岩土工程中深基坑支护结构的优化设计与风险分析

一、引言

在当今城市建设中，土地资源愈发稀缺，为充分利用地下空间，高层建筑及地下建筑工程日益增多，深基坑工程规模和深度不断拓展。深基坑支护结构作为保障基坑周边土体稳定、保护邻近建筑物及地下管线安全的关键设施，其设计合理性与施工安全性直接关系到整个工程的成败。一旦支护结构出现问题，不仅会引发基坑坍塌等严重事故，还可能对周边环境造成灾难性破坏，带来巨大的经济损失和社会负面影响。因此，深入研究深基坑支护结构的优化设计与风险分析具有紧迫的现实意义。

二、深基坑支护结构的优化设计

2.1 设计理念的革新

传统深基坑支护设计多采用静态设计方法，以满足基坑稳定性要求为主要目标，往往忽略了施工过程中的动态变化以及支护结构的后期变形。现代优化设计理念倡导动态设计，即根据基坑开挖过程中的实时监测数据，及时调整支护方案。例如，在基坑开挖初期，依据地质勘察资料预估土体位移情况，采用相对柔性的支护结构，随着开挖深度增加，若监测到土体位移速率加快，及时增设支撑或加固已有支护构件，实现支护结构与基坑变形的动态平衡。

此外，可持续设计理念也逐渐融入其中。考虑支护结构在工程结束后的拆除或再利用问题，选用可拆卸、可回收的材料，如部分可回收的锚杆、装配式支护面板等，既降低资源浪费，又减少后期拆除成本，符合绿色建筑发展趋势。

2.2 参数选取的精准化

深基坑支护设计涉及众多参数，如土体力学参数（黏聚力、内摩擦角、弹性模量等）、地下水参数（水位、渗透系数等）以及荷载参数（坑顶超载、土压力等），这些参数的准确获取是优化设计的基石。

对于土体力学参数，不能单纯依赖地质勘察报告中的平均值，应结合现场原位测试（如静力触探、十字板剪切试验等）和室内试验结果进行综合分析。例如，在软土地区，土体的结构性对其力学性能影响显著，通过现场十字板剪切试验获取的不排水抗剪强度，能更精准反映软土在天然状态下的强度特性，相较于仅依据室内三轴压缩试验结果，可使支护结构设计更贴合实际工况。

地下水参数同样关键，准确测定地下水位及其季节性变化规律，合理估算渗透系数，对于选择合适的止水帷幕形式（如深层搅拌桩帷幕、高压旋喷桩帷幕等）以及计算水压力对支护结构的作用至关重要。若地下水位估算失误，可能导致止水帷幕失效，引发基坑涌水、涌砂事故。

2.3 支护方案的比选与优化

常见的深基坑支护方案有悬臂式支护、排桩支护、地下连续墙支护、土钉墙支护以及复合支护等，各有优劣。悬臂式支护结构简单、成本低，但适用于开挖深度较浅、土质较好的基坑；排桩支护具有较高的侧向刚度，适用于较深基坑，但其施工工艺相对复杂，成本较高；地下连续墙支护整体性强、止水效果好，可兼作地下室外墙，但造价高昂。

在实际工程中，需综合考虑基坑深度、地质条件、周边环境、施工工期与成本等因素进行方案比选。如在周边建筑物密集、对变形控制要求极高的市区基坑工程，优先考虑地下连续墙结合内支撑的支护方案，虽成本高，但能有效控制基坑变形，保护周边环境；而在场地开阔、地质条件较好且开挖深度不大的基坑，土钉墙支护或土钉墙与放坡相结合的复合支护方案可能更为经济合理，因其利用土体自身的稳定性，施工便捷，能大幅缩短工期。

通过建立支护结构数值模型，运用有限元分析软件（如 ANSYS、ABAQUS 等）模拟不同支护方案下基坑的变形、内力分布情况，对比分析各方案的优劣，为方案优化提供量化依据。例如，某深基坑工程初步拟定了排桩加内支撑和地下连续墙两种支护方案，利用有限元软件模拟发现，排桩加内支撑方案在控制基坑侧向位移方面稍逊一筹，但造价低 15% 左右，结合该工程周边环境对变形有一定容忍度的情况，最终对排桩加内支撑方案进行局部优化，如加密排桩间距、调整内支撑布置形式，使其既满足变形控制要求，又降低了成本。

三、深基坑支护结构的风险分析

3.1 地质风险

地质条件的复杂性是深基坑工程面临的首要风险源。不同地区地质构造千差万别，可能存在断层、破碎带、溶洞等不良地质现象。在岩溶地区，若基坑底部存在未探明的溶洞，随着基坑开挖，上部土体自重压力增加，溶洞顶板可能发生坍塌，导致基坑底部土体下陷，引发支护结构失稳。

此外，土层分布不均匀也会带来问题。如在一些冲积平原地区，基坑一侧为密实砂土，另一侧为软弱淤泥质土，在相同支护条件下，两侧土体变形特性差异巨大，容易造成支护结构受力不均，出现局部破坏。而且，土体力学性质的不确定性，如黏土的含水量变化会显著改变其黏聚力和内摩擦角，使得支护结构设计时难以精准预估土体对支护的作用力，增加工程风险。

3.2 施工技术风险

深基坑支护施工技术环节众多，任何一个环节出现失误都可能引发风险。例如，在灌注桩施工过程中，若泥浆护壁质量不佳，可能导致孔壁坍塌，影响桩身质量，进而削弱支护结构的承载能力；桩身混凝土浇筑时，若出现离析、夹渣等问题，同样会降低桩的强度和耐久性。

土钉墙施工时，土钉的长度、间距、倾角以及注浆质量是关键控制点。若土钉长度不足或间距过大，无法形成有效的土体加固区，在土体侧向压力作用下，土钉墙易发生垮塌；注浆不饱满则会导致土钉与土体之间的黏结力不足，无法充分发挥土钉的锚固作用。

内支撑体系施工也存在风险，如支撑的安装顺序错误，可能导致基坑在开挖过程中局部先于支撑形成，土体失去约束，瞬间产生较大变形，甚至引发支护结构倒塌；支撑拆除时，若未遵循合理的拆除顺序和方法，同样会打破基坑已有的力学平衡，造成事故。

3.3 周边环境风险

深基坑工程多处于城市繁华区域，周边建筑物、地下管线密集，施工对周边环境的影响不容忽视。基坑开挖引起的土体沉降和位移可能导致邻近建筑物开裂、倾斜甚至倒塌。例如，当基坑与老旧砖混结构房屋距离较近时，房屋基础形式一般为浅基础，对地基沉降较为敏感，基坑施工稍有不慎，房屋墙体就可能出现裂缝，危及居民生命财产安全。

四、结论与展望

深基坑支护结构的优化设计与风险分析是岩土工程领域的核心课题，通过革新设计理念、精准选取参数、合理比选方案，可实现支护结构的优化；同时，全面识别地质、施工技术、周边环境等风险因素，采取针对性的应对策略，能有效保障深基坑工程的安全实施。然而，随着城市建设向更深、更复杂地下空间拓展，未来仍需进一步加强对复杂地质条件下支护结构的力学行为研究，开发更加智能化的监测与预警系统，结合大数据、人工智能技术，实现深基坑支护工程的精准设计、实时管控与高效施工，推动岩土工程行业迈向新的高度。

参考文献：

[1]王强,刘悦,等.基于多目标优化算法的深基坑支护结构设计研究[J].建筑结构学报,2023,44(10):200-210.

[2]赵刚,陈晨,等.复杂环境下深基坑支护结构风险评估与应对策略—以[具体城市项目]为例[J].地下空间与工程学报,2022,18(05):1465-1475.