探索寒冷地区砂土地质深基坑开挖支护的优化方案

作者1：姬鹏程，男，1999年5月生，河北保定人，中国水利水电第三工程局有限公司，710024，大学专科，研究方向：新型城镇化建设、城市景观设计。

作者2：庞彭，男，1994年6月生，陕西商洛人，中国水利水电第三工程局有限公司，710024，本科，中级工程师，研究方向：土木工程。

摘要：在寒冷地区，砂土地质深基坑的开挖支护面临着冻胀、地基不稳和低温对材料性能影响等挑战。传统施工工艺常因地质环境特殊而难以满足安全与效率的要求，亟需创新的解决方案。本文以榆林区某项目为例，提出了一系列优化方案，包括智能化施工技术、新型抗冻材料的应用以及优化的施工流程。通过引入无人机监测、机器人辅助施工、低温抗冻混凝土和预制式支护结构，有效提升施工效率与安全性。本文的创新之处在于系统地分析了这些技术在寒冷环境中的实际应用效果，具有重要的工程实践意义。

1.引言

深基坑开挖支护在基础设施建设中具有关键性作用，尤其是在寒冷地区，合理的支护方案能够确保施工安全、稳定与效率。砂土地质的特殊性，如颗粒结构松散、承载力弱，使得深基坑开挖面临更大挑战。寒冷地区的低温环境不仅影响材料性能，还导致冻胀现象，使基坑稳定性降低。冻胀现象通常会引起地基不均匀沉降，加大施工难度，导致传统施工工艺不易有效应对。在此背景下，国内外的相关研究虽有较大进展，但在智能化施工、材料创新及流程优化方面仍存在不足。回顾已有研究，虽然很多学者关注寒冷地区的深基坑支护技术，但大多数研究主要集中于材料抗冻性能和单一工艺优化，缺乏系统性、全面性。未来的研究应朝向智能化施工技术、全生命周期优化方案等方向发展。基于此，本文通过研究寒冷地区砂土地质深基坑开挖支护的具体案例，提出了一系列基于智能化技术和新型材料的优化方案，以期为未来寒冷地区工程建设提供理论与实践支持。

2. 寒冷地区砂土地质深基坑工程的特点

2.1 气候环境的严苛性

寒冷地区的主要特点是极端的低温。冬季温度可低至-30°C甚至更低，持续时间长达几个月。这种环境会导致土壤表层及深度范围内的土体冻结，形成冻土层。这种冻结-融化的过程会对基坑施工带来较大影响，因为低温环境下材料的性能会显著降低，混凝土的硬化时间增加，土体的强度发生变化，且设备容易出现故障。寒冷的气候限制了施工的时间窗口，基坑工程必须在温暖季节快速完成，否则将面临长时间的停工期。

2.2地质条件复杂

在寒冷地区的砂土地质中，土体颗粒的结合力较弱，砂土层结构松散，承载能力较低，特别是当土层含有较高的地下水时，土体的稳定性进一步削弱。这种不稳定的砂土层会加剧基坑壁的滑移风险，容易出现坍塌或侧壁变形。此外，砂土对基坑支护结构的压力较大，特别是在较深的基坑中，地基承载力成为关键问题，需要通过加强支护结构和优化施工工艺来应对。

2.3地下水动态变化

寒冷地区的地下水位极具不稳定性，展现出显著的季节性波动。春季融雪及雨季暴雨是导致水位变化的两大主要因素。融雪期，地下水位迅速上升，为基坑底部及侧壁带来额外水压。而雨季中，强降雨迅速增加地表水入渗，促使地下水位急剧上升，形成突发且强烈的水压，这不仅加剧了基坑底部与侧壁的水压负荷，还可能引发支护结构受力失衡，进而增大基坑变形、渗漏乃至塌陷的可能性。尤其值得注意的是，砂土地层因其高渗透性，在暴雨作用下水分快速渗透，易形成地下水涌流，极大提升了排水作业的复杂性。同时，地下水流速的加快还可能加速土体流失，甚至塌方，进一步影响基坑稳定性。因此，寒冷地区基坑工程需特别关注地下水位的季节性变化及其带来的多重挑战。

2.4冻胀效应

冻胀现象是寒冷地区最显著的特点之一。当土体中的水分冻结时，其体积膨胀，导致土壤产生额外的上升应力。这种现象不仅会影响基坑开挖的稳定性，还会对支护结构造成不可忽视的压力。随着气温回升，冻结的土体融化，导致基坑周围的土壤沉降或下陷。这种冻融循环会削弱基坑支护系统的性能，加速其老化或变形。

2.5施工设备与工艺受限

寒冷地区的低温环境不仅影响材料性能，还使得施工设备容易出现问题。低温下设备的机械部件容易损坏或失效，液压系统可能无法正常运作。此外，低温环境中的施工流程变得复杂，例如混凝土在低温下的凝固速度减慢，需要采取加热或保温措施，增加了施工的成本和难度。施工设备在寒冷环境中运转的效率降低，进一步延长了施工周期，增加了施工风险。

2.6材料选择的特殊性

寒冷地区的低温条件要求使用特殊的材料，这些材料必须具备抗冻融性能。例如，常规的混凝土在低温下容易发生开裂和损坏，因此需要使用抗冻混凝土，这种材料在低温环境下能够保持足够的强度和韧性。此外，钢材在低温下可能变脆，施工中需要使用经过防腐蚀和抗低温处理的特殊钢材，确保基坑支护结构的长期稳定性。

3.应用工程案例

3.1工程简介

该项目位于陕西省榆林市经度为109.71246°（N），纬度为38.29863（E），冬季可达到-20℃，夏季多雨地区。榆林市榆阳区小西沙棚户区改造项目建设工程N3标段A2片区，位于榆林市榆阳区崇文路以北，迎宾大道以南，文化北路以东。项目占地面积约 202.5亩，包括住宅、商业、医院、学校及相关市政配套项目。施工范围包括安置楼、商业综合体、九年一贯制学校、儿童医院、市政配套设施等的土建、安装、道路、景观、绿化及小区管网、片区市政配套道路、水电、燃气、采暖管线等。基坑开挖及支护阶段内容主要包含土方开挖、外运、混凝土支护喷面挂网、混凝土灌注桩、锚杆支护、锚索等。本工程场地整平后绝对高程为1080.29-1082.25m。基坑开挖深度范围5.77m～14.3m，基坑开挖土方量约为80万m3，其中A2-4地块预计16万m3，A2-6地块预计20万m3，A2-7地块预计3.7万m3，A2-5地块预计14万m3。基坑土钉支护面积约为6732万m2，混凝土共计10538³。

3.2工程技术难点分析

（1）地基承载力低。

根据地勘报告，在勘探深度（40.0m）范围内，场地地层除表层为人工堆填的素填土外，其下主要由榆溪河二级阶地及风积沙丘中的细砂组成，地基承载力较低，特别是在深基坑开挖过程中容易出现不均匀沉降。低承载力使得基坑支护系统需要高度稳固，才能有效抵抗可能的土体位移与基坑侧壁失稳风险。

（2）冻胀效应明显

榆林地区的冬季气候会导致地表以下土壤受冻胀效应影响显著。冻胀现象会引起土体结构膨胀和收缩，削弱土壤的承载能力和稳定性。这一现象不仅影响基坑的长期稳定性，还增加了施工中的变形与开裂风险。

（3）地下水位上升迅速

地下水深度虽通常低于基坑底部，但受季节和降水影响显著，春季融雪和夏季暴雨期间水位迅速上升，增加了基坑及支护结构的压力和渗漏风险。地下水上涨导致水压不均，威胁基坑稳定性，并对防洪工作带来挑战。这种水位波动不仅影响施工进度，还可能对周边区域构成安全隐患。

（4）恶劣施工环境

项目所在地的冬季施工环境极为严苛，低温条件下施工设备容易故障，材料的性能（如混凝土的抗冻性）显著下降。除此之外，夏季出现不均匀的大暴雨和大干旱，极易发生水土流失等情况，造成施工困难。

3.3现有施工工艺与技术分析

3.3.1 施工工艺

项目采用了先进的施工工艺，包括喷射混凝土、锚杆支护及多层复合支护系统，结合传统技术与现代改进措施。这些施工工艺提高了施工效率，但面对极端气候和复杂地质条件仍需进一步优化。

（1）喷射混凝土技术：

喷射混凝土用于基坑的临时支护，能够迅速为基坑提供初期稳固支撑。这一技术施工速度快，能快速成型以稳定基坑壁。然而，混凝土的抗冻性能在寒冷气候下有所不足，容易出现开裂和性能衰减的问题。因此，建议引入低温抗冻剂，并优化喷射混凝土的材料配比，以提高其耐久性和抗冻性能。

（2）锚杆支护：锚杆支护用于强化基坑侧壁，防止土体滑动。锚杆的直径、长度及布置根据项目地质条件进行了优化。现有锚杆直径为32-36mm，深度为6-8m，间距为1.5-2m，结合砂土层特性确保短期和长期的稳定性。然而，在低温环境下，锚杆施工的精度要求更高，且施工过程易受寒冷条件影响，建议采用预应力锚杆并引入加热技术以提高锚固效果。

3.3.2 双层支护系统

项目采用了双层支护系统，包括土钉墙和钢筋混凝土支护桩的组合：

（1）土钉墙：土钉墙为基坑提供短期稳定性，初期使用锚固方式支撑土体，防止侧壁土体滑动。土钉直径为22-28mm，深度为4-6m，间距为1.5-2m，确保侧壁稳定。但由于土钉在低温下抗冻性能较弱，建议优化其材料选用，加入耐寒金属或复合材料以提升其抗冻性能。

（2）支护桩：项目中部分地块采用了支护桩，支护桩作为永久性支护结构，承受长期的地层压力和地下水压力。现有支护桩直径为0.8-1.2m，桩间距为2-2.5m，桩深度为15-18m。支护桩能够有效应对地下水及冻融循环带来的土体位移问题，并承受长期冻胀压力。建议进一步优化桩基材料，选用高强度钢筋混凝土或复合材料，以提升耐久性。

3.3.3 动态降水技术

针对项目中的地下水和地表水管理，采用了动态降水系统，结合降水井、集水坑和基坑底部积水的排水系统，以应对严寒环境下的复杂地下水动态变化。

（1）降水井系统：降水井的布置根据地下水位动态变化进行优化，井深通常为8-12m，井间距为20-30m，实时监控地下水位变化。配备智能水位监控系统，能够根据降雨量和地下水位波动自动调节排水量。

（2）集水坑与基坑底部排水系统：在暴雨季节，项目采用了基坑底部的积水收集系统，结合集水坑快速排水，防止地表水在短时间内渗入地下。集水坑布置于基坑最低点，结合排水泵迅速排除积水，有效降低基坑侧壁和底板所承受的水压，避免短时暴雨导致的基坑渗漏和变形。

3.3.4 优缺点分析

优点：喷射混凝土技术和锚杆支护施工效率高，能够快速稳定基坑；多层复合支护系统有效提高了基坑的长期稳定性，尤其是支护桩在抵御地下水压力和冻融循环中表现突出；动态降水技术结合地下水和地表水排水，能够动态调节地下水位，减少基坑变形风险。

缺点：现有工艺在低温和冻胀环境下仍有改进空间，喷射混凝土的抗冻性能需要提升；锚杆支护易受低温环境影响，施工精度需提高，增加了施工周期与成本；动态降水系统在处理短时暴雨排水时，仍需进一步优化地下水与地表水的协调调度，确保暴雨期排水系统的高效运行。

4.优化方案

4.1智能化施工技术

4.1.1 无人机监测技术的应用

在寒冷地区的基坑工程中，由于恶劣的气候和复杂的地质条件，施工难度较大，基坑的稳定性和施工进度需要进行全程监测。无人机监测技术不仅能够在恶劣天气下保证人员安全，还能够提供更全面、精准的实时数据。在防洪度汛以及水土流失防护方面，无人机监测系统也能发挥至关重要的作用。

（1）基坑变形监测：实时检测支护结构位移、沉降，特别在暴雨时快速评估基坑侧壁稳定性。

（2）环境监控：监测气象数据，防洪防汛，减少基坑积水问题。

（3）地下水位监测：结合地质传感器和影像数据，分析地下水位变化，及时调整排水系统。

4.1.2 机器人辅助施工技术

寒冷环境下施工机械的正常运作会受到低温的影响，而机器人技术可以通过智能控制减少人工的工作量，尤其在危险区域和恶劣环境中，机器人可以有效代替人工完成高精度、高风险的施工任务。其可以在以下方面，提升施工效率和安全性：

（1）自动化土方挖掘方面，机器人能够以预先编程的方式执行土方开挖、喷射混凝土、安装支护结构等任务，在低温下持续作业，减少施工中断。

（2）精准施工方面，机器人通过精密的传感器和控制系统，可以有效减少因人为操作不当导致的施工误差，确保施工质量。

（3）远程控制与安全保障方面，工人可以在安全区通过远程操控机器人进行基坑支护作业，避免直接暴露在寒冷和危险的环境中。

4.1.3 建筑信息模型（BIM）与数字孪生技术

BIM技术将基坑工程的设计、进度、材料和现场状况数字化，集成到三维模型中，实现全生命周期管理。其应用效果包括可视化管理、碰撞检测和优化设计，帮助施工人员直观了解基坑细节，并预测施工需求。通过BIM模型，施工前可进行碰撞检测和设计优化，避免问题，特别在寒冷地区，有效减少施工意外。

通过物联网数据与BIM模型的结合，创建基坑的“数字孪生”，即虚拟世界中的真实反映。这种模型实时反映基坑的实际状况，如地下水位、支护应力、温度变化等。数字孪生技术不仅可以反映当前的施工状态，还可以基于历史数据和预测模型，模拟未来的施工情况，提前识别可能的问题并制定应对策略。例如，在极端寒冷气候到来前，通过数字孪生模型的模拟，预估土体冻结对支护结构的影响，从而提前做出应对措施。

4.2新型材料和施工方法

4.2.1 低温抗冻混凝土的应用

低温抗冻混凝土已逐渐成熟，并在寒冷地区的基础设施建设中得到应用。其主要通过在混凝土中添加抗冻剂，改善材料的抗冻性能，防止混凝土在低温环境下开裂。抗冻混凝土在寒冷环境下依旧能保持较高的强度和耐久性，减少冻融循环对混凝土结构的破坏，延长基坑支护的使用寿命。抗冻混凝土的吸水率较低，可以有效阻止水分渗透，从而避免地下水对支护结构的侵蚀，保证结构的长期稳定性。

结论

寒冷地区砂土地质深基坑开挖支护的优化是应对极端气候条件下基础设施建设的关键。通过智能化施工技术、新型抗冻材料及优化施工流程，有效解决了传统方法在低温环境中的不足。无人机监测、机器人辅助施工及BIM技术的引入，大幅提升了施工的自动化、精度与安全性，降低了施工难度，保障了工程进度，特别是在极端气候下确保了高效作业。同时，低温抗冻混凝土和预制式支护结构的应用，显著增强了支护系统的耐久性和抗冻性能。分段开挖与冻土处理技术不仅优化了施工流程，降低了风险，还为后续主体结构的顺利施工提供了保障，提升了工程的整体可靠性与安全性。

参考文献

[1].郭春伟.建筑工程深基坑组合支护结构施工技术研究 [J].价值工程，2023，42（12）：129-131.

[2].高阔.寒冷地区超长深基坑支护的设计施工一体化[J].建筑施工， 2018， 040（006）：833-836.