深基坑支护工程的设计与施工优化

深基坑支护工程的设计与施工优化刘大海[摘要]根据多年工作经验对深基坑支护工程的设计与施工从两个方面阐述了深基坑支护优化处理的过程。[关键词]深基坑；支护结构；设计施工：优化一、深基坑支护结构设计优化深基坑支护结构由围护结构及支撑两部分组成。围护结构主要承受基坑开挖后的水压力及土压力。支撑主要是用于传递围护结构传来的荷载。围护结构较支撑结构型式复杂，它的选型很大程度上决定了深基坑支护工程的安全性和经济性。（一）围护结构型式选取优化深基坑围护结构主要承受基坑开挖卸荷所产生的水压力及土压力并将压力传递到支撑，是稳定深基坑的一种临时结构，可以分为如下五类主要特点：1.板桩式围护结构采用的构件是工厂成品、强度、品质、接缝精度等质量保证可靠性高具有耐久性，可回拔修正再使用；施工方便、快捷、造价低、工期短；与多道钢支撑结合，适合软土地区较深基坑：但是，板桩式围护结构接头防水性能差，打桩震动及挤土对周围环境影响较大，不适合在防水要求高的基坑及建筑密集城市市区使用，另外还不适合在硬土层中施工。2.柱列式围护结构施工过程当中噪声和振动小，刚度大，就地浇制施工，对周围环境影响小；施工方便、造价低廉、成桩质量容易保证；但是接头防水差，要根据地质条件从注浆、搅拌桩、旋喷桩中选择适当的方法来解决防水问题；在砂砾层跟卵石层中方缸工慎用；整体刚度差，不适合兼作主体结构：其中挖孔灌注桩施工劳动保护条件差；不能用于地下水位以下不稳定地层。3.地下连续墙优点较为全面，施工噪声低，振动小，就地浇制，墙接头止水效果好，整体刚度大，对周围的环境影响小；适合于软弱地层和建筑设施密集的城市市区的深基坑：施工的基坑范围可达基地红线，可提高基地建筑物的使用面积，若建筑物工期紧，施工场地小，可将地下连续墙作为主体结构：但是该支护形式泥浆处理、水下钢筋混凝土浇制的施工工艺较复杂、造价较高，要求较高的施工技术和管理水平。4.自立式水泥土挡墙适合于软土地区、环境保护要求不高，但支护深度一般要小于等于7m；这种施工工艺低噪音、低振动、结构止水性能较好，造价经济：但是围护挡墙较宽，一般需要3-4m，需要占用基地红线内一部分面积。5.组合式围护结构SWM工法结构止水性好，结构强度可靠，适合各种土层，在一定条件下可以取代地下连续墙。灌注桩与搅拌桩相结合的围护结构使用于软弱地层中小于12m的深基坑，当开挖深度超过2m且地层可能发生流砂时要慎重使用。其中灌注桩作为受力结构，搅拌桩作为止水结构(有些工程也运用旋喷桩作为止水结构)。这种围护结构形式旋工噪音低、振动低、施工方便、造价经济、止水效果好。以上五种围护结构都有各自的适用性，根据不同工程条件以及各种围护结构的特点进行不同的选取，主要是采用定性的评价，根据基坑的周边环境条件、地层条件、地下水埋藏条件各种围护结构类型的特点、适用条件等综合进行围护结构类型的优选。也有少量的工程设计人员用模糊数学的方法进行围护结构类型的优选。目前主要是参照围护结构类型的特点及适用性选取。围护结构方案要做到安全经济兼顾才是最适合的方案。我国幅员辽阔，对围护结构的选取标准不一，下表可以作为围护结构选取的一个参考。(二)支护结构设计计算的优化支护结构的设计计算优化也称细部优化。这种优化主要是通过最优的计算方式以及计算模型并考虑支护结构的整体性跟时空效应来对支护结构进行内力分析，从而指导支护结构配筋量与其他材料用量，达到优化效果。首先，最简单的方法是规范规定的弹性抗力法，它通过支护结构系统位移，最大弯矩，剪力等计算，优选出合适的设计方案。此外，还有通过数学模型进行优化设计，其过程是选取设计变量列出目标函数给定约束条件后便可构造出最优化设计的数学模型，该模型通过各种算法进行求解。其次，以往工程的经验也很重要。根据大量工程监测资料表明，支护桩桩顶位移、桩身变形以及桩身钢筋应力都是中间桩大，在基坑拐角附近(约1／5基坑边长处)，支护结构受力较小，可适当减小桩长和配筋数量或采用单排桩与双排桩混合形式；对于钢筋笼易控制的人工挖孔桩，可采用单面配筋以减小配筋数量。另外，在基坑拐角处设置斜撑，费用不多，但却可以大大增加支护结构的整体刚度及稳定性，设计时应优先考虑。对于深、厚流塑至软塑粘性土层的深基坑，支护结构体前的主动土压力非常大；在深基坑开挖过程中和开挖后，由于土体自重应力释放、土体松弛及支护结构向坑内的变形挤压等方面原因，导致坑底隆起变形和坑底下一定范围内土体强度的降低。为了控制支护结构的侧向位移，减少坑底隆起，降低工程造价，可在深基坑开挖前一定时间内，对支护结构被动区进行加固。最后，计算机技术的高速发展也给深基坑优化设计带来了新的机遇，在设计过程中利用最优化方法和计算机结合起来进行优化设计，比传统的手工设计方便得多，设计效果也要好得多。现在市场上出现了很多的深基坑设计软件，例如：理正深基坑支护结构设计软件、启明星深基坑支挡分析计算软件、天汉等商业化软件已在各地深基坑支护工程中得到广泛应用，比较先进的还有借助于有限元分析软件对挡土结构进行内力分析，这些软件都是利用传统的寻优方法和计算机结合起来，以人机配合的方式，在计算机上进行半自动或自动设计。这些软件的设计原则是最优设计，设计手段是电子计算机及计算程序，设计方法也是采用最优化的数学方法。二、深基坑支护结构施工优化(一)施工组织设计优化施工组织设计作为指导施工全过程各项活动的技术经济纲领性文件，是施工技术与施工项目管理有机结合的产物，它是工程开工后施工活动能有序、高效、科学合理地进行的保证。施工组织设计编制必须满足最终的一个基本要求即对施工过程起到指导和控制作用，在一定的资源条件下实现工程项目的技术经济效益，达到施工效益与经济效益双赢的目的。目前深基坑支护工程施工组织设计的编制存在很大的优化空间，主要可以从以下几个方面进行优化：1.运用系统的观念和方法，建立施工组织设计编制工作的标准。行业管理部门如能对建筑工程的大中型项目施工组织设计进行收集，经过分析和归纳，整理并发布，则能使先进的施工组织设计更能发挥效益，减少编制人员重复劳动，而且能推广先进经验。2.要认真研究图纸及各种技术资料，对工程的每一部位都应该做到心中有数。在确定施工方案时，开展对旋工（应为“施工”）方案的分析与优化，从技术上经济上反复进行对比、分析，选择出一个最佳施工方案，以达到控制施工造价的目的。3.企业应改变施工组织设计由技术部门包揽的做法，实行谁主管项目实施，就由谁负责主持编制并执行，使施工组织设计能较好地服务于施工项目管理的全过程。4.要认真研究工期、质量、工艺三者之间的关系。根据企业自身的实际情况，依靠科技进步，大胆采用新工艺、新设备、新材料、要因地制宜，靠加大企业自身的改革力度等措施来保证业主的工期和质量。要真正做到少投入、高效益，使施工组织设计不但在工期、质量、工艺上有一个突破性的进展，而且要为降低工程造价做出更大的贡献。5.建筑施工企业应实行施工组织设计的模块化编制，更多地运用现代化信息技术，以便进行积累、分组、交流及重复应用，通过各个模块的优化组合，以减少无效劳动。(二)施工工艺优化深基坑支护结构的结构并不复杂，但是施工工艺却举不胜举，比如说支护桩的成孔施工工艺就有冲击成孔、人工挖孔、机械旋挖成孔等等。这一部分的优化要结合工期要求、现场环境、施工成本、技术条件等诸多因素进行优化。总的原则是在满足施工安全，保证施工质量的大前提下最大程度的节约施工成本。在施工方案确定过程当中，在技术条件跟现场环境允许的前提下，可以大胆地采用新工艺。每一种新工艺的出现必然是由于它较传统工艺更加先进更加能提高效率或者是提高质量抑或是减低成本。(三)信息化施工信息化施工是优化施工的一种重要技术手段，在基坑支护施工过程中信息化施工应该贯彻整个过程，做到“边施工、边检测（感觉有点不妥，是不是用“监测”好点）、边优化”。及时反馈旋（应为“施工”）工过程当中的各种变形应力变化信息，遇到问题及时调整，消除安全隐患。当出现险情预兆时，可作出预警，及时采取措施，保证施工和（加“施工场地周边”）环境的安全；当安全储备过大时，及时修改设计，削减围护措施。还可根据定期监测得到的信息，反演计算参数，根据反演计算参数重新分析计算进行正分析变形预测，必要时适当修改设计或施工步骤，再继续施工和监测。三、结语深基坑支护的优化是一个贯彻工程始终的过程，不是某一个阶段才应该优化，要从设计选型到施工完成的整个进程当中进行。优化过程具有全局性、连续性。所以在优化过程当中必须要注重各个设计、施工环节之间的关系，要做到前一步的优化能为后一步做好铺垫，不能将各个环节独立对待。这样才能做成安全、合理、经济的“最优”深基坑支护。[参考文献][1]刘建航，侯学渊.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.[2]岩土工程手册编写委员会.岩土工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1994.[3]董建国，沈锡英，钟才根.土力学与地基基础[M].上海：同济大学出版社，2005.[4]林宗元.国内外岩土工程实例和选编[M].辽宁：辽宁科学技术出版社，1992.[5]王翠英，王家阳.论深基坑支护优化设计的重要性[J].武汉工业学院学报，2005，24(2)：56—59.[6]邰恩利，张博红，于清春，彦丙仁.优化施工组织设计合理确定工程造价[J].水利水电技术，2000，5(31)：54—55.[7]王作成.浅论施工组织设计编制方法的改进[I]黑龙江科技信息，2008，(33)：273.