深基坑工程支護結構的設計及優化方法

黎佳初，羅 廷

（廣西水文地質工程地質勘察院，廣西 柳州 545006）

深基坑工程支護結構的設計及優化方法

黎佳初，羅 廷

（廣西水文地質工程地質勘察院，廣西 柳州 545006）

隨著城市化進程的不斷推進，建筑業獲得了迅猛發展，人們對建筑技術和建筑安全也提出了更高的要求。作為整個建筑賴以立足的地底構造，深基坑工程的設計承擔著重大的責任。深基坑工程的支護結構是該工程的支柱，它的設計方案是否安全合理直接影響其后的施工進度和建筑安全。本文介紹了當前常用的幾種支護結構類型及其優劣勢，指出了現在支護結構施工中常出現的問題，并提出了深基坑結構設計優化的建議，以期為建筑設計人員提供借鑒。

深基坑工程；支護結構；設計與優化

我國城市化進程的加快雖然促進了經濟的發展，卻也導致了諸多問題，如城鎮人口劇增、城市交通壓力加大等，為解決這些問題，地鐵應運而生。伴隨著地鐵數量的迅速增加，深基坑工程的安全性這一問題再次被大眾所關注。基坑工程是指建筑物地下部分的施工建設中，為了保證建筑主體的安全且減少對周圍環境的影響而采用基坑支護、降水以及土方開挖等措施的綜合性工程。開挖深度超過5 m（包括5 m）或地下室三層（包括三層）的基坑工程就被稱為深基坑工程。近些年來，深坑基工程技術已有大幅度發展，但仍然有工程事故發生，這些事故的發生大都是因為基坑支護結構設計不合理，因此，對深基坑工程支護結構設計方法的優化是個急需解決的問題。

1 深基坑工程支護結構設計現狀

1.1 當前常用支護結構類型

深基坑工程的支護結構有很多類型，目前常用且比較合理的有混凝土圍護墻、土釘墻、樁排、地下連續墻和板式支護等。混凝土圍護墻屬于重力式圍護墻，可以靠自身重力抵抗深基坑的側向力，從而保持平衡，不需要內部額外的支撐，費用低且便于基坑內機械挖土和地下結構施工。土釘支護是邊坡原位加筋支護的一種，它以混凝土攪拌樁帷幕加強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。樁排支護應用鉆孔灌注樁，能使施工機械無法咬合的樁相互咬合，排樁部分承受基坑側向力，混凝土墻起擋水作用，長螺旋鉆孔壓灌超流態混凝土成樁技術使鋼筋混凝土灌注樁與素混凝土樁形成最優咬合，起到防水作用。地下連續墻是一種鋼筋混凝土墻，在泥漿護壁的條件下分槽段構筑，墻體剛度較大，既能作為基坑施工時的擋墻圍護結構，又能作為擬建主體結構的側墻。板式支護包括圍護墻、支撐、圍檁、立柱、防水帷幕、鎖口梁等，主支護體系有鉆孔灌注樁和鋼筋混凝土地下連續墻兩種結構形式，鋼結構施工方便、造價低且可反復使用，鋼筋混凝土結構不易變形，使用周期長[1]。

1.2 支護結構設計步驟

深基坑支護結構設計流程一般按照選型、計算、驗算三個基本步驟進行，支護結構類型的選擇是支護結構設計的第一步。支護結構類型的選取要綜合考慮基坑深度、周邊建筑物類型、周邊交通狀況、地下管線狀況、土質和水位等多重因素，再根據建筑物總平面配置、工程勘察所得資料、建筑預算和具體要求等對支護樁側土壓力、錨桿層數、錨拉點具體位置、錨桿承受壓力、支護樁在基坑底部嵌固深度、支護結構承受外力和結構內部內力進行精確計算，從而設計出具體方案。方案設計完成后還要進行驗算，目前應用最廣泛的驗算方式是模糊綜合評判，具體方法是建立評價層次分析結構模型、構造判斷矩陣、初步確定權重及最大特征根、判斷矩陣的一致性、確定指標因素集的權重、建立因素集及評語集、確定模糊評判矩陣，最后做模糊變換，得到方案評價結果，根據方案評價結果改進支護結構設計方案。

1.3 支護結構施工中常見問題

在深基坑支護結構的設計中，一直以來有一個問題難以解決，即經濟性和安全性之間的矛盾，直到目前，人們還沒有提出一個既能符合安全性又符合經濟性的方案。在實際工程施工中，出于安全性考慮，支護選型和設計往往極為保守，這樣就不得不加大投資，導致建筑造價過高；而如果片面追求經濟性，降低了基坑的穩定性、變形控制和設計安全方面的要求，則會帶來更大的安全隱患和潛在的經濟損失。此外，土壓力的計算與分布，支撐的剛度與設置，基坑開挖的時空效應、振動對支護結構的影響等單靠理論分析和經驗估計難以完全把握基坑支護結構側重點，更為支護結構施工加大了難度[2]。

2 支護結構優化方案

2.1 合理選用圍護墻模式

支護結構類型的選擇取決于土質、水位、周圍建筑和道路等因素，同時還要考慮經濟性和安全性。一般來說，混凝土圍護墻最適合應用于支護深度不超過6 m的軟土地區（如上海），當基坑側壓（C）小于12 kPa、地下溫度（T）小于20℃時，要采取降水措施，而當C＞15 kPa，T＞12℃時，則不需要。土釘墻可以組成防滲帷幕、超前支護，因而能夠解決坑底的抗隆起、管涌和滲流等問題，所以砂性土、粉土以及粘性土等土質較好的地區應用土釘墻結構較廣泛，自復合土釘支護技術面世以來，東南沿海一帶的淤泥及淤泥質土地區也可應用這一支護結構。樁排支護一、二、三級基坑皆可應用，但最適的是基坑深為8～14 m且周圍環境要求不高的情況。地下連續墻墻體剛度大，止水效果好，可應用于基坑深、周圍環境保護要求高的工程中，上海的金茂大廈、恒隆大廈以及地鐵1號線、2號線的一些地鐵車站選用的都是這一結構。一般深度大于7 m的深基坑都可考慮板式支護體系，再結合基坑深度、基坑形狀、周圍環境保護要求和挖土方法選用鋼結構和鋼筋混凝土結構形式。

2.2 優化設計計算方式

深基坑工程的計算方法對支護結構的設計有不可替代的意義，目前能應用于深基坑支護結構設計的計算方法有很多，常用的有經典理論方法、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壓力的假定；有限元分析法有彈性支點法、連續介質有限元法以及三維實體有限元法三種，其依據是基坑支護結構進行三維實體模擬。近些年來，計算機技術的飛速發展為深坑及工程支護結構設計的計算提供了一種精確且效率頗高的方法，即利用計算機的強大計算功能，通過建立有限單元體處位移-荷載函數關系，首先求得單元體上未知的位移，最后再通過已求得位移，得出相應的應變和應力。新技術的應用減小了深坑及工程支護結構的設計難度和工作量，提高了其精確性。

2.3 實時監測

為確保深基坑結構的安全性，對支護結構進行實時監測不可忽略。監測內容包括基坑周邊地表沉降監測、基坑外側土體位移監測、支撐軸力監測、圍護樁頂沉降、水平位移監測和圍護樁體位移監測五部分。監測中 dhi= hi-hi-l、dsi=（dAi×S）和 Ds=（dsi+ds2+…+dsi）是必會應用到的公式，它們是計算位移量和沉降量的最精確公式。按照施工標準，在基坑開挖前測量兩三次，基坑正常施工時每兩天測量一次是最科學的監測頻率。

3 結語

任何一個工程方面的課題發展都是理論與實踐密切結合并不斷相互促進的結果。基坑工程的發展往往是一種新支護型式的出現帶動新的分析方法的產生并遵循實踐、認識、再實踐再認識的規律，而走向成熟。近些年來，建筑業的迅速發展也使建筑設計人員加快了對深基坑工程支護結構設計的步伐。目前，深基坑工程采用最多的支護結構有混凝土圍護墻、土釘墻支護、樁排支護、地下連續墻和板式支護體系等，支護結構類型要根據建筑的土質、水位和周圍環境選擇。除了合理選擇支護結構類型之外，對支護結構的實時監測也是一種提高深基坑工程支護結構安全性的方法。

1 張尚根，趙佩勝.基坑開挖過程中支護結構內力及變形分析[J].工業建筑，2000，30（3）：17-20.

2 高文華，楊林德，沈蒲生.軟土深基坑支護結構內力與變形時空效應的影響因素分析[J].土木工程學報，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 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500(2017)08-0136-03

2017-07-15

黎佳初（1986-），男，廣西賓陽人，工程師，研究方向：水文地質工程地質環境地質。