基坑支护结构优化设计及研究分析

杨汉臣

(山西瑞通路桥新技术有限公司，山西 太原 030000)

0 引 言

基坑支护技术是综合岩土工程施工的难点问题之一，且基坑的安全稳定性又与基坑支护结构的受力条件息息相关，因此，选择合适的支护结构也是工程研究的重点工作。在实际工程中，一般不单独采用某一种支护结构，而是应用多种联合的支护方式。常见的基坑支护形式有：放坡开挖，不布置支护结构，而是在放坡区间范围内对基坑土地进行开挖；排桩支护结构，通常沿基坑边线设置成排桩的支护结构，适用范围广；内支撑支护结构，依据材料类别可分为钢管支撑和受钢筋混凝土支撑，其中钢筋混凝土支撑具有刚度大、整体变形小等，一般情况下，第一道多采用钢筋混凝土支撑；拉锚式支护结构，是应用地下连续墙、排桩等挡土结构以及锚固体系共同形成的锚固结构；土钉墙支护结构，是将土钉注入墙体，并在土体表面安设钢筋网同时喷射混凝土，土钉、土体及混凝土面层相互作用形成复合体，实现基坑边坡的稳定；地下连续墙支护结构，不仅可挡土、挡水，还具有承重功能；重力式水泥土挡墙支护结构，可充分利用原地基土，具有挡水性能好、施工噪音小、节约材料等特点；复合型支护结构，是将几种支护形式相结合，具有安全可靠、经济实用等优点。本文中，原基坑支护设计方案是采用放坡结合两道钢筋混凝土支撑的开挖支护结构，通过优化后，改为放坡结合钢筋混凝土支撑、桩锚支护的支护结构形式，并重点对比分析优化前后地表沉降、基坑支撑轴力的变化情况，进而确定合理的基坑支护方案。

1 基坑支护结构的优化设计研究

1.1 常规基坑支护结构的设计

本文以某工程为例，其基坑所在地层的上部是由黏土、粉土及素填土构成，稳定性相对较差，而下部是由中风化岩层及强风化砂岩构成，稳定性相对较好，且土岩分界线位于地面以下12 m左右位置，是典型的土岩组合地层。

原基坑支护设计方案是：采用内支撑支护形式，首先在开挖至地面下7 m过程中，采用1∶1坡比的二级放坡开挖形式，每级坡高相差3.5 m，坡面喷射C20×80 mm的素混凝土，内设规格是ϕ8(0.2 m×0.2 m)的钢筋，梅花型设置钢筋规格是ϕ12(1.5 m×1.5 m)，设置ϕ50PVC滤水管于斜坡位置；当开挖至7 m后，采用旋挖钻孔桩进行围护桩的施工，钢筋混凝土桩间距是1.5 m，且基坑外增设850 mm厚的水泥土搅拌墙进行止水；紧接着，当完成围护结构后，进行钢筋混凝土和冠梁支撑设计，7 m放坡后，基坑是采用2层钢筋混凝土支撑，截面尺寸是800 mm×800 mm；最后继续向下开挖至第二层钢筋混凝土支撑之下，安设支撑二层钢筋混凝土和腰梁，一直开挖到坑底结束。

对于基坑开挖，一般遵循先撑后挖、限时支撑，且不得超挖的规律，具体为：竖向分层开挖至地面下7 m，分成两级台阶，第一级台阶下3.5 m，坡脚2 m；第二阶台阶下3.5 m。坡脚6 m，做到随挖随护坡。下挖至7 m二次放坡后，沿围护桩内部开挖至第一道支撑底0.5 m处位置时，浇筑第一道钢筋混凝土支撑和钢筋混凝土冠梁；等上述混凝土强度达到要求后再开挖岩层到第二道支撑底0.5 m处位置时，浇筑第二道钢筋混凝土支撑和腰梁；再等到混凝土凝固后，继续开挖直到达到基坑底板设计标高，其中，竖向分层开挖和内支撑设置分布示意图如图1所示。

图1 基坑竖向开挖和内支撑具体设置分布示意图

1.2 基坑支护结构的优化设计

基坑支护结构设计一般要遵循以下规则：一是稳定安全性，基坑开挖工程能否顺利进行的首要前提条件就是施工的稳定性和安全性，而这也是基坑支护结构设计的第一任务目标；二是经济性和施工便利性，整个基坑开挖工程的前提就是基础阶段的施工，而施工便利性会对整个工程的进度产生影响；三是对周围环境的影响，在设计基坑支护结构时，要选择稳定性和强度高的支护结构，尽可能地减小基坑在开挖回填过程中产生的变形，使周围环境的影响程度降到最低。

本文中，原基坑支护方案采用的是二次放坡结合两道钢筋混凝土支撑的开挖支护结构，来实现围护桩的安全和稳定。由于在实际施工进程中，第二道钢筋混凝土支撑要历经支模、浇筑以及混凝土凝固等流程，给主体结构施工、基坑开挖等后续工序会造成很大的障碍。此外，基坑主体结构的支模、浇筑还会严重影响第二道钢筋混凝土的支撑拆除作业。由此可见，原基坑支护方案存在施工工期较长，且当主体结构施工进行支撑拆除时，不仅影响工期，且存在一定的危险性，因此，需对基坑支护结构进行优化改进。

基坑支护的优化设计方案：采用放坡结合钢筋混凝土支撑、桩锚支护的支护结构，取消第二道工序中钢筋混凝土支撑设计，改为在第二道钢筋混凝土支撑上下各设计一层锚杆，具体是：在高程4.9 m处，也就是在距第一层钢筋混凝土支撑顶部位置2.8 m设置第一层锚杆，并使锚杆正好穿过土岩位置分界处在岩层中嵌入，此外锚固段全部穿透岩层；在高程5.6 m处，也就是在距第二层钢筋混凝土支撑顶部位置2.1 m设置第二层锚杆。同时，根据调整的施工工序，将原设计开挖至第二道钢筋混凝土支撑，优化改为开挖至第一、第二层锚杆下方0.5 m的位置处。此外，对于第一层锚索，其规格是L=15 m@1 500，设计拉拔力450 kN，锚索自由端长度是7 m，锁定载荷大小是350 kN；对于第二层锚索，其规格是L=15 m@1 500，设计拉拔力450 kN，锚索自由端长度是7 m，锁定载荷大小是350 kN。

2 基坑支护结构优化前后的对比分析

为验证本文土岩组合地层基坑支护结构设计的合理性以及稳定性，进而得到合理的基坑支护结构，本文重点对优化前后地表最大沉降以及基坑第一层钢筋混凝土支撑轴力的变化情况进行分析。

2.1 对比分析优化前后地表最大沉降

本文采用放坡+一层钢筋混凝土支撑+桩锚支护的基坑支护结构优化后，对比研究基坑支护结构优化前后地表沉降变化情况，分别得到图2和图3所示的对比图。

图2 原方案下，地表最大沉降变化图

图3 优化方案后，地表最大沉降变化图

从图2和图3中对比可看出，基坑支护结构优化后，地表沉降大小值有着显著的改善，且最大沉降值的位置也出现改变，最大值大小是16.27 mm；而原方案下，地表最大沉降值是25.6 mm，相比于原方案降低了36.4%，表明优化后的基坑支护方案具有很好的稳定效果。此外，进一步对比分析优化前后地表沉降值的等值线变化情况，基坑采用两层钢筋混凝土支护和基坑采用一层钢筋混凝土支护结合两层锚杆支护两种方案下，随基坑边缘距离的变化，地表沉降未产生明显的变化，这也表明原基坑支护方案中，在基坑阴角位置处设置施工上下坡道便道，存在明显的合理性。

2.2 对比分析优化前后钢筋混凝土支撑轴力

本文对比研究基坑支护结构优化前后第一层钢筋混凝土支撑最大轴力值的变化情况，分别得到图4和图5所示的轴力云图。

图4 原方案下，基坑第一层钢筋混凝土支撑轴力的变化图

图5 优化方案后，基坑第一层钢筋混凝土支撑轴力的变化图

对比图4和图5可看出，优化后基坑第一层钢筋混凝土支撑的轴力值大小出现局部支撑梁变大的现象，对于原支护方案，最大轴力值大小是1 399.29 kN；优化后，最大轴力值大小是1 447.93 kN，增大了大约5.6%，但是最大轴力值还是在安全可控范围内。因此，在安全设计范围内，钢筋混凝土的抗压性得到了更好地应用发挥。

此外，对比分析还可知，优化后第一层钢筋混凝土支撑最大轴力所在的位置也发生了明显的改变，主要是因为原方案采用的是钢筋混凝土支撑，而优化后是采用锚杆给围护结构提供支撑，两者作用原理不同，其中，钢筋混凝土支撑是从基坑内部提供反向的压力给基坑外部的，而锚索是利用锚杆与地层间的嵌固力、摩擦力，提供向外的拉力给基坑围护结构。由于地层的岩层进行改变时，在不同的位置提供的拉力值大小也不同，但是，承受来自外部土压力的围护机构其受力是一定的，所以，会出现第一层钢筋混凝土支撑的最大轴力和其所处的位置的不同。

3 结 论

针对土岩组合地层开挖的复杂性，同时为充分利用岩石的自稳性，本文采用放坡结合钢筋混凝土支撑、桩锚支护的基坑支护优化结构形式，并重点对比分析优化前后地表沉降、基坑支撑轴力的变化情况，结论是。

(1)优化后，地表沉降降低了36.4%，第一层钢筋混凝土支撑轴力在可控安全范围内增加了大约5.6%，表明优化后的基坑支护方案在结构上有明显的稳定性和安全性，能够满足基坑工程设计要求。

(2)采用放坡结合钢筋混凝土支撑、桩锚支护能够更好地发挥出每种支护结构的特征。此外，还可缩短施工工期，降低工程成本。