复杂地质条件下深基坑施工技术与支护体系优化研究

引言：

现有研究仍存在三方面的突出短板：一是地质条件识别精度与施工响应速度不匹配；二是多因素耦合作用下的支护体系动态适应机制尚未明晰；三是缺乏贯穿勘察、设计、施工全过程的数字化协同平台。这些问题严重制约着深基坑工程在特殊地质条件下的安全高效实施，亟需通过技术创新予以突破。

一、复杂地质条件特征分析

（一）地质风险因子分类

复杂地质条件下的深基坑工程面临多维度地质风险，其风险因子可系统归纳为岩土特性、水文条件及地质构造三大类。

岩土特性方面，流变性土体在持续荷载下的时效变形可导致支护结构应力重分布，如软黏土的蠕变效应会使基坑位移随开挖时间呈对数增长；膨胀性土体遇水膨胀产生的膨胀力可达 100-300kPa ，极易引发支撑失稳；而裂隙发育的岩体则存在局部崩塌风险，实测数据显示裂隙密度大于5 条 /m 时岩体强度衰减达 40% 以上。

水文地质风险主要表现为动态水压作用，承压水头每升高 10m 会对坑底产生约 100kPa 的浮托力，渗透系数各向异性地层更易形成管涌通道，给深基坑工程带来风险。

构造影响集中于断层破碎带与岩溶发育区。断层错动带内岩体强度仅为完整岩体的 10%-30% ，对基坑稳定性构成威胁；岩溶区溶洞顶板安全厚度不足洞径 2倍时，容易发生塌陷，存在较大风险。

（二）地质力学耦合效应

不同地层组合会引发差异显著的应力传递路径：当硬岩上覆软土时，开挖卸荷会导致应力向坑周硬岩区域集中；反之，若软土下伏硬岩，则易形成“悬臂效应”，对基坑稳定性产生特定影响。

岩土体各向异性特征显著影响破坏模式，使得地质力学响应更为复杂。水岩相互作用通过有效应力原理调控变形发展，饱和黏土中孔隙水压力消散每延迟24 小时，相应土体固结变形增加 15%-20% ；而砂土中的动水压力更会诱发流砂现象，加剧工程风险。如深圳花岗岩残积土地区的监测表明，开挖面通过风化界面时的变形速率突变系数可达 3.5-4.2，且滞后变形持续时间较均质土层延长 2-3倍。

二、深基坑施工关键技术

（一）地质精准探测技术

复杂地质条件下的深基坑施工成败，很大程度上取决于前期地质探测的可靠性，精准的地质探测是保障施工安全与顺利进行的重要基础。

传统钻探方法的局限：传统钻探方法因取样间隔大、难以捕捉地层突变界面，已逐渐被多维融合探测技术取代，难以满足复杂地质条件下深基坑施工对地质探测的高精度要求。

现代地质精准探测技术及应用：（1）三维地质雷达通过高频电磁波反射可识别 0.5m 以上的异常体，如在武汉某地铁基坑工程中，成功探测出埋深 15m 处厚度仅 0.8m 的软弱夹层；（2）分布式光纤传感技术则实现了应变场连续监测，如上海中心大厦基坑施工中布设的 5km 传感光纤网络，实时反映了坑周土体微应变超过 500με 的高风险区；（3）随钻测量系统将钻进参数与地层特性建立关联模型，现代探测技术正朝着“空-地-孔”一体化方向发展；（4）无人机航磁测量可快速圈定断层破碎带范围，结合孔内 CT 扫描构建的三维地质模型分辨率可达0.1m×0.1m×0.1m_⨀ 。

（二）差异化开挖工艺

面对非均质地层的深基坑工程，标准化开挖方案往往导致局部应力集中或过度变形，因此采用差异化开挖工艺十分必要，能更好地适应复杂地质条件。

分区分层开挖策略：分区分层开挖策略通过划分力学特性相近的施工单元，采用不同的开挖步序与支护时序。如重庆某不对称荷载基坑，将背靠山体侧与临江侧分别采用 6m 和 3m 的分层厚度，最终差异沉降控制在 8mm 以内，有效保障了基坑的稳定性。

针对特殊工况的开挖技术：针对岩土交界面出现的“上软下硬”特殊工况，研发的缓冲爆破与机械联合开挖技术。如在广州花岗岩残积土基坑中应用该技术，实现爆破振动速度控制在 1.2cm/s 以下的同时，开挖效率提升3 倍，兼顾了施工安全与效率。

三、支护体系动态优化

（一）多目标优化模型构建

在复杂地质条件下，构建科学合理的多目标优化模型，成为支护体系动态优化的重要环节，为支护体系的优化提供了科学框架。该模型要综合考虑支护结构的受力性能、变形控制、施工工艺限制和资源配置等因素，通过建立数学表达式将各目标转化为可量化的函数，形成多目标优化问题。

模型中包括力学约束条件，如支护结构的承载力、变形限值和安全系数，确保支护结构在力学性能上满足要求；同时，要引入施工周期、成本预算和环境影响指标，确保优化方案在满足安全前提下实现经济合理，兼顾多方面效益。模型应具备动态调整能力，能够根据施工进展和地质变化实时更新约束条件，适应现场复杂多变的施工环境，增强模型的实用性和适应性。

借助该模型，可以在支护结构形式、支撑布置、锚杆参数及材料选用等方面实现全面优化，提升设计方案的科学性和可操作性，从而为后续智能优化算法提供坚实基础。

（二）智能优化算法应用

随着人工智能技术的快速发展，智能优化算法在深基坑支护体系设计中的应用日益广泛。遗传算法、粒子群优化、蚁群算法等，这些常见的智能算法通过模拟自然界生物进化或群体行为，具备较强的全局搜索能力和多目标优化能力，能在复杂的设计空间内快速寻优。应用这些算法，可以有效解决传统优化方法中存在的计算效率低的问题。具体来说，智能优化算法结合多目标优化模型，根据初始参数随机生成多个支护方案，通过适应度函数评价方案优劣，经过迭代交叉、变异等操作，不断逼近最优解，从而得出更优的支护设计方案。

算法能根据现场监测数据动态调整优化策略，实现支护体系的自适应设计，使设计方案更贴合实际施工情况，提高了深基坑支护体系的可靠性和适应性。

（三）实时反馈调控机制

支护体系的动态优化要在施工过程中建立完善的实时反馈调控机制，基于传感器网络和自动化监测技术，施工现场能实时采集基坑变形、支护结构内力、地下水位等数据，通过无线传输及时上传至监控平台，为后续的分析与调控提供数据支撑。

监控系统对数据进行智能分析，判别是否存在超限风险，结合多目标优化模型和智能算法，提出相应调整方案案，确保调控措施的科学性和有效性。调控机制包括支撑力的调整、锚杆加固、降水方案优化等；同时，反馈机制强调施工各环节的信息共享，促进设计、监测、施工及管理团队的协同作业，提高响应速度，形成工作合力。

该机制在运行过程中积累的施工数据，为后续项目的支护体系优化提供宝贵的经验，推动深基坑施工技术向智能化方向迈进，实现复杂地质条件下的施工安全与效率的双重保障。

四、结语：

随着城市化进程的加速，地质条件的不可预见性、周边环境的敏感性以及施工安全的高标准要求，使得传统的经验型设计方法逐渐难以满足现代工程需求。在此背景下，深基坑施工技术与支护体系的精细化发展已成为必然趋势。从地质精准探测到动态优化算法，从实时反馈调控到数字孪生技术，技术创新正在重塑深基坑工程的设计与施工范式。

参考文献：

[1]龙江.复杂城市环境下深基坑支护与施工优化技术研究[J].中国建筑金属结构，2025，（4）：85-87.

[2]李自江.复杂地质条件下深基坑支护体系优化设计与施工技术改进[J].四川水泥，2025（3）：161-162+171.

[3]李皓然.复杂地质环境下建筑工程深基坑支护施工技术研究[J]. 门窗，2025（2）：52-54.