随着城市可利用的土地资源日益减少,地下空间的开发已成为城市可持续发展的重要途径,而基坑工程则是其中最重要的建设项目。对基坑工程的深入研究已成为国家城市化发展的重要内容之一。在基坑开挖的过程中,因土压力、地面超载、岩土性质、暴雨及其他偶然因素是导致基坑事故多发的主要原因。北京遥科学探测实验室基坑工程在施工过程中,遭遇两次百年一遇的特大暴雨灾害影响,引起基坑边坡移动、破裂等严重灾害。鉴于该强降雨作用下的土质基坑稳定性问题,依托遥科学探测实验室基坑实际工程,通过现场实测、理论分析和数值模拟相结合的方法,对正在修建的遥科学探测实验室基坑工程基坑进行了系统分析,找出该特殊条件下基坑开挖过程中基坑变形的有关规律,研究该特殊条件下土质基坑变形演化特征,系统了解强降雨作用下的土质基坑稳定性状,提出该特殊条件下深基坑的稳定控制措施,确定合理的基坑加固方式。取得以下主要结论:(1)研究了排桩和地下连续墙这两种支护型式,考虑外摩擦角变化对支护结构后土体滑裂面倾角的影响,分别对圆弧和悬链线两种拱形的土拱效应进行了分析。根据两种土拱形状计算其平均竖直应力,由此得到了对应于不同内摩擦角和外摩擦角的侧土压力系数;将其用于水平微分单元法求解支护结构主动土压力,得到了其主动土压力强度、土压力合力和合力作用点的解析公式。(2)详细介绍了现场工程概况和水文地质条件,针对现场情况设计了基本的基坑支护方案:基坑东侧采用土钉墙,其它部分采用桩锚支护,并给出了具体的剖面桩锚支护设计参数以及降水方案设计。提出并采用了新型旋喷搅拌排桩式地下隔水墙技术、旋喷扩大头锚杆边坡支护技术,建立了水泥土的加固机理、水泥土搅拌排桩墙组合支护结构、旋喷搅拌水泥土桩的成桩方法和排桩式地下防水墙的成型工法的基本技术参数。(3)采用FLAC3D数值模拟软件对强降雨条件下基坑稳定性进行了模拟分析,首先介绍了所采用的摩尔—库仑模型的基本原理,之后建立模型设计支护状态下基坑边坡应力和位移演化规律、不同加强支护状态下基坑边坡应力和位移演化规律以及进一步加固状态下基坑边坡应力和位移演化规律三种情况进行了模拟分析,获得主要结论如下:①在设计支护状态下,模拟分析了基坑-3m、-5.8m、-11m位置加打锚杆后基坑边坡位移和应力的演变规律。位移方面,在基坑深度为-9m的位置观察侧移量,-5.8m位置进行锚杆加固状态下,基坑各边坡的侧移量最小,基坑加固效果最好,在该状态下,其边坡侧移量分别降低为设计支护状态下的44.8%、40.55%、38.74%、39.61%。在基坑深部0m,即基坑边沿位置观察侧移量,同样在-5.8m锚杆加固状态下,基坑各边坡侧移量最小,边坡侧移量分别降低为设计支护状态下的45.68%、32.46%、34.47%、35.97%,可以满足现场安全稳定性要求。应力方面,加打锚杆后各个方向的边坡应力均有一定程度的降低,其中-5.8m位置边坡应力降低程度最大。②为寻求最优基坑加固方式,模拟分析了基坑-3m与-5.8m、-3m与-11m、-5.8m与-11m、-3m、-5.8m与-11m位置加打锚杆与单独在-5.8m位置加打锚杆后观察基坑边坡应力、位移演化的规律,上述四种加固状态与单独在-5.8m锚杆加固状态相比基坑侧移量和应力变化相差不大,考虑增加成本以及施工难易程度,确定在-5.8m位置增加锚杆加强支护较经济合理。(4)采用现场监测的方法,通过监测锚杆预应力、桩身钢筋应力、基坑边坡水平位移和基坑周围建筑物的沉降随时间的变化规律,获得现场相关数据,得到的主要结果如下:①锚杆预应力开始阶段预应力数值逐渐降低,到达应力低谷后逐渐增加并趋于稳定。锚杆张拉之后锁定的实际预应力均达不到设计预应力值,表明张拉锁定过程中,锚杆预应力损失严重,需改善张拉锁定施工工艺,减小锁定预应力损失。第一道锚杆的预应力由于暴雨影响边坡土体力学性质,锚杆预应力出现由大到小又突然变大,不同于后期锚杆的预应力变化。②护坡桩靠近基坑内侧的通长主筋受压,应力数值首先逐渐降低,稳定一段时间后,然后逐渐增加,再趋于稳定,钢筋应力随时间的变化曲线类似凹型。护坡桩靠近基坑外侧的通长主筋受拉,应力数值首先逐渐增加,稳定一段时间后,然后逐渐减小,再趋于稳定,钢筋应力随时间的变化曲线类似凸型。主要由于护坡桩在锚杆作用下,改变了桩的受力状态,护坡桩不再简单表现为悬臂桩力学特征,护坡桩钢筋应力状态也随锚杆的施加而发生变化。③基坑边坡水平位移都随时间不断增加,南坡水平位移东部比西部大,北坡水平位移的中间比两侧要大;因为北坡距离建筑物相比于南坡更近,北坡的水平位移大于南坡与其相对应的点的水平位移。同时,因两次暴雨影响,基坑边坡开始阶段变化很大,在完成基坑边坡险情处理完后,基坑边坡水平位移变化在安全范围内。④建筑物沉降量小的点沉降曲线和高程变化曲线表现出震荡性,大多数沉降曲线外凸型,少数曲线内凹型。基坑四边的建筑物沉降量最大,远离基坑坑边沉降很小。北坡观测点的建筑物沉降量整体上大于南坡观测点沉降量,基坑西边沉降量也较大。(5)建立了强降雨下深基坑边坡稳定性控制技术,解决了国家天文台建设遥科学探测实验室遭遇两次特大暴雨的基坑工程安全施工问题。①对两次强降雨基坑南北边坡移动过程进行监测分析,通过水源探查确定了强降雨入渗对基坑边坡变形的主要影响因素,提出并实施了基坑边坡变形应急处理方案,确保了“8/7暴雨”、“21/7特大暴雨”过程中基坑边坡稳定性,避免了基坑边坡垮塌等事故的发生。②根据基坑边坡位移等实时监测和现场实际条件,对基坑边坡支护进行优化计算,提出增补一道锚杆,优化调整原有方案第二、三锚杆工艺参数,确保现场基坑施工安全要求。③按现场实际条件,封堵可疑水源进行、截水,基坑边坡在原施工方案的基础上增加一根二次劈裂压浆管,实现二次高压(劈裂)注浆锚杆支护加固,第二、三道锚杆增加旋喷扩大头,锚杆扩大头直径为400mm,加固基坑边坡坡脚堆载(土)支撑,实现了强降雨作用下的基坑安全施工。