岩溶区基坑支护设计及稳定性分析

摘 要：为保证岩溶区基坑支护设计的合理性，以该区内基坑地质条件为基础，先进行支护设计，并通过经验公式、变形预测对基坑支护后的稳定性进行分析。分析结果表明：基坑近接条件存在一定差异，单一治理措施不合理，即采用分区支护设计，区1、区2的基坑支护措施设计分别为“支护桩+内支撑梁、格构柱”和“支护桩+两道锚杆+内支撑梁、格构柱”。在基坑稳定性计算结果中，整体稳定性、抗隆起稳定性均满足规范要求，加之基坑后续变形趋于收敛，充分验证了基坑设计的合理性，为类似工程积累了经验。

关键词：岩溶；基坑支护设计；变形预测；稳定性分析

中图分类号：P 642" " " 文献标志码 ：A

在基坑施工过程中，基坑支护与其施工安全密切相关，尤其是在岩溶区，基坑支护设计显得更加重要，因此，岩溶区基坑支护设计及稳定性分析具有重要意义[1-2]。目前，不少学者进行了相关研究，岳立章[3]探究了土钉墙和支护桩在基坑支护中的联合应用效果，禹泽云[4]分析了基坑支护中的加固技术，陶阳[5]研究了基坑支护过程中的常见问题，并提出了对应处理措施。上述研究充分说明基坑支护设计的必要性，但较少涉及基坑支护设计及稳定性的联合分析。因此，该文以岩溶区内基坑地质条件为基础，先进行其支护设计，并通过经验公式、变形预测对基坑支护后的稳定性进行分析，以期指导现场施工，并为类似工程积累经验。

1 工程概况

拟建项目为商业建筑，用地面积为5521.25㎡。在建筑修建过程中，配套基坑近似矩形，开挖深度为11.6m，属深基坑（如图1所示）。

根据勘察资料可知，区内地层自上而下依次为填土层、粉质黏土层和灰岩层，其中，填土层主要由粉砂岩碎屑、粉质黏土组成，结构松散，回填时间已超过5年，分布厚度为1.3～3.0m，粉质黏土层多呈褐黄色，切面光滑，强度中等，岩芯采取率较高，具有较优的均匀性，分布厚度为3.5～4.8m，灰岩层主要为青灰色，强～中风化，岩芯采取率较高，溶蚀也较为发育，形成了规模不一的溶洞，多由黏性土充填或局部充填。

在基坑近接条件方面，基坑北侧、西侧以及东侧均近接既有建筑，均是高度为6层～12层的住宅，基础形式为天然基础，无地下室，南侧为近接道路，为双向4车道，已运营多年。

基坑区亦属岩溶区，且坑底位于灰岩深度范围内，因此，对其支护设计及稳定性进行分析具有重要意义。

2 基坑支护设计

2.1 支护方案设计

由于基坑近接条件存在一定差异，单一治理措施不合理，因此，结合基坑现场条件，将其支护范围进行分区，其中，区1为基坑南侧（即图1中B1～B3监测点），区1为基坑北侧、西侧及东侧（即图1中B1～B3监测点以外的地区）。

根据以往经验，将区1的基坑支护措施设计为“支护桩+内支撑梁、格构柱”，区2的基坑支护措施设计为“支护桩+两道锚杆+内支撑梁、格构柱”。

两区支护桩尺寸是一致的，长度设计为19m，包括悬臂段11.6m，嵌固段7.4m，直径为0.8m，采用钢筋混凝土，顶部设置冠梁，其尺寸为1.0m×1.0m。

内部支撑梁、格构柱均是采用钢筋混凝土，其目的主要是维持基坑支护措施的稳定，其材质也均为钢筋混凝土，两者尺寸均为0.5m×0.5m。

锚杆1和锚杆2长度为7m，中部设计直径32mm钢筋，锚杆直径为为91mm，充填物为M30水泥砂浆，沉渣段长度30cm，锁定值200kN，锚头设计为0.4m×0.4m。

基坑支护方案如图2所示。

2.2 支护措施计算

在2.1节基坑支护方案设计的基础上，进一步计算支护桩、锚杆。

2.2.1 支护桩计算结果

支护桩是基坑支护的主要措施，其稳定性是非常重要的，因此，按不利原则对两区支护桩进行设计计算。通过经典法计算得到基坑区内的最不利弯矩值为318.72kN‧m，最不利剪力为187.16kN，并以此为基础，进行支护桩配筋计算，如公式（1）所示。

（1）

式中：M为最不利弯矩值；at、a为桩和钢筋的特征参数； fy为钢筋抗拉强度；As、A为钢筋、支护桩的截面积，mm2；rs、r为钢筋、支护桩的半径，mm；fc为混凝土抗压强度。

通过公式（1）计算支护桩的配筋，支护桩所需主筋、箍筋面积分别为6428.798mm2和513.01mm2，因此，配置主筋18根直径22的钢筋，实配面积为6841.8mm2，配置直径12mm的箍筋，间距20cm，实配面积为565.5mm2，均满足要求。

2.2.2 锚杆计算结果

在区2锚杆支护设计的过程中，其所需的最大反力为178.28kN，计算锚杆锚固力的计算过程如公式（2）所示。

（2）

式中：Pt为锚杆锚固力，kN；a为滑面与锚杆夹角，°；β为锚杆入射角，°；φ为土体摩擦角，°。

按照公式（2）计算锚杆锚固力计算值为189.94kN，因此，将锚杆锁定值设计为2000k0N是满足要求的。

锚杆长度设计的计算过程如公式（3）所示。

L=L1+L2+L3 " " " " " " " " " " " " " " " " "（3）

式中：L为锚杆长度，m；L1、L2、L3为自由段、锚固段、拉张段长度，m。

用公式（3）计算锚杆长度，得到锚杆所需的计算长度为5.91m，因此，将锚杆长度设计为7m是满足要求的。

3 基坑支护措施的稳定性分析

3.1 分析方法构建

为验证基坑支护措施的合理性，进一步进行稳定性分析，并将分析过程划分为两步：利用经验公式进行基坑稳定性及抗隆起稳定性计算；利用变形预测进行基坑稳定性评价，即若基坑变形趋于稳定，则说明基坑支护措施的变形控制效果较优，对应稳定性也较好。

3.1.1 基坑稳定性的经验计算

按照思路，基坑稳定性经验计算主要包括基坑整体稳定性、抗隆起稳定性计算，其中，基坑整体稳定性的计算过程如公式（4）所示。

（4）

式中：Ks为基坑稳定系数；Mp为基坑支护后的抵抗弯矩，kN‧m；Ma为基坑支护后的下滑弯矩，kN‧m。

同时，基坑抗隆起稳定性的计算过程如公式（5）所示。

（5）

式中：KL为基坑抗隆起稳定性系数；q为超载度；r1、r2为坑外、内土重度，kN/m³；Nq、Nc为地基系数；D为桩嵌入深，m。

通过公式（4）计算得到基坑稳定性系数最小值为1.25，再通过公式（5）计算得到抗隆起系数最小值为1.82，均满足规范要求。

3.1.2 基坑变形预测模型

由于支持向量机（Support Vector Machines，SVM）在基坑变形预测中具有广泛的适用性[6]，因此，利用其构建基坑变形预测模型。根据SVM原理，其训练公式如公式（6）所示。

yi=wϕ（xi）+b " " " " " " " " " " " " " " " " " （6）

式中：yi为基坑变形预测值，mm；w为权值；xi为输入值，mm；ϕ（ ）为训练函数；b为偏置值。

为保证预测精度，利用最小二乘法对SVM进行寻优处理，主要是对训练过程进行约束，如公式（7）所示。

（7）

式中：J为约束目标；C为惩罚因子；k为训练样本数；ξi为损失函数。

在约束条件下，SVM的训练过程可进一步用公式（8）表示。

yi=wϕ（xi）+b+ξi " " " " " " " " " " " " " " " " "（8）

综上所述，将基坑变形预测模型最终确定为LS-SVM。

3.2 稳定性分析结果

3.2.1 基坑稳定性的经验计算

在基坑范围内选取6个剖面进行其稳定性计算，所得Ks值依次为1.528、1.901、2.085、1.765、2.116和1.514，均满足规范规定的1.25要求。

计算得到基坑抗隆起稳定性系数KL值为3.854，也满足规范规定的1.8要求。

基坑支护措施均满足经验稳定性计算要求，初步验证了基坑支护措施的合理性。

3.2.2 基坑变形预测的稳定性计算结果

在基坑施工过程中，筛选7个监测点（布置位置如图1所示，即B1～B7）进行后续变形预测分析。经统计，B1～B7的累计变形值见表1。由表1可知，7个监测点累计变形值的变化为16.87～22.75mm，均值为20.13mm，明显小于基坑设计限值35mm，即现阶段基坑变形控制效果较优。

B7 22.26

本文对最大的4个监测点进行分析，即B1、B3、B6和B7。B1、B3、B6和B7的监测数据见表2。由表2可知，4个监测点的累计变形值具持续增加特征，说明进行后续变形预测是十分重要的。

在预测过程中，按照公式（6）～公式（8），对前24期数据进行训练，并得到后5期（25期～29期）验证结果和4期（30期～33期）预测结果，见表3。由表3可知，B1的相对误差为1.92%～2.06%，均值为2.02%，B3的相对误差为1.97%～2.10%，均值为2.05%，B6的相对误差为1.95%～2.07%，均值为2.01%，B7的相对误差为2.04%～2.13%，均值为2.08%。因此，4个监测点均具有较高的预测精度，充分验证了LS-SVM在基坑变形预测中具有良好的效果。

结合表3中30期～33期预测结果，得到B1监测点在这4期的增加速率依次为0.72mm/期、0.58mm/期、0.52mm/期和0.43mm/期，B3监测点在4期的增加速率依次为0.60mm/期、

0.53mm/期、0.49mm/期和0.44mm/期，B6监测点在4期的增加速率依次为0.71mm/期、0.64mm/期、0.56mm/期和0.50mm/期，B7监测点在4期的增加速率依次为0.41mm/期、0.33mm/期、0.28mm/期和0.24mm/期。通过对比，4个监测点后续增加速率呈持续减少趋势，说明基坑变形趋于收敛，且最终预测值为22.09～24.54mm，也小于基坑设计限值35mm，充分说明基坑支护措施是合理有效的。

4 结论

通过岩溶区基坑支护设计及稳定性分析，得出以下结论。1）由于岩溶区地质条件相对较差，基坑周边近接条件较为复杂，因此，需要对基坑进行分区支护设计，其中，将区1的基坑支护措施设计为“支护桩+内支撑梁、格构柱”，将区2的基坑支护措施设计为“支护桩+两道锚杆+内支撑梁、格构柱”。2）基坑整体稳定性、抗隆起稳定性均满足规范要求，且经变形预测分析，得出基坑后续增加速率呈持续减少趋势，说明基坑变形趋于收敛，且最终预测值也小于基坑设计限值35mm，充分说明基坑支护措施是合理有效的，为类似工程积累了经验。

参考文献

[1]胡博. 基于钢板桩的桥梁施工深基坑支护研究 [J]. 建筑科技， 2023， 7 （6）： 99-101.

[2]张进联. 灌注桩+前撑式注浆钢管基坑支护技术研究 [J]. 建筑科技， 2021， 5 （5）： 70-72.

[3]岳立章. 土钉墙+桩锚式组合的深基坑支护技术研究 [J]. 建筑施工， 2024， 46 （3）： 387-388，395.

[4]禹泽云. 高层建筑施工深基坑支护加固技术研究 [J]. 建筑技术， 2024， 55 （5）： 542-546.

[5]陶阳. 基于岩土工程中的深基坑支护设计问题和对策 [J]. 城市建设理论研究（电子版）， 2024（8）： 160-162.

[6]蔡群群. 基于粒子群算法改进支持向量机的深基坑变形预测研究 [J]. 黑龙江交通科技， 2023， 46 （5）： 97-99，103.