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，人們對建筑技術(shù)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(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)類型及其優(yōu)劣勢，指出了現(xiàn)在支護(hù)結(jié)構(gòu)施工中常出現(xiàn)的問題，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)致了諸多問題，如城鎮(zhèn)人口劇增、城市交通壓力加大等，為解決這些問題，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題再次被大眾所關(guān)注?；庸こ淌侵附ㄖ锏叵虏糠值氖┕そㄔO(shè)中，為了保證建筑主體的安全且減少對周圍環(huán)境的影響而采用基坑支護(hù)、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(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，對深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化是個急需解決的問題。

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)類型

深基坑工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)有很多類型，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?；炷羾o(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[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)算三個基本步驟進(jìn)行，支護(hù)結(jié)構(gòu)類型的選擇是支護(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(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)部內(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判，具體方法是建立評價層次分析結(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、建立因素集及評語集、確定模糊評判矩陣，最后做模糊變換，得到方案評價結(jié)果，根據(jù)方案評價結(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)施工中常見問題

在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，一直以來有一個問題難以解決，即經(jīng)濟(jì)性和安全性之間的矛盾，直到目前，人們還沒有提出一個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)致建筑造價過高；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，則會帶來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，基坑開挖的時空效應(yīng)、振動對支護(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)類型的選擇取決于土質(zhì)、水位、周圍建筑和道路等因素，同時還要考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性。一般來說，混凝土圍護(hù)墻最適合應(yīng)用于支護(hù)深度不超過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，要采取降水措施，而當(dāng)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(hù)，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(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，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、三級基坑皆可應(yīng)用，但最適的是基坑深為8～14 m且周圍環(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、周圍環(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號線、2號線的一些地鐵車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、周圍環(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，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)時監(jiān)測

為確保深基坑結(jié)構(gòu)的安全性，對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測不可忽略。監(jiān)測內(nèi)容包括基坑周邊地表沉降監(jiān)測、基坑外側(cè)土體位移監(jiān)測、支撐軸力監(jiān)測、圍護(hù)樁頂沉降、水平位移監(jiān)測和圍護(hù)樁體位移監(jiān)測五部分。監(jiān)測中 dhi= hi-hi-l、dsi=（dAi×S）和 Ds=（dsi+ds2+…+dsi）是必會應(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(xué)的監(jiān)測頻率。

3 結(jié)語

任何一個工程方面的課題發(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)帶動新的分析方法的產(chǎn)生并遵循實(shí)踐、認(rèn)識、再實(shí)踐再認(rèn)識的規(guī)律，而走向成熟。近些年來，建筑業(yè)的迅速發(fā)展也使建筑設(shè)計(jì)人員加快了對深基坑工程支護(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)類型要根據(jù)建筑的土質(zhì)、水位和周圍環(huán)境選擇。除了合理選擇支護(hù)結(jié)構(gòu)類型之外，對支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)時監(jiān)測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.基坑開挖過程中支護(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(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)。