深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化方法研究

陳　宇（四川智力建筑技術(shù)咨詢有限公司，四川　眉山　620010）

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深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化方法研究

陳宇（四川智力建筑技術(shù)咨詢有限公司，四川眉山620010）

當(dāng)代社會的發(fā)展飛速，城市的各種基礎(chǔ)建設(shè)和建筑物越來越多，建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，建筑技術(shù)的飛速進(jìn)步對其賴以立足的地底構(gòu)造提出更高的要求，也使深基坑工程設(shè)計面臨著更重大的挑戰(zhàn)，即不僅要追求經(jīng)濟節(jié)約和經(jīng)濟效益，更要保障可靠和安全，同時還得控制周邊環(huán)境，不破壞周邊發(fā)展需求。這個挑戰(zhàn)需要對整個施工過程和全部的深基坑工程設(shè)計方法和優(yōu)化的設(shè)計理論做透徹深刻全面的研究。在大型建筑物開工前，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的選擇是否合理直接關(guān)系著施工建筑的質(zhì)量和進(jìn)度，也會影響著整個項目的經(jīng)濟效益和工作人員的人身安全。本文從深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的優(yōu)化及選擇角度出發(fā)，達(dá)到提高施工管理質(zhì)量，優(yōu)化深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的目的。對目前施工和深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中出現(xiàn)的問題的解決，保障施工的安全可靠，加快企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，提高社會效益都具有非常重要實際意義。

深基坑；支護(hù)結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計

引言

國內(nèi)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人民生活水平的改善推動了國內(nèi)房地產(chǎn)的興起，建筑行業(yè)的進(jìn)步，大型建筑譬如寫字樓、辦公樓、居民樓的出現(xiàn)產(chǎn)生了大量的深基坑的工程，其發(fā)展、安全可靠性也越來越受到人們的重視。深基坑的支護(hù)主要有幾個作用，保證施工的安全可靠，穩(wěn)定坑壁，同時保護(hù)了建筑周圍的建筑物、構(gòu)筑物和地下管線，對開挖和建造地下室，保證支護(hù)施工的經(jīng)濟與合理提供便利性。因此基坑支護(hù)的設(shè)計的安全性、便捷性和經(jīng)濟性直接影響著深基坑工程整體的質(zhì)量［1］。本文以前人研究為基礎(chǔ)，從系統(tǒng)工程的觀點出發(fā)，深入研究了深基坑工程優(yōu)化設(shè)計的基本原理，應(yīng)用最優(yōu)化設(shè)計理論著探討了如何選擇支護(hù)方案決策的方法。

1　建筑施工中深基坑支護(hù)的意義

基坑工程既古老卻又與時俱進(jìn)，烙印著時代的印記。基坑定義為在對建筑物包括構(gòu)筑物基礎(chǔ)與地下室的施工而開挖的地面以下的空間，而開挖深度等于或大于5.0m的基坑一般被劃歸為深基坑。在整個建筑施工過程中，挖掘深基坑的方案是整個項目正常施工的基礎(chǔ)和關(guān)健，特別是高層的建筑物，深基坑的施工質(zhì)量，直接決定了建筑物的安全性、穩(wěn)定性和使用的壽命［2］。如何在已有大量建筑的市區(qū)內(nèi)挖掘深基坑對基坑工程和支護(hù)技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn)和嚴(yán)格的要求，也加大對深基坑工程的設(shè)計理論和現(xiàn)場施工技術(shù)的要求，即基坑支護(hù)構(gòu)造不僅要滿足承載能力設(shè)計要求，還要滿足地下結(jié)構(gòu)施工和基坑周邊環(huán)境正常使用功能的要求。所以，為了保證建筑工程周圍建設(shè)的使用正常和安全性，避免挖掘基坑影響地下室和地下管道的正常使用，事先需要對施工的地面進(jìn)行全面仔細(xì)的施工檢測和勘察設(shè)計。在挖掘建筑物的深基坑時會遇到結(jié)構(gòu)力學(xué)、液壓等方面的問題，綜合性很強，因此有必要進(jìn)行正確有限的的理論計算。構(gòu)建深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系需要保證周邊建筑物的安全及功能不受到影響，并且防止地下水進(jìn)入基坑中，保證深基坑施工環(huán)境的干燥程度［3］。

2　深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的種類

深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)種類有很多，根據(jù)地質(zhì)環(huán)境、施工地貌的不同，可選擇不同結(jié)構(gòu)自由組合，極大的確保了深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。一般的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)有邊坡穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、護(hù)坡樁與板墻結(jié)構(gòu)、泥土擋墻結(jié)構(gòu)、排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)、拉錨式支護(hù)結(jié)構(gòu)和復(fù)合型支護(hù)結(jié)構(gòu)。邊坡穩(wěn)定結(jié)構(gòu)有噴灌支護(hù)和土釘墻兩大結(jié)構(gòu)，土釘墻主要由密集的土釘群組成，通過噴射混凝土面層，確保了原位土體的牢固性。護(hù)坡樁與板墻結(jié)構(gòu)主要由土層錨桿、圍護(hù)墻和防滲帷幕組成；水泥土擋墻結(jié)構(gòu)通常沒有支撐，主要通過抗變形能力和本身重量來確?；涌颖诎踩谀承┨厥馇闆r下，也可以采取一些方法在需要加固的局部位置加上支撐；排樁是采用密排或一定間距排列的樁組成的擋土結(jié)構(gòu)，適用于側(cè)壁安全等級為一、二、三級的基坑非軟土場地當(dāng)基坑不太深時可采用懸臂式，懸臂式結(jié)構(gòu)在軟土場地中不宜大于6.0m。當(dāng)基坑較深時可與支撐、錨桿等配合組成擋土。內(nèi)撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)由支護(hù)結(jié)構(gòu)體系和內(nèi)撐體系兩部分組成。支護(hù)結(jié)構(gòu)體系常采用鋼筋混凝土樁排樁墻、以工法、鋼筋混凝土咬合樁和地下連續(xù)墻型式。內(nèi)撐體系可采用水平支撐和斜支撐。拉錨通過在在開挖基坑的穩(wěn)定地層中錨固段固定一種新型受拉桿件的一端，而將另一段與工程構(gòu)筑物（鋼板樁、挖孔樁、灌注樁以及地下連續(xù)墻等）相聯(lián)結(jié)，主要作用確保了土層或構(gòu)筑物的牢固性。近幾年來興起的復(fù)合型支護(hù)體系，作為新的深基坑邊坡支護(hù)方法，摒棄傳統(tǒng)單一支護(hù)的概念，對于同一個基坑，根據(jù)不同的地質(zhì)條件和環(huán)境條件，因地制宜地采用多種支護(hù)手段支護(hù)深荃坑的邊坡土體。

3　深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程

基坑工程的設(shè)計內(nèi)容，通常包括：支護(hù)結(jié)構(gòu)體系方案的選型和對比，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和強度計算，圍護(hù)墻的抗?jié)B計算，基坑穩(wěn)定性驗算，降水方案，挖土方案，環(huán)境保護(hù)和監(jiān)測方案。在深基坑工程的設(shè)計內(nèi)容和依據(jù)下，對建筑物總平面配置、基坑開挖范圍及深度、工程勘察資料、建設(shè)單位要求、相關(guān)規(guī)范及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行調(diào)查收集資料；然后分析周邊現(xiàn)狀建筑物狀況、周邊管線狀況、周邊交通狀況、相鄰地區(qū)基坑設(shè)計施工經(jīng)驗、主體結(jié)構(gòu)配置要求；根據(jù)這些分析，對基坑安全等級、巖土參數(shù)選取、重要性參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，完成初步設(shè)計，在初步設(shè)計完成以后，進(jìn)行對支護(hù)開挖、基坑降水或排水方案的設(shè)計，最后進(jìn)行穩(wěn)定性的運算，如果滿足強度控制、變形控制，那么再進(jìn)行施工圖的設(shè)計［4］。

4　基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則與方法

在進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，其一般應(yīng)遵循的設(shè)計原則是：①重視基本理論的指導(dǎo)作用；②設(shè)計中計算分析全面，避免“漏項”，并且應(yīng)考慮各種不利條件下的“工況”；③做好基坑工程總體方案的選擇；④做好地下水和地表水的控制；⑤充分運用“時空效應(yīng)”的概念解決支撐工作和軟土地區(qū)基坑開挖中遇到的難題，科學(xué)合理的制定支撐和挖土方案，減少位移、保證基坑安全；⑥認(rèn)真仔細(xì)監(jiān)測工期，如果出現(xiàn)異常情況，應(yīng)立即采取有限措施解決問題；⑦研究和應(yīng)用己有的基坑工程行業(yè)的和地區(qū)性規(guī)范以及當(dāng)?shù)氐墓こ探?jīng)驗。以以上原則為依據(jù)選定合理的的設(shè)計方法。在設(shè)計基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)極限環(huán)境下的狀態(tài)表達(dá)式進(jìn)行計算，同時需要劃分支護(hù)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，一般以正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)和為主。正常使用極限狀態(tài)其所對應(yīng)的狀況是支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重變形已妨礙了結(jié)構(gòu)施工甚至于影響到了周邊建筑的正常使用。承攬能力極限狀態(tài)是指支護(hù)結(jié)構(gòu)已承受了最大限度的壓力甚至于土體變形嚴(yán)重、存在著失穩(wěn)從而破壞了基坑周圍環(huán)境和支護(hù)結(jié)構(gòu)。因此在設(shè)計基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)時，需要計算其承載力極限狀態(tài)，通過計算支撐的承載力和穩(wěn)定性、土體穩(wěn)定笥、結(jié)構(gòu)承載力及錨桿后，從而對極限狀態(tài)進(jìn)行掌握。另外對于支護(hù)結(jié)構(gòu)變形有限定的基坑側(cè)壁，則還需要驗算基坑周邊環(huán)境及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的情況。

5　深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

（1）深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的選擇在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)工程中，其深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的選擇要考慮到深基坑開始挖掘時有關(guān)土壤以及土壤中地下水等造成的影響，所以深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)方案的選擇要根據(jù)施工地點的地下土壤情況、深基坑的挖掘深度等因素綜合考慮并選擇合適的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)方案。

（2）優(yōu)化深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的參數(shù)

優(yōu)化樁與樁徑間距。樁與樁徑的間距是直接影響了支護(hù)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性及穩(wěn)定性。一定范圍，樁間距的變大會影響基坑的變形。減小樁間距會增加樁數(shù)量，提高造價，并且不能充分發(fā)揮樁間土體的承受能力。增大樁間距，會造成樁間土體不穩(wěn)從導(dǎo)致其從樁間滑落。所以科學(xué)合理選擇樁間距十分重要，合理的樁間距能充分發(fā)揮土拱效應(yīng)，既保證了經(jīng)濟效益，也確保了基坑的穩(wěn)定性。

優(yōu)化嵌固深度。設(shè)計深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中，設(shè)計樁所嵌固的深度是關(guān)健，過淺的嵌固深度會降低基坑穩(wěn)定性。過深的嵌固深度無法保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時會額外的消耗資源能源，加重經(jīng)濟成本。因此，對合理的選擇樁的嵌固深度非常重要，需要根據(jù)安全及經(jīng)濟兩個方面的平衡來選擇。

在實際施工中，深基坑支護(hù)可以選擇的類型較多，所以需要根據(jù)施工的具體情況及相關(guān)的工程經(jīng)驗來進(jìn)行選取，同時基坑支護(hù)作為一種結(jié)構(gòu)體系，要設(shè)計時要充分地滿足穩(wěn)定性和變形的要求，具有良好的承載能力。同時在設(shè)計時還要根據(jù)具體的水文和地質(zhì)條件來進(jìn)行分析，從而確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和經(jīng)濟性。

［1］肖榮軍，史宏彥，楊雪強.深基坑排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究進(jìn)展［J］.土工基礎(chǔ)，2013（3）：50～53.

［2］朱占國，趙 文，李慎剛，紀(jì)新博，唐志揚.地鐵深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計算方法研究［J］.地下空間與工程學(xué)報，2013（5）：1109～1114.

［3］朱桂春，劉興鑫，韓武娟.深基坑樁錨支護(hù)體系的受力變形研究及優(yōu)化設(shè)計［J］.安全與環(huán)境工程，2012（1）：124～128.

［4］唐鵬，程懷江.基于變形控制的深基坑工程土釘支護(hù)設(shè)計優(yōu)化研究［J］.工程與建設(shè)，2012（6）：813～816.

陳 宇（1981-），男，本科，主要從事巖土勘察、地基處理、基坑和邊坡支護(hù)等工作。

TU753

A

2095-2066（2016）14-0149-02

2016-4-29