谈岩土工程深基坑支护的设计与施工及其优化过程管理

刘堰陵

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，武汉430015）

1 引言

长期以来，我国在基础设施建设中投入了大量的人力、物力，推动各项基础设施建设规划不断落实，随着施工规模和施工范围的逐步拓展，岩土工程深基坑支护的设计与施工面临着更大的压力和更高的质量要求，在工程深基坑支护的设计和施工过程中相关人员必须坚持精细化管理理念。

2 岩土工程深基坑支护的设计分析

2.1 土压力计算

“十二五”期间，政府加大保障性住房建设力度，保障房投资高达1.3×104亿元；水利工程建设的高潮也即将到来，水利固定资产投资将达2×104亿元，众多大型项目投入建设，岩土工程行业潜力巨大，前景光明。鉴于此，对深基坑支护设计中的土压力计算进行介绍。

根据岩土工程基坑支护结构位移方向，土压力主要分为静止土压力、主动土压力和被动土压力。其中，静止土压力主要是基坑支护结构中的挡土墙体不发生位移或不发生明显位移时，挡土墙结构受到的土体作用力；主动土压力是挡土墙结构受到土体压力产生位移后土体应力达到平衡状态时，土体对挡土墙结构产生的最小压力，主动土压力结构如图1 所示。被动土压力是指挡土墙受到外部压力的作用产生整体位移，当挡土墙结构处于应力平衡状态时土体与墙体之间的最大压力，被动土压力结构如图2 所示。为明确各类型土压力的具体值，支持岩土工程深基坑支护合理设计，需要借助郎肯土压力理论进行土压力值实际计算。计算公式为：

式（1）、式（2）中，Ep为被动土压力（体现被动土压力下墙体的受力情况）；Eb为主动土压力；γ 为土体的重度；H为土体围墙的高度；Kp为被动土压力系数。

图1 主动土压力结构图

图2 被动土压力结构图

2.2 空间效应分析

前文中主要对岩土工程深基坑支护设计中的土压力计算进行了介绍，可知不同环境中岩土工程的挡土墙结构主要存在2 种状态，即不发生位移或不发生明显位移以及发生位移，位移的发生主要来源于挡土墙与土层的互相作用，从这一角度上来看，要想保证岩土工程深基坑支护结构的稳定性，还应从空间效应上分析深基坑的结构位移特征，以下对其进行介绍。

在分析空间效应时不仅应该重点掌握深基坑中土体对挡土墙结构的水平作用力，还应分析空间环境中挡土墙结构的承受应力分布，相关人员应结合该地区土壤环境、地质情况、水文情况进行地质结构探究，掌握深基坑支护施工环境中土体结构的稳定性以及空间位移情况，按照太沙基理论进行抗隆起验算。其计算公式为：

式中，Pu为极限承载力；c为土壤的内聚力；q为基底水平面以上基础两侧的超载；Nc、Nq、Nγ为无量纲承载力因数；γ 为土的重度；b为土体结构的高度系数。

该公式适用于条形荷载下的整体剪切破坏，在局部剪切破坏计算中，应用如下公式展开：

式中，Pu为极限承载力；c为土壤的内聚力；Nc′、Nq′、Nγ′为无量纲承载力因数；γ 为土的容量；q为基底水平面以上基础两侧的超载；b为土体结构的高度系数。

若存在较大空间位移风险，应采用应力抵抗性措施，使深基坑支护结构具有更高的稳定性，避免由于巨大空间位移造成深基坑支护结构塌陷，影响施工质量，降低施工安全系数。另外，在空间效应分析上，还应重点掌握空间位移的移动特征和移动方向，以在深基坑支护结构设计中确定抵抗力方向，明确设计重点。

2.3 设计计算

近年来，在基础设施建设规划的不断推进下，岩土工程的施工比例呈现了明显的上升趋势，施工规模逐渐扩大，施工难度与日俱增，深基坑支护结构合理设计有助于保证岩土工程的整体稳定性。在设计计算过程中，相关人员应具备全面性设计理念和精细化设计理念，能够对实际施工环境中的各种施工因素和施工条件进行全面掌握，结合理论分析现场实际条件，以明确极限平衡体系下深基坑支护结构的受力情况。另外，为保障工程质量，还需在实际设计过程中对施工条件和施工环境的变化性因素进行考虑，计算出板桩墙入土深度，满足深基坑支护结构设计中的静态平衡设计要求和动态平衡设计要求。公式如下：

式中，t0为板桩墙的最小入土深度；y为土压力零点距坑底的距离；x为基坑开挖深度。

为保证支护结构稳定性，应计算基坑地面向上位移δ，计算公式为：

式中，γ 为土层重度；h为土层厚度；q为基坑顶面的地面超载；D为桩嵌入长度；H为基坑开挖深度；c为桩底面处土层黏结力；φ 为桩底面处土层内摩擦角。

3 岩土工程深基坑支护的施工分析

3.1 规范深基坑土体取样

岩土工程深基坑支护施工与岩土工程整体质量具有密不可分的关系，对施工安全系数产生明显影响。为保证工程稳定性，在施工前期需要进行深基坑土体取样，通过土样实验来明确土体结构的稳定性。以下对规范深基坑土体取样提出2 点建议：

1）深基坑支护工程具有较高的复杂性施工特点，为保证土体取样质量，在实际施工前，现场管理人员应对施工人员进行有效培训，并组织施工人员召开技术交流会议，在会议中强调深基坑支护施工中的土壤取样流程，提高施工人员对土体取样工作的重视程度。

2）为有效降低岩土工程深基坑支护施工风险，在土体取样中相关人员要有高度的质量控制意识，能有效地识别土体结构的位移风险。另外，应对于不同施工环境中的土体进行针对性取样和标准化取样，以提高土体结构检验和稳定性检测结果的精准度。相关调查表明，深基坑土体取样技术改进前和改进后取得的工程经济效益分别为68.2%和80.6%，施工人员工作效率分别为48.2%和68.8%，均呈明显提升特征，可知优化土体取样技术切实可行【1】。

3.2 加强材料管理

按照岩土工程深基坑支护质量管理要求，为保证空间结构的稳定性，解决空间位移问题对施工质量产生的不良影响，在实际施工中应有效加强材料管理力度。

岩土工程深基坑支护中材料质量管理是不可或缺的重要管理内容，相关人员应充分重视材料质量对深基坑支护工程稳定性的影响，在材料购买时做好市场调研，选择性价比高、质量稳定的施工材料，并在其进场前和使用前做好质量检验工作，出具质量检验报告，以支持质量复检和质量追溯。另外，为避免材料储存不当造成的质量损失，还应在施工场地中合理规划材料储存空间，并用防水土工布对其进行防水、防潮处理【2】。

3.3 优化过程管理

基于岩土工程深基坑支护施工的复杂性，为全面保证工程质量，施工现场管理人员应开展过程管理工作。过程管理工作贯穿于岩土工程深基坑支护的全生命周期，管理人员要全面掌握土工程深基坑支护的施工条件、施工环境，强化质量控制效果和技术管理效果。为有效降低管理难度，管理人员应积极借鉴先进管理技术，如BIM 建筑信息模型，发挥其可视化优势和模型化优势，对施工现场环境和具体施工项目进行模拟，掌握施工风险，明确质量控制重点。在BIM 建筑信息模型的支持下，管理人员能够充分整合各项施工资源：包括材料管理资源、人员管理资源和技术管理资源，从多个方面对岩土工程深基坑支护施工进行质量控制。另外，为保证质量控制效果，相关人员应在过程管理过程中设定阶段性管理目标，并在后续施工中针对不同施工模块中施工技术的实际应用效果进行监督，严格规范施工现场技术人员的施工行为，保证岩土工程深基坑支护工程施工工序的严谨性，降低施工风险，提升安全施工系数。

4 结语

目前，我国正处于基础设施建设规划推进的关键时期，为保证岩土工程深基坑支护结构的稳定性，在深基坑支护的设计阶段，应该精细化开展土压力计算、空间效应分析和设计计算，并在深基坑支护的施工阶段规范深基坑土体取样、合理选择力学参数、优化过程管理，以提高岩土工程深基坑支护质量控制水平。