深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法

黎佳初，羅 廷

（廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，廣西 柳州 545006）

深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法

黎佳初，羅 廷

（廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，廣西 柳州 545006）

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，建筑業(yè)獲得了迅猛發(fā)展，人們對(duì)建筑技術(shù)和建筑安全也提出了更高的要求。作為整個(gè)建筑賴(lài)以立足的地底構(gòu)造，深基坑工程的設(shè)計(jì)承擔(dān)著重大的責(zé)任。深基坑工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)是該工程的支柱，它的設(shè)計(jì)方案是否安全合理直接影響其后的施工進(jìn)度和建筑安全。本文介紹了當(dāng)前常用的幾種支護(hù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型及其優(yōu)劣勢(shì)，指出了現(xiàn)在支護(hù)結(jié)構(gòu)施工中常出現(xiàn)的問(wèn)題，并提出了深基坑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的建議，以期為建筑設(shè)計(jì)人員提供借鑒。

深基坑工程；支護(hù)結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)與優(yōu)化

我國(guó)城市化進(jìn)程的加快雖然促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，卻也導(dǎo)致了諸多問(wèn)題，如城鎮(zhèn)人口劇增、城市交通壓力加大等，為解決這些問(wèn)題，地鐵應(yīng)運(yùn)而生。伴隨著地鐵數(shù)量的迅速增加，深基坑工程的安全性這一問(wèn)題再次被大眾所關(guān)注。基坑工程是指建筑物地下部分的施工建設(shè)中，為了保證建筑主體的安全且減少對(duì)周?chē)h(huán)境的影響而采用基坑支護(hù)、降水以及土方開(kāi)挖等措施的綜合性工程。開(kāi)挖深度超過(guò)5 m（包括5 m）或地下室三層（包括三層）的基坑工程就被稱(chēng)為深基坑工程。近些年來(lái)，深坑基工程技術(shù)已有大幅度發(fā)展，但仍然有工程事故發(fā)生，這些事故的發(fā)生大都是因?yàn)榛又ёo(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，因此，對(duì)深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化是個(gè)急需解決的問(wèn)題。

1 深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

1.1 當(dāng)前常用支護(hù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型

深基坑工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)有很多類(lèi)型，目前常用且比較合理的有混凝土圍護(hù)墻、土釘墻、樁排、地下連續(xù)墻和板式支護(hù)等。混凝土圍護(hù)墻屬于重力式圍護(hù)墻，可以靠自身重力抵抗深基坑的側(cè)向力，從而保持平衡，不需要內(nèi)部額外的支撐，費(fèi)用低且便于基坑內(nèi)機(jī)械挖土和地下結(jié)構(gòu)施工。土釘支護(hù)是邊坡原位加筋支護(hù)的一種，它以混凝土攪拌樁帷幕加強(qiáng)了深基坑的自立性和隔水性，二次灌漿方法加固了土體、解決了土釘抗拔力。樁排支護(hù)應(yīng)用鉆孔灌注樁，能使施工機(jī)械無(wú)法咬合的樁相互咬合，排樁部分承受基坑側(cè)向力，混凝土墻起擋水作用，長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌超流態(tài)混凝土成樁技術(shù)使鋼筋混凝土灌注樁與素混凝土樁形成最優(yōu)咬合，起到防水作用。地下連續(xù)墻是一種鋼筋混凝土墻，在泥漿護(hù)壁的條件下分槽段構(gòu)筑，墻體剛度較大，既能作為基坑施工時(shí)的擋墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，又能作為擬建主體結(jié)構(gòu)的側(cè)墻。板式支護(hù)包括圍護(hù)墻、支撐、圍檁、立柱、防水帷幕、鎖口梁等，主支護(hù)體系有鉆孔灌注樁和鋼筋混凝土地下連續(xù)墻兩種結(jié)構(gòu)形式，鋼結(jié)構(gòu)施工方便、造價(jià)低且可反復(fù)使用，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不易變形，使用周期長(zhǎng)[1]。

1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟

深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程一般按照選型、計(jì)算、驗(yàn)算三個(gè)基本步驟進(jìn)行，支護(hù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇是支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的第一步。支護(hù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選取要綜合考慮基坑深度、周邊建筑物類(lèi)型、周邊交通狀況、地下管線狀況、土質(zhì)和水位等多重因素，再根據(jù)建筑物總平面配置、工程勘察所得資料、建筑預(yù)算和具體要求等對(duì)支護(hù)樁側(cè)土壓力、錨桿層數(shù)、錨拉點(diǎn)具體位置、錨桿承受壓力、支護(hù)樁在基坑底部嵌固深度、支護(hù)結(jié)構(gòu)承受外力和結(jié)構(gòu)內(nèi)部?jī)?nèi)力進(jìn)行精確計(jì)算，從而設(shè)計(jì)出具體方案。方案設(shè)計(jì)完成后還要進(jìn)行驗(yàn)算，目前應(yīng)用最廣泛的驗(yàn)算方式是模糊綜合評(píng)判，具體方法是建立評(píng)價(jià)層次分析結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造判斷矩陣、初步確定權(quán)重及最大特征根、判斷矩陣的一致性、確定指標(biāo)因素集的權(quán)重、建立因素集及評(píng)語(yǔ)集、確定模糊評(píng)判矩陣，最后做模糊變換，得到方案評(píng)價(jià)結(jié)果，根據(jù)方案評(píng)價(jià)結(jié)果改進(jìn)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

1.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)施工中常見(jiàn)問(wèn)題

在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，一直以來(lái)有一個(gè)問(wèn)題難以解決，即經(jīng)濟(jì)性和安全性之間的矛盾，直到目前，人們還沒(méi)有提出一個(gè)既能符合安全性又符合經(jīng)濟(jì)性的方案。在實(shí)際工程施工中，出于安全性考慮，支護(hù)選型和設(shè)計(jì)往往極為保守，這樣就不得不加大投資，導(dǎo)致建筑造價(jià)過(guò)高；而如果片面追求經(jīng)濟(jì)性，降低了基坑的穩(wěn)定性、變形控制和設(shè)計(jì)安全方面的要求，則會(huì)帶來(lái)更大的安全隱患和潛在的經(jīng)濟(jì)損失。此外，土壓力的計(jì)算與分布，支撐的剛度與設(shè)置，基坑開(kāi)挖的時(shí)空效應(yīng)、振動(dòng)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響等單靠理論分析和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)難以完全把握基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)重點(diǎn)，更為支護(hù)結(jié)構(gòu)施工加大了難度[2]。

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

2.1 合理選用圍護(hù)墻模式

支護(hù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇取決于土質(zhì)、水位、周?chē)ㄖ偷缆返纫蛩?，同時(shí)還要考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性。一般來(lái)說(shuō)，混凝土圍護(hù)墻最適合應(yīng)用于支護(hù)深度不超過(guò)6 m的軟土地區(qū)（如上海），當(dāng)基坑側(cè)壓（C）小于12 kPa、地下溫度（T）小于20℃時(shí)，要采取降水措施，而當(dāng)C＞15 kPa，T＞12℃時(shí)，則不需要。土釘墻可以組成防滲帷幕、超前支護(hù)，因而能夠解決坑底的抗隆起、管涌和滲流等問(wèn)題，所以砂性土、粉土以及粘性土等土質(zhì)較好的地區(qū)應(yīng)用土釘墻結(jié)構(gòu)較廣泛，自復(fù)合土釘支護(hù)技術(shù)面世以來(lái)，東南沿海一帶的淤泥及淤泥質(zhì)土地區(qū)也可應(yīng)用這一支護(hù)結(jié)構(gòu)。樁排支護(hù)一、二、三級(jí)基坑皆可應(yīng)用，但最適的是基坑深為8～14 m且周?chē)h(huán)境要求不高的情況。地下連續(xù)墻墻體剛度大，止水效果好，可應(yīng)用于基坑深、周?chē)h(huán)境保護(hù)要求高的工程中，上海的金茂大廈、恒隆大廈以及地鐵1號(hào)線、2號(hào)線的一些地鐵車(chē)站選用的都是這一結(jié)構(gòu)。一般深度大于7 m的深基坑都可考慮板式支護(hù)體系，再結(jié)合基坑深度、基坑形狀、周?chē)h(huán)境保護(hù)要求和挖土方法選用鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方式

深基坑工程的計(jì)算方法對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有不可替代的意義，目前能應(yīng)用于深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算方法有很多，常用的有經(jīng)典理論方法、解析法和有限元法三種。古典方法有靜力平衡法和彈性線法，主要依據(jù)是力的平衡理論；解析法包括山肩邦男法和彈性法，解析法最重要的一步是對(duì)壓力的假定；有限元分析法有彈性支點(diǎn)法、連續(xù)介質(zhì)有限元法以及三維實(shí)體有限元法三種，其依據(jù)是基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維實(shí)體模擬。近些年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展為深坑及工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算提供了一種精確且效率頗高的方法，即利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算功能，通過(guò)建立有限單元體處位移-荷載函數(shù)關(guān)系，首先求得單元體上未知的位移，最后再通過(guò)已求得位移，得出相應(yīng)的應(yīng)變和應(yīng)力。新技術(shù)的應(yīng)用減小了深坑及工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度和工作量，提高了其精確性。

2.3 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

為確保深基坑結(jié)構(gòu)的安全性，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不可忽略。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括基坑周邊地表沉降監(jiān)測(cè)、基坑外側(cè)土體位移監(jiān)測(cè)、支撐軸力監(jiān)測(cè)、圍護(hù)樁頂沉降、水平位移監(jiān)測(cè)和圍護(hù)樁體位移監(jiān)測(cè)五部分。監(jiān)測(cè)中 dhi= hi-hi-l、dsi=（dAi×S）和 Ds=（dsi+ds2+…+dsi）是必會(huì)應(yīng)用到的公式，它們是計(jì)算位移量和沉降量的最精確公式。按照施工標(biāo)準(zhǔn)，在基坑開(kāi)挖前測(cè)量?jī)扇?，基坑正常施工時(shí)每?jī)商鞙y(cè)量一次是最科學(xué)的監(jiān)測(cè)頻率。

3 結(jié)語(yǔ)

任何一個(gè)工程方面的課題發(fā)展都是理論與實(shí)踐密切結(jié)合并不斷相互促進(jìn)的結(jié)果?；庸こ痰陌l(fā)展往往是一種新支護(hù)型式的出現(xiàn)帶動(dòng)新的分析方法的產(chǎn)生并遵循實(shí)踐、認(rèn)識(shí)、再實(shí)踐再認(rèn)識(shí)的規(guī)律，而走向成熟。近些年來(lái)，建筑業(yè)的迅速發(fā)展也使建筑設(shè)計(jì)人員加快了對(duì)深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步伐。目前，深基坑工程采用最多的支護(hù)結(jié)構(gòu)有混凝土圍護(hù)墻、土釘墻支護(hù)、樁排支護(hù)、地下連續(xù)墻和板式支護(hù)體系等，支護(hù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型要根據(jù)建筑的土質(zhì)、水位和周?chē)h(huán)境選擇。除了合理選擇支護(hù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型之外，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)也是一種提高深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性的方法。

1 張尚根，趙佩勝.基坑開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形分析[J].工業(yè)建筑，2000，30（3）：17-20.

2 高文華，楊林德，沈蒲生.軟土深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形時(shí)空效應(yīng)的影響因素分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2001，34（5）：90-96.

Design and Optimization of Retaining Structure for Deep Foundation

Li Jiachu, Luo Ting
(Guangxi Hydrogeological Engineering Geological Prospecting Institute, Liuzhou 545006, China)

With the continuous progress of the urbanization process, the construction industry has been rapid development,people on the construction technology and construction safety also put forward higher requirements.As the foundation of the whole building based on the underground structure, deep foundation pit engineering design bear a major responsibility.Deep foundation pit engineering support structure is the pillar of the project, its design is safe and reasonable direct impact on the subsequent construction progress and construction safety.This paper introduces several types of supporting structures and their advantages and disadvantages, and points out the problems in the construction of supporting structures, and puts forward some suggestions for the optimization of structural design of deep foundation pit, so as to provide reference for building designers.

deep foundation pit engineering; support structure; design and optimization

TU753 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500(2017)08-0136-03

2017-07-15

黎佳初（1986-），男，廣西賓陽(yáng)人，工程師，研究方向：水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)。