深基坑工程支护结构设计及优化方法研究

陈　宇（四川智力建筑技术咨询有限公司，四川　眉山　620010）



深基坑工程支护结构设计及优化方法研究

陈宇（四川智力建筑技术咨询有限公司，四川眉山620010）

当代社会的发展飞速，城市的各种基础建设和建筑物越来越多，建筑行业的迅猛发展，建筑技术的飞速进步对其赖以立足的地底构造提出更高的要求，也使深基坑工程设计面临着更重大的挑战，即不仅要追求经济节约和经济效益，更要保障可靠和安全，同时还得控制周边环境，不破坏周边发展需求。这个挑战需要对整个施工过程和全部的深基坑工程设计方法和优化的设计理论做透彻深刻全面的研究。在大型建筑物开工前，深基坑支护结构设计方案的选择是否合理直接关系着施工建筑的质量和进度，也会影响着整个项目的经济效益和工作人员的人身安全。本文从深基坑支护结构设计方案的优化及选择角度出发，达到提高施工管理质量，优化深基坑支护结构设计方案的目的。对目前施工和深基坑支护结构设计中出现的问题的解决，保障施工的安全可靠，加快企业的稳定发展，提高社会效益都具有非常重要实际意义。

深基坑；支护结构；优化设计

引言

国内经济的飞速发展，人民生活水平的改善推动了国内房地产的兴起，建筑行业的进步，大型建筑譬如写字楼、办公楼、居民楼的出现产生了大量的深基坑的工程，其发展、安全可靠性也越来越受到人们的重视。深基坑的支护主要有几个作用，保证施工的安全可靠，稳定坑壁，同时保护了建筑周围的建筑物、构筑物和地下管线，对开挖和建造地下室，保证支护施工的经济与合理提供便利性。因此基坑支护的设计的安全性、便捷性和经济性直接影响着深基坑工程整体的质量［1］。本文以前人研究为基础，从系统工程的观点出发，深入研究了深基坑工程优化设计的基本原理，应用最优化设计理论着探讨了如何选择支护方案决策的方法。

1　建筑施工中深基坑支护的意义

基坑工程既古老却又与时俱进，烙印着时代的印记。基坑定义为在对建筑物包括构筑物基础与地下室的施工而开挖的地面以下的空间，而开挖深度等于或大于5.0m的基坑一般被划归为深基坑。在整个建筑施工过程中，挖掘深基坑的方案是整个项目正常施工的基础和关健，特别是高层的建筑物，深基坑的施工质量，直接决定了建筑物的安全性、稳定性和使用的寿命［2］。如何在已有大量建筑的市区内挖掘深基坑对基坑工程和支护技术提出了巨大的挑战和严格的要求，也加大对深基坑工程的设计理论和现场施工技术的要求，即基坑支护构造不仅要满足承载能力设计要求，还要满足地下结构施工和基坑周边环境正常使用功能的要求。所以，为了保证建筑工程周围建设的使用正常和安全性，避免挖掘基坑影响地下室和地下管道的正常使用，事先需要对施工的地面进行全面仔细的施工检测和勘察设计。在挖掘建筑物的深基坑时会遇到结构力学、液压等方面的问题，综合性很强，因此有必要进行正确有限的的理论计算。构建深基坑支护结构体系需要保证周边建筑物的安全及功能不受到影响，并且防止地下水进入基坑中，保证深基坑施工环境的干燥程度［3］。

2　深基坑支护结构的种类

深基坑支护结构种类有很多，根据地质环境、施工地貌的不同，可选择不同结构自由组合，极大的确保了深基坑支护结构的安全性和稳定性。一般的深基坑支护结构有边坡稳定结构、护坡桩与板墙结构、泥土挡墙结构、排桩支护结构、内支撑支护结构、拉锚式支护结构和复合型支护结构。边坡稳定结构有喷灌支护和土钉墙两大结构，土钉墙主要由密集的土钉群组成，通过喷射混凝土面层，确保了原位土体的牢固性。护坡桩与板墙结构主要由土层锚杆、围护墙和防渗帷幕组成；水泥土挡墙结构通常没有支撑，主要通过抗变形能力和本身重量来确保基坑坑壁安全，在某些特殊情况下，也可以采取一些方法在需要加固的局部位置加上支撑；排桩是采用密排或一定间距排列的桩组成的挡土结构，适用于侧壁安全等级为一、二、三级的基坑非软土场地当基坑不太深时可采用悬臂式，悬臂式结构在软土场地中不宜大于6.0m。当基坑较深时可与支撑、锚杆等配合组成挡土。内撑式支护结构由支护结构体系和内撑体系两部分组成。支护结构体系常采用钢筋混凝土桩排桩墙、以工法、钢筋混凝土咬合桩和地下连续墙型式。内撑体系可采用水平支撑和斜支撑。拉锚通过在在开挖基坑的稳定地层中锚固段固定一种新型受拉杆件的一端，而将另一段与工程构筑物（钢板桩、挖孔桩、灌注桩以及地下连续墙等）相联结，主要作用确保了土层或构筑物的牢固性。近几年来兴起的复合型支护体系，作为新的深基坑边坡支护方法，摒弃传统单一支护的概念，对于同一个基坑，根据不同的地质条件和环境条件，因地制宜地采用多种支护手段支护深荃坑的边坡土体。

3　深基坑支护结构的设计流程

基坑工程的设计内容，通常包括：支护结构体系方案的选型和对比，支护结构的变形和强度计算，围护墙的抗渗计算，基坑稳定性验算，降水方案，挖土方案，环境保护和监测方案。在深基坑工程的设计内容和依据下，对建筑物总平面配置、基坑开挖范围及深度、工程勘察资料、建设单位要求、相关规范及技术标准等方面进行调查收集资料；然后分析周边现状建筑物状况、周边管线状况、周边交通状况、相邻地区基坑设计施工经验、主体结构配置要求；根据这些分析，对基坑安全等级、岩土参数选取、重要性参数进行设计，完成初步设计，在初步设计完成以后，进行对支护开挖、基坑降水或排水方案的设计，最后进行稳定性的运算，如果满足强度控制、变形控制，那么再进行施工图的设计［4］。

4　基坑支护结构的设计原则与方法

在进行基坑支护结构设计时，其一般应遵循的设计原则是：①重视基本理论的指导作用；②设计中计算分析全面，避免“漏项”，并且应考虑各种不利条件下的“工况”；③做好基坑工程总体方案的选择；④做好地下水和地表水的控制；⑤充分运用“时空效应”的概念解决支撑工作和软土地区基坑开挖中遇到的难题，科学合理的制定支撑和挖土方案，减少位移、保证基坑安全；⑥认真仔细监测工期，如果出现异常情况，应立即采取有限措施解决问题；⑦研究和应用己有的基坑工程行业的和地区性规范以及当地的工程经验。以以上原则为依据选定合理的的设计方法。在设计基坑支护结构时，应当根据极限环境下的状态表达式进行计算，同时需要划分支护结构的极限状态，一般以正常使用极限状态和承载能力极限状态和为主。正常使用极限状态其所对应的状况是支护结构产生严重变形已妨碍了结构施工甚至于影响到了周边建筑的正常使用。承揽能力极限状态是指支护结构已承受了最大限度的压力甚至于土体变形严重、存在着失稳从而破坏了基坑周围环境和支护结构。因此在设计基坑支护结构时，需要计算其承载力极限状态，通过计算支撑的承载力和稳定性、土体稳定笥、结构承载力及锚杆后，从而对极限状态进行掌握。另外对于支护结构变形有限定的基坑侧壁，则还需要验算基坑周边环境及支护结构变形的情况。

5　深基坑支护结构优化设计

（1）深基坑支护结构优化方案的选择在深基坑支护结构工程中，其深基坑支护结构优化方案的选择要考虑到深基坑开始挖掘时有关土壤以及土壤中地下水等造成的影响，所以深基坑支护结构方案的选择要根据施工地点的地下土壤情况、深基坑的挖掘深度等因素综合考虑并选择合适的深基坑支护结构方案。

（2）优化深基坑支护结构方案设计的参数

优化桩与桩径间距。桩与桩径的间距是直接影响了支护结构的经济性及稳定性。一定范围，桩间距的变大会影响基坑的变形。减小桩间距会增加桩数量，提高造价，并且不能充分发挥桩间土体的承受能力。增大桩间距，会造成桩间土体不稳从导致其从桩间滑落。所以科学合理选择桩间距十分重要，合理的桩间距能充分发挥土拱效应，既保证了经济效益，也确保了基坑的稳定性。

优化嵌固深度。设计深基坑支护结构中，设计桩所嵌固的深度是关健，过浅的嵌固深度会降低基坑稳定性。过深的嵌固深度无法保证支护结构的稳定性，同时会额外的消耗资源能源，加重经济成本。因此，对合理的选择桩的嵌固深度非常重要，需要根据安全及经济两个方面的平衡来选择。

在实际施工中，深基坑支护可以选择的类型较多，所以需要根据施工的具体情况及相关的工程经验来进行选取，同时基坑支护作为一种结构体系，要设计时要充分地满足稳定性和变形的要求，具有良好的承载能力。同时在设计时还要根据具体的水文和地质条件来进行分析，从而确保支护结构的安全性、适用性和经济性。

［1］肖荣军，史宏彦，杨雪强.深基坑排桩支护结构设计方法研究进展［J］.土工基础，2013（3）：50～53.

［2］朱占国，赵 文，李慎刚，纪新博，唐志扬.地铁深基坑支护结构计算方法研究［J］.地下空间与工程学报，2013（5）：1109～1114.

［3］朱桂春，刘兴鑫，韩武娟.深基坑桩锚支护体系的受力变形研究及优化设计［J］.安全与环境工程，2012（1）：124～128.

［4］唐鹏，程怀江.基于变形控制的深基坑工程土钉支护设计优化研究［J］.工程与建设，2012（6）：813～816.

陈 宇（1981-），男，本科，主要从事岩土勘察、地基处理、基坑和边坡支护等工作。

TU753

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2095-2066（2016）14-0149-02

2016-4-29