基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究

杭天明 張宜佳

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市建設(shè)速度逐步加快，越來越多的高層建筑的興建、大型市政設(shè)施的施工及大量地下空間的開發(fā)，產(chǎn)生了大量的深基坑工程，且建筑越高基坑開挖的深度和面積越大。由于高層建筑基礎(chǔ)工程的造價約占整個工程造價的 1/3，工期約占總工期的 1/4，對深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計可節(jié)省大量的投資，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，因此基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計也顯得尤為重要。

本文以天津地區(qū)某處基坑工程實例為依據(jù)，就該工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行研究，通過與傳統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行比較，分析出優(yōu)化設(shè)計在基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的重要性。

1 工程概況及水文地質(zhì)條件

該工程地下工程方面，擬開挖基坑深度為22.6m，地下結(jié)構(gòu)分為3層，層高從上到下分別為 6.5m，6.5m和6m。該工程所處位置為沖積平原，地形平坦，地面高程1.72m～3.81m。

根據(jù)勘察報告，該地區(qū)土層主要分為雜填土、粉土、粉質(zhì)粘土、粘土。具體分層情況見表 1。

表1 土層的分層情況及參數(shù)值

2 基坑支護(hù)的設(shè)計

基坑支護(hù)分為縱向支護(hù)和橫向支護(hù)。

在基坑的縱向支護(hù)設(shè)計方面:

由于該工程處于市區(qū)，周邊多為道路及房屋設(shè)施，原有建筑物的基礎(chǔ)范圍、埋深及地下管線對工程地下施工影響較大，考慮到基坑的開挖變形及降水對周邊環(huán)境的影響，該工程縱向支撐采用地下連續(xù)墻作為其支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)。設(shè)計深度為14.4m，墻厚為1.2m。

在基坑橫向支護(hù)設(shè)計方面:

1)傳統(tǒng)的設(shè)計方法為順作法，即隨著開挖深度的增加在每一層樓板以上的位置設(shè)計橫向支撐以約束基坑的橫向變形，具體設(shè)計方法見圖 1。

具體施工順序為:a.開挖至深度5.8m，在深度5m處設(shè)置一道鋼筋混凝土橫向支撐。b.開挖至深度12.5m，在深度11.6 m處設(shè)置一道鋼筋混凝土橫向支撐，繼續(xù)開挖至深度 15.1m，在深度14.6m處設(shè)置一道鋼結(jié)構(gòu)斜撐。c.開挖至深度19m，在深度18.1m處設(shè)置一道鋼筋混凝土橫向支撐。d.繼續(xù)開挖至坑底。

這種方法在天津的大多數(shù)工程中被普遍采用，但是在該工程的設(shè)計和施工中遇到了具體的問題。由于開挖深度較大，每一層的層高也較大，第一步在開挖至5.8m后在5m處設(shè)置一道支撐。開挖深度之大是顯而易見的，怎么控制變形，怎么保證施工的安全顯得尤為重要。在利用軟件模擬施工過程的同時發(fā)現(xiàn)只有放坡才能勉強(qiáng)控制這次變形。放坡1.5m，變形控制在31.4mm，比不放坡減少了 14.4mm。這種施工方法雖然控制了變形但是增加了施工的難度和安全性。

2)為了避免這些情況，根據(jù)具體的工程概況，在橫向支護(hù)設(shè)計方面，采用半順半逆的施工方法，即在開挖的同時及時附加橫向鋼支撐，開挖至樓板的位置打上部分樓板作為橫向支撐。具體設(shè)計方法見圖 2。

具體施工順序為:a.開挖至深度2.8m，在深度2.3m處設(shè)置一道鋼支撐。b.開挖至深度7.8m，在深度7m處設(shè)置一道鋼筋混凝土支撐(逆作樓板)。拆第一道支撐。c.開挖至深度10.3m，在深度9.8m處設(shè)置一道鋼支撐。d.開挖至深度14.3m，在13.5m處設(shè)置一道鋼筋混凝土支撐(逆作樓板)。拆第三道支撐。e.開挖至深度15.8m，在深度15.3m處設(shè)置一道鋼結(jié)構(gòu)式斜撐。f.開挖至深度18.8m，在深度18.3m處設(shè)置一道鋼支撐。g.繼續(xù)開挖至坑底。

這種做法直接避免了第一步開挖過深對縱向支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響。

3 兩種設(shè)計方法的比較

從圖3，圖 4結(jié)構(gòu)受力包絡(luò)圖可以看出:

縱向支護(hù)變形方面:

傳統(tǒng)做法最大位移產(chǎn)生在 14.8 m深度，最大位移數(shù)值為41.2mm;新做法最大位移產(chǎn)生在 14.9m，最大位移值為 39mm，比傳統(tǒng)做法小了 2.2mm。新做法控制變形比傳統(tǒng)做法稍好。

橫向支撐軸力方面:傳統(tǒng)做法最大軸力為1 036 kN，新做法為1 031.9 kN，平均軸力分別為646.8 kN和458.38 kN。新做法的橫向支撐軸力平均比傳統(tǒng)做法小了 188.42 kN。新做法的橫向支撐軸力小，一方面在設(shè)計橫向支撐時可以減小尺寸、節(jié)省材料，另一方面在施工時可以減小變形，增加了施工過程的安全性。

施工方面:

傳統(tǒng)做法雖然只有四道支撐，但是在施工過程中變形始終較大，難以保證結(jié)構(gòu)的安全性。在基坑挖至坑底后做樓板需要將鋼筋混凝土支撐打掉。而新做法在做橫向支撐的同時也打上了樓板，在挖至基坑底部的同時樓板也幾乎做完。這樣就大大縮短了工期，節(jié)省時間，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

通過基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計傳統(tǒng)做法和新做法的比較和分析，發(fā)現(xiàn)新做法在結(jié)構(gòu)受力方面使支護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向變形更均勻，更容易控制，在減小變形的同時，縮小了橫向支撐的平均軸力。在施工方面增加了安全性、可靠性，大大縮短了工期，提高了經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。另外，在使用新做法設(shè)計時發(fā)現(xiàn)雖然新做法比傳統(tǒng)做法控制變形稍好，但是在開挖和設(shè)置橫向支撐的工程中還是不能避免的出現(xiàn)了跨度加大問題，所以在施工中有待進(jìn)一步提高。

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