度大，周边环境要求较高的基坑，但是造价较高，施工要求专用设备。
8、土钉墙
土钉墙是一种边坡稳定式的支护,其作用与被动的具备挡土作用的上述围护墙不同,它是起主动嵌固作用,增加边坡的稳定性,使基坑开挖后坡面保持稳定。土钉墙主要用于土质较好地区,我国华北和华东北部一带应用较多,目前我国南方地区亦有应用,有的已用于坑深10m 以上的基坑,稳定可靠、施工简便且工期短、效果较好、经济性好、在土质较好地区应积极推广。
9、SMW工法
SMW工法亦称劲性水泥土搅拌桩法,即在水泥土桩内插入H 型钢等(多数为H 型钢,亦有插入拉森式钢板桩、钢管等) ,将承受荷载与防渗挡水结合起来,使之成为同时具有受力与抗渗两种功能的支护结构的围护墙。SMW 支护结构的支护特点主要为:施工时基本无噪音,对周围环境影响小;结构强度可靠,凡是适合应用水泥土搅拌桩的场合都可使用,特别适合于以粘土和粉细砂为主的松软地层;挡水防渗性能好,不必另设挡水帷幕;可以配合多道支撑应用于较深的基坑;此工法在一定条件下可代替作为地下围护的地下连续墙,在费用上如果能够采取一定施工措施成功回收H 型钢等受拉材料;则大大低于地下连续墙,因而具有较大发展前景。
三、 支护工程系统设计中的问题
(一)支护工程系统设计中的原则问题
(1) 根据各种条件计算基坑边坡土体作用力。计算理论应用库仑理论和朗金理论(2)对围护结构、支撑体系的设计是以能否平衡土体作用力为依据。(3)仅以用料的多少或所用材料的造价作为选优的依据。各种施工方案仅仅作为定性选优的参考。(4)选择工程资料库中列出的施工方案(5)开挖方式、降水效果均包含在土体作用力的计算结果之中。(6)定性规则与量化计算选优相结合。(7)支护方式的筛选：任意给定一个支护方式，筛选去不能平衡土体作用力的支护方式，逐步筛直至找到能平衡土体作用力的各种支护方式(8)按三级选优的方式进行优化设计。
(二)地下水控制设计问题
地下水控制是基坑工程中的一个难点，因土质与地下水位的条件不同，基坑开挖的施工方法大不相同。有时在没有地下水的条件下，可轻易开挖到6m或更深;但在地下水位较高，又是砂土或粉土时，开挖3m也可能产生塌方。所以，对于沿海、沿江等高水位地区或表层滞水丰富的地区来说，深基坑工程的地下水控制的成败是基坑工程成败的关键问题之一。
在基坑开挖中，降水排水及止水对工程的安全与经济有重大的影响，多数基坑工程事故与水都有直接或间接的关系。一般情况下软土地区地下水位较高，深基坑工程开挖时，为改善挖土操作条件，提高土体的抗剪强度，增加土体抗管涌、抗承压水、抗流砂的能力， 减少对围护体的侧压力，从而提高基坑施工的安全度，往往对坑内、坑外采取降水。目前，降水主要有轻型井点及多层轻型井点、喷射井点、深井井点、电渗井点等。但降水过程中，由于含水层内的地下水位降低，土层内液压降低，使土体粒间应力，即有效应力增加，从而导致地面沉降，严重时地面沉降会造成相邻建筑物的倾斜与破坏，地下管线的破坏。另外，在坑内降水时，如果降水深度过深，由于水位差增加, 易出现管涌造成工程事故。为此，施工决策前，需要了解施工中可能发生的各种情况及其危害程度，以便提出最佳决策方案，获得最佳经济效益及保障施工安全。为了防止由于降水引起的各类意外事故，可采取以下措施：
1) 基坑四周设置的如果是不渗水挡土墙，可取消坑外降水;
2) 在坑外降水同时，在其外侧(受保护对象之间)同时进行回灌;
3) 尽量减少初期的抽水速度，使降水漏斗线的坡度放缓;
4) 控制坑内降水深度，一般降水深度在基坑开挖面以下0.5m～1.0m;
5) 合理确定挡土墙的入土深度，防止管涌。
(三)建筑用地影响设计问题
由于高层建筑多处于市中心，建筑场地周围建筑物秘籍，地下管线多，限制了基坑的放坡，往往需要垂直开挖，而在开挖中应注意到辩驳侧移和地面沉降对周围建筑物的影响。在城市，环保要求高，选择支护方案时，应考虑到支护工程施工产生的噪音、泥浆、化学泥浆等对城市功能的影响。
四、支护结构方案的优化与确定
(一)支护结构方案的优化
支护结构的方案优化是根据某一深基坑工程所要达到的目标，从众多可行方案中选出一个最佳方案。由于深基坑工程是一个相当复杂的系统工程，其支护结构的优选受许多确定和不确定因素，亦即模糊因素的制约，很难用费用最低的单目标优化准则做出最佳决策。深基坑支护结构设计方案包括可靠性、造价、施工难度、工期、环境影响等诸多属性，这些属性中有些是模糊的。运用多目标决策模糊集理论，能够较好地用于这样一个具有多种属J性和模糊特性的深基坑支护方案的优选。
支护结构细部优化。在支护方案优选后，需更进一步对所选方案的细部结构进行优化，在满足支护功能前提下使支护结构工程造价最低。完成一个实际问题的优化设计，大致包括4部分内容：决策(设计)变量、目标函数、约束条件和优化算法。
在依据基坑安全等级和变形控制等级初步选择方案基础上，利用优化设计综合评判法进行方案的进一步优选，在深基坑支护工程中是一个比较科学的方法。根据深基坑支护设计的基本参数，进行一级优化设计：根据深基坑支护体系设计应满足强度、变形和稳定性验算等基本原则，以及深基坑支护体系施工费用、土方开挖费用、施工监测及检测费用、环保费用等基本原则确定影响经济性的因素，进行二级优化设计;根据施工对周围居民生活的影响、施工对周围建筑物和地下管线的影响、施工产生的次生灾害影响等基本原则确定影响环境保护的因素，进行三级优化设计：按“安全可行、经济合理、环境保护、施工便捷”的原则对基坑支护方案进行确定。
(二)基坑支护方案的确定
1、弄懂图纸：弄清楚基础埋深、长宽、地基持力层、地耐力要求，确定持力层为勘察报告中的哪一层，是否会加深，确定出自然地坪至基底的深度。 2、根据勘察报告取得各土层厚度、重度、粘聚力、内摩擦角、地下水等计算数据。 3、现场放线，丈量周围建(构)筑物、地下管线等距基础外边沿的距离，基坑开挖对周围环境影响程度，确定开挖坡度、基坑支护安全级别(安全系数)。 4、确定基坑支护结构顶面荷载大小及作用形式为静载还是活载。5、根据基坑周边环境、开挖深度、工程地质与水文地质、施工作业设备和施工季节等条件，初步确定支护类型。
五、深基坑支护设计与施工方案优化实例
工程实例一
(一)工程概况
某地铁车站是1号线与5号线的换乘站，同时又是中心公园停车场的接轨站。车站中心里程CK10+368.000，全长635.27m，有效站台长度118m，标准段宽32.7m、高14.2m;换乘节点段最宽34.3 m、高23.2 m，采用明挖顺筑法、交通疏解道路下方采用铺盖法施工。本站与5号线换乘关系为一岛一侧站台对岛式站台的十字节点换乘。除换乘节点段采用多跨现浇钢筋混凝土矩形框架结构外，车站其余地段采用双层三跨、双层四跨及双层双跨现浇钢筋混凝土矩形框架结构。3号线车站基坑开挖深度约17.9m～23.5m，换乘段基坑开挖深度26.8m，支护工程安全等级为一级。
(1)工程地质
<1-1>素填土：由砾质、砂质粘土组成，另夹漂石及块碎石，局部含砂。
<3-3>中粗砂：级配良好，呈透镜状分布。
<6-1>砾(砂)质粘性土：可塑状，成份以粘粒为主，含少量角砾土质不均。
<6-2>砾(砂)质粘性土：硬塑状，局部可塑状，土质较均匀，含少量石英质粗砂砾。
<12-1>全风化花岗岩：岩石风化强烈，遇水软化。分布于残积土及冲洪积砂层之下。
<12-2-1>强风化花岗岩：岩石风化强烈，遇水软化崩解。
<12-3>中等风化花岗岩：粗粒结构，块状构造，硅质胶结。岩石节理裂隙发育。天然极限抗压强度为25.9～60.1Mpa。
<12-4>微风化花岗岩：粗粒结构，块状构造，硅质胶结。节理裂隙不发育。岩石致密、坚硬，属极硬岩。天然极限抗压强度为46.7～145.1Mpa。
(2)水文地质
区间范围地下水主要有第四系孔隙水、基岩裂隙水。第四系孔隙潜水主要赋存于冲洪积砂层及沿线砂(砾)质粘土层中。地下水埋深0.7～8.8m,以孔隙潜水为主，局部地段微承压。主要由大气降水补给。水量较丰富。
(3)工程地质及水文地质评价
未发现对本工程有影响的不良地质，特殊岩土主要表现为人工素填土和花岗岩残积土、风化层。其中华强北站二层结构的基底主要位于<12-2-1>;本车站三层结构的基底深入<12-3>。<6-1>、<6-2>和<12-1>层具遇水软化、崩解，强度急剧降低特点，基坑开挖应及时封底、支护;
水文地质方面反映本工程地下水位较高，以孔隙潜水为主，水量丰富。本车站基坑挖深17.8m，换乘节点挖深26.8m，故基坑内采取明沟排水结合管井降水措施。
(4)工程范围内的管线较多，交通疏解次数多，依据各自与工程结构的关系，在施工过程中分别涉及到管线的迁改、支吊和保护共三个方面的管线处理问题。需悬吊的管线主要有电力2根、雨水管1根、污水管2根、给水管3根、通讯管线3根等。主要有外径1500mm的污水管、外径800mm的雨水管和一条外径600mm的给水管。
(二)基坑支护方案比较分析
(1)土钉墙方案
本工程场地比较小，不具备放坡条件和卸土条件，基坑开挖深度范围内全部为淤泥土层，土钉抗拔力低，效果很差。且本场地周边环境比较复杂，周边道路管线及建筑对地面沉降非常敏感。本方案可靠性差。?
(2)地下连续墙方案
该方案施工技术要求较高，造价也高，为确保地下室外墙不渗水，常设衬墙，这样即增加了费用，同时也减小了地下室的空间。本方案经济性差。?
(3)边挖边被复方案
由于工程环境复杂，边墙距周围建筑物距离小，开挖深度大，开挖时放坡，势必对周围建筑物产生较大影响。另外，边挖边对地下水位以下施工有一定困难，故不宜采用边挖边被复方案。
(三)方案优化
基坑支护设计方案该工程的支护设计，考虑了造价、适用性、对道路管线的影响及后续施工影响等诸多因素，分析比较了采用钢板桩、预制桩、双排沉管桩和钻孔灌注桩等方案的利弊，最终选取了钻孔灌注桩加单道钢筋混凝土联合支撑的形式，围护桩采用φ700@850钻孔灌注桩，桩顶为600mm×1200mm截面的环梁，钢筋混凝土支撑为600mm×600mm。
基坑支护结构的设计计算
该工程支护设计计算参照国家有关规范进行，由于坑外部荷载影响较多，故按30kN/m2考虑地面荷载。土压力按郎肯土压力理论分层计算，并采用水土合算，即土压力计算中不考虑水的浮重，此计算中亦不考虑工程桩对被动土压力的影响。支护结构则按单锚深埋桩模式进行计算。桩顶环梁按连续梁计算，经天汉软件计算的各项结果如下所示：桩身最大弯矩：608.45kN/m2·m;水平支撑力：170.7kN;桩长19.5m，实际取桩长19m;桩身配筋不均匀，依靠主要受力的两个方面，配16Φ25，箍筋φ8@200，另加设φ14@2000加强箍。桩顶环梁按连续梁计算，各项计算结果如下所示：环梁最大弯矩：1019.7kN·m;环梁截面为：600m×1200mm，每边配6Φ25+2Φ22，箍筋为φ8@200。基坑中间对撑采用φ609×11钢管，四周角采用600mm×600mm截面的钢筋混凝土;钢管对撑承受的压力为1638.72kN，钢筋混凝土角撑承受力为1738.13kN，弯矩值为370.47kN·m。角撑的中部设支承桩，以便增强角撑和支承桩的稳定性，角撑中点之间设连梁，连梁与环梁转角处相连。
工程实例二
(一)工程概况
山东某跨河大桥工程主墩基坑深度约9米，基坑侧壁安全等级较高。建设场地原始地貌为淤泥河滩，基坑支护主要土层有建筑垃圾回填土、淤泥、砾砂、残积土及风化岩石等，其中回填土主要由建筑垃圾、碎石块组成，细骨料为砂粘土，均匀性差;淤泥层厚度大，承载性能很差，地质构造较为复杂，基坑支护条件十分困难。拟建场地地下水主要附存于垃圾填填土、河砂的孔隙中以及下部风化岩石 的裂隙中，地下水位最浅为0.5米，该项目为跨河桥梁，基坑周围为营业码头，施工空间非常狭小有限。无法进行放坡开挖，施工要求必须进行深基坑支护。本场地基坑支护主要土层为杂填土和淤泥，地下水位较高，淤泥量大，塑状严重，透水性差，固结时间不长，所以抗剪强度采用天然快剪指标进行计算。
(二)设计优化方案
1、该基坑因场地限制，无法放坡大面积开挖，加上场地地质条件差，所以宜采用排桩加预应力锚杆的支护方式。根据以往同地区的锚杆抗拉经验值，在该种淤泥土层，采用普通的锚杆设计抗拉力不足9 K N / m，无法达到本基坑设计的要求，且在淤泥层中制作长锚杆，施工难度大。根据本工程方型基坑四边近似相等的特点。内部锚杆支撑设置成一个圆形钢筋砼圈梁外加小支撑的支撑系统，充分发挥圆形钢筋砼结构受力均匀等特性，减少结构集中受力受弯，达到圈梁砼均布卸荷的极佳效果。圆形圈梁支护结构截面设定为1200x 8 800mm2，后经力学计算，最大的弯距与剪力只要求圈梁构造配筋即能满足受力要求，达到较为理想的经济和受力效果。
2、围护桩结构通过几种成桩方案的探讨和比较，确定该排桩采用人工挖孔桩，同时配合集水井进行场地降水，降水井在基坑四周均
布，打设深度为人中风化岩石1.5米，防止地,下水位过高给人工成孔增加难度。该种成桩方法虽然成孔难度大，但施工工期短，造价低，桩身质量能有较大保证，故易采用。
3、排桩结构内支撑受力设计：在基坑底板相同高程处，对应每根围护桩设置一根 3 0 0 * 3 0 0mm 的临时支撑，支撑在基坑底板上，待临时支撑砼强度达到设计强度后，拆除圆形内撑圈梁，围护体系形成以临时支撑为结点的悬臂结构。
4、围护结构最终设计：围护桩选用Φ800间距1500 ～1800的人工挖孔桩,为减小基坑土方开挖时淤泥层产生侧向位移增加面沉降量,我们选择在围护桩间设置一道200 mm厚的砖砌反拱.以确保结构体系的稳定性。
结束语
近年来深基坑工程得到了极大地发展应用，但国内对其支护方案的选择仍具有片面性和主观性。因此?，遵循安全可行、经济合理、施工便捷、环境保护等原则，找出一套科学合理且可操作性解决方法十分必要。?
参考文献：
[1]信贵，吴恒，易念平.基坑支护技术进展[M].北京：建筑技术杂志社，2008.
[2]刘建航，侯学渊.基坑工程手册[S].北京：中国建筑工业出版社，2007.
[3]吴恒，潘树青，张信贵.城市深基坑支护工程若干问题浅析[J].广西科学，2007，4(4).
[4]武亚军，卢文阁，栾茂田，候仰杰.深基坑支护结构优化设计探讨[J].建筑结构，2000，(11).
[5]王沛，赵军，丁克胜.内撑式支护结构支撑内力的实测与计算分析[J].施工技术，2000，(1).
[6]赵志给，赵帆.深基坑工程技术的进步与展望[J].建筑技术，2003，(2).
[7]尉希成，周美玲.支挡结构设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2004.
[8]龚晓南，高有潮.深基坑工程设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2008.
[9]何家趾，董建忠.深基坑支护结构设计及存在的问题研究[J].四川建材，2007，(3).
[10]巫东辉，林再石.有关深基坑支护设计与施工的相关问题分析[J].建材与装饰(中旬刊)，2008,(6).
[11]崔江余，梁仁旺.深基坑支护设计计算与施工[M].北京:中国建材工业出版社，1999.
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