建筑基坑支護結構的選型和優化分析

摘要：基坑支護結構的選型是建筑施工過程中最常見的問題，也是影響建筑施工質量的重要因素。文章就建筑基坑支護結構的選型分類展開討論，從建立系統優化模型和新型基坑結構支護方法這兩個方面對建筑基坑支護結構優化的設計措施進行了探討，希望能夠減少建筑基坑質量的問題。

關鍵詞：建筑基坑；支護結構；選型設計；優化方法；建筑施工 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU753 文章編號：1009-2374（2016）03-0107-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.03.054

隨著我國國民經濟的快速發展和經濟體制的不斷改革，建筑施工問題也越來越受到企業的重視。目前，企業在工程實施過程中對深基坑支護的類型認識還不夠到位，對基坑深度較深、基坑覆蓋范圍小的基坑支護結構無從選擇。因此為保障施工過程的安全性，設計人員要高度重視對基坑支護結構的選型和優化設計，力求最大限度降低工程風險，促進我國建筑行業安全而健康的發展。

1 建筑基坑支護結構選型分類

1.1 鋼鐵樁

作為建筑基坑支護結構重要部分之一的鋼鐵樁在抵擋土體的側壓力和防止地下水入侵地基具有積極的作用。目前我國生產的鋼鐵樁的主要材料是鉗口、熱軋鋼材。熱軋鋼材是有鎖扣的，鎖扣的作用是將鉗口和所有的鋼材連接起來組成鋼板樁墻體，起到保護基地和墻面的作用。直腹版形、U形和Z形是建筑工程施工過程中最常見的三種鋼板樁形式，通過鋼板樁鎖扣這個小設計將鋼材進行有效連接，對工程墻面形成一層保護膜，最終達到基地支護墻面和保護基坑不被破壞的目的。在實際建筑施工過程中，鋼鐵樁在工程中的使用方法簡單，可以重復使用，進而降低企業的采購成本，并提高施工效率。但是鋼鐵樁在施工過程中的重復利用也存在一些問題，比如鋼鐵樁在對基坑安裝過程中會產生較大的噪音。國家對建筑施工過程中的噪音分貝有嚴格規定，所以基坑的安裝過程就會受到一定的限制，增加施工難度。另外，如果設計人員沒有對鋼板樁的施工過程進行科學技術實驗，就會導致鋼板樁側壓墻面。墻面的變形不僅會影響基坑的牢靠性和鋼板樁的形狀，還會降低鋼板樁對基坑的支護效果，進而影響整個工程的質量。據工程專家指出，鋼鐵樁在對基坑安裝時最好的基坑深度是保持在7m以下，這樣可以最大限度地穩定基坑。

1.2 地下連續墻

采用澆筑形式對建筑進行施工是目前企業慣用的地下連續墻的一種施工方式，具體方法是在墻體內安裝鋼筋，固定好基坑，防止地下水的滲入。提升墻體的支撐度和穩定度是保證工程基地牢靠和質量的重要部分，可以在土地性能差、水位不深的地區將地下連續墻技術運用到施工程序中去，降低企業的施工難度。實踐研究表明，地下連續墻技術與其他技術相比，在工程施工過程中的安全系數是最高的，可以在7m以上的基坑中使用。但是任何技術都不是萬能的，地下連續墻技術亦是如此。如果基坑土地是巖石結構組成的，地下連續墻技術就會增加工程造價，增加對基坑的挖掘工序。另外，企業的工程如果是在市中心，還需要注意噪音污染和泥漿污染，企業要最大限度地將污染控制在標準范圍之內，同時施工人員要做好安全防范措施，避免出現泥漿流到施工場外的現象，減少對環境的污染。

1.3 深沉攪拌樁

深沉攪拌樁亦稱水泥土墻，是建筑基坑施工中比較常見的支護結構之一。深沉攪拌樁的施工原料主要是混凝土，其方法是將混凝土通過管道注入土地中，利用雙頭攪拌機或者三頭攪拌機將土體和混凝土攪拌均勻，在光照、風吹作用下形成防水性墻體。其施工程序相對而言較簡單，對技術的專業性要求比較低。但是深沉攪拌樁技術在工程施工方案中會受到施工空間的限制。例如在進行施工時，混凝土不能單獨在墻面上使用，必須要和鋼筋一起使用，否則就會出現墻面變形甚至倒塌的現象。另外這種施工技術還不能完全達到基坑支護的條件，不能提升墻面的剛性和穩定性，最終會影響基坑的質量和安全。

1.4 排樁

排樁在基坑中的施工是對鋼筋混凝土進行穿孔技術設計和鉆孔灌注樁打造支護排列結構，對排樁進行鉆孔是建筑基坑施工技術的要求，也是提高樁柱緊密度的有效方法。排樁根據排列形式可以分為密排布置形式、疏排布置形式和規則排密布置形式。施工人員可以根據基坑深度、基坑覆蓋范圍、基坑所需的排樁支護選擇合適的布置形式。密排布置形式的排樁相對疏排布置形式和規則排密布置形式來說，其剛度、穩定性都要更強。因此，施工人員要重視樁體之間的銜接性，提升基坑之間的緊密度，保證基坑的支護效果。施工人員還可以在不同的樁體之間安插鋼筋混凝土冒梁，鋼筋混凝土冒梁是保證墻面和基坑牢固的重要支撐點，使樁柱在基坑中形成一個整體，通過鉆孔灌注樁對基坑的攪拌起到防水的目的。灌注樁技術在基坑中的專業技術要求不太復雜，操作流程簡單，可以降低噪音。

2 建筑基坑支護結構優化設計

2.1 建立系統優化模型

建立科學的系統優化模型是設計人員調整、優化基坑結構的首要目標。在傳統工程程序中，設計人員對基坑支護數據采用手工輸入方式并進行人工核算，這樣的形式會導致計算結果出現誤差，進而影響工程的整體質量。因此設計人員要改變以往人工計算工程造價的這種模式，將計算機作為工程造價的主要工具，將計算機優化模型作為基坑支護結構優化的主要模型。隨著科技的發展，計算機在教育、工程及其他方面得到廣泛運用，比如工程造價模型COSYSMO。COSYSMO是一個系統的工程造價模型，模型的建立主要有七步方法，如圖1所示。COSYSMO模型的參數可以根據工程造價師的預測來估計，直接對企業的基坑結構成本部門負責，其專業性更強、計算數據更加精確。

圖1 七步建模方法論

2.2 建立新型基坑結構支護方法

建立系統優化模型后，設計人員就要對新型模型基坑支護方法進行設計。傳統的工程設計原理是“極限平衡”原理，極限平衡原理在工程的實際運用中并不能保證設計的質量，也不能得出精確的數據結論。因此，設計人員在對新型模型基坑支護方法設計時一定要考慮支護結構的類型、基坑支護結構的原料、基坑覆蓋的范圍、基坑深度、工程復雜性等，多方面對方法設計進行多角度的衡量，從而實現基坑結構優化的目的。首先，設計人員要掌握建筑數據，通過對工程環境的勘察找出基坑支護設備在施工過程中的漏洞，結合國外基坑結構的支護方法，找到適合自身企業的基坑結構支護設計方案。例如，現在工程中使用的灰色系統理論模型法，設計人員就可以利用這個方法找出最優方案；其次，設計人員要發揮自己的專業知識，以積極主動的態度參與到工程施工中去，為找到科學的基坑支護計算方法提出專業性指導和建議，將提高建筑基坑的設計質量作為目標，從而推動我國建筑業的快速發展；最后，設計人員要將模型方法運用到實際工程中去，將理論與實踐相結合，在實踐中使方法得到推廣。

3 工程實例

某建筑開發商在開發附近的一塊地，建筑面積是8000m2，房屋總共10層。地下有1層，基坑面積是800m2。基坑深度為3m，工程專家對基坑周長的估計是120m。這項工程在成都龍泉驛站街道辦事處，臨近居民區。據測量，該工程的用地距居民區的建筑有160m左右。施工人員在基坑的施工過程中使基坑結構發生變形和移位，給居民的安全造成了嚴重影響。工程設計人員打算采用灰色系統理論模型法來預測計算基坑結構數據，結果如表1所示。工程管理人員最終采用鉆孔灌注樁技術來對基坑進行分析，如圖2所示。這次采用的分別為排樁的樁徑為Φ400mm、Φ500mm、Φ600mm。鉆孔的深度為30～45m，鉆孔后排的直徑為700mm，排樁之間的間距為220mm，基坑支護主要是Φ600mm。將排樁進行鉆孔灌注后，將其運用到對基坑施工過程中可以作為擋土墻面。

表1 灰色系統理論模型法預測基坑參數

圖2 鋼筋混凝土鉆孔灌注樁基坑的施工過程

根據表1得出數據結論，基坑評價數值與水平位移的深度不成比例，這是因為鉆孔灌注樁在對基坑施工過程會形成對墻面的抵擋作用，雙排水泥攪拌樁可以防止水的滲透，維持墻面的穩定，墻面發生水平位移的距離越遠，錨桿所承受的拉力越大。在實際工程中，運用灰色理論模型法對基坑進行參數預測是在工程部考慮采取鋼筋混凝土鉆孔灌注樁技術的情況下，對工程的可靠度、工期等因素的綜合考慮，對建立深基坑支護選型方案具有積極的作用，幫助企業擇優選擇，降低企業的成本，促進企業的可持續發展。

4 結語

隨著我國市政工程的快速發展，建筑基坑支護結構的優化工作是當前我國施工人員需要考慮的首要工作。基坑的安全和穩定不僅可以保障施工人員的安全，還可以增強企業的競爭力，使企業的安全效益與經濟效益有機地結合在一起，進而促進企業的可持續發展。

參考文獻

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作者簡介：王俊英（1972-），女，云南宣威人，曲靖市設計研究院有限責任公司建筑結構設計工程師，研究方向：房屋建筑結構設計。

（責任編輯：黃銀芳）