城區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計與優(yōu)化方法研究

湯維武 蘇志剛 蒲剛

摘 要：基坑工程一直是我國建筑工程的熱點問題，基坑工程指的是在地表以下開挖一個地下空間并配備配套的支護(hù)體系，基坑工程與工程地質(zhì)、支護(hù)設(shè)計與施工、氣候變化、場地環(huán)境等多種因素有關(guān)，而基坑支護(hù)通過采用加固、支擋等保護(hù)措施對基坑周圍環(huán)境進(jìn)行保護(hù)，來確保基坑順利施工。城區(qū)基坑支護(hù)的設(shè)計與施工是城市基本建設(shè)的關(guān)鍵問題，細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計和方案設(shè)計是城區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計與優(yōu)化的兩個方面，這兩個方面相互影響，城區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計與優(yōu)化的基本原則就是將方案設(shè)計與細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計放入一個統(tǒng)一體中進(jìn)行分析。本文通過研究各種支護(hù)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計與優(yōu)化的實現(xiàn)途徑，給出了城區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計與優(yōu)化的原則、方法和流程，希望對我國城區(qū)基坑支護(hù)工程有所幫助。

關(guān)鍵詞：基坑支護(hù)；設(shè)計；優(yōu)化

引 言

基坑工程是一個古老的巖土工程項目，基坑工程中的放坡開挖技術(shù)與木樁圍護(hù)技術(shù)在遠(yuǎn)古時代就已經(jīng)出現(xiàn)，上世紀(jì)80年代以來，隨著我國改革開放的不斷深入，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提高，隨著城市中高層建筑數(shù)目明顯增多，地下空間開發(fā)利用的深度和規(guī)模不斷加深，對基坑工程的要求越來越高，基坑工程的深度和規(guī)模也隨之加深。基坑支護(hù)設(shè)計與優(yōu)化又是巖土力學(xué)學(xué)科中比較復(fù)雜的問題，因此在基坑支護(hù)設(shè)計方面還存在很多問題，工程事故常有發(fā)生，合理的選擇支護(hù)方案，根據(jù)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計理念建立起城區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計與優(yōu)化的模型，并利用該模型尋找最合適的設(shè)計和優(yōu)化方法，是減少工程事故，提高工程質(zhì)量的關(guān)鍵，對我國的城市發(fā)展具有十分重要的意義。

1 我國城區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計現(xiàn)狀

基坑支護(hù)是基坑工程中的臨時結(jié)構(gòu)，在基坑回填之后就失去了它的存在價值，而且基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的成本較高，我國城區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計現(xiàn)狀并不樂觀。

（1）城區(qū)基坑周圍一般都有早期建筑，這些早期建筑一般為砌體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對地基擾動和沉降比較敏感。

（2）目前，我國大多數(shù)城區(qū)的基坑支護(hù)一般都由施工單位進(jìn)行設(shè)計，而技術(shù)設(shè)計人員的設(shè)計水平不高，基坑支護(hù)設(shè)計本身的缺陷比較大，安全隱患比較多，有些施工單位安全儲備少，發(fā)生安全事故的可能性比較大，而有的施工單位盲目增加安全儲備，又造成工程成本的嚴(yán)重浪費。

（3）城區(qū)基坑周圍管線密集，而且上下水管線運行的時間很長，很多地方都出現(xiàn)跑漏問題，對基坑邊坡也造成了一定的威脅，而且早期的供氣管道和鑄鐵管對基坑地基的擾動和沉降也很敏感。

（4）由于基坑工程的施工時間較長，基坑暴露的時間也比較長，基坑工程的施工人員比較大，倘若基坑支護(hù)失去穩(wěn)定性，很容易造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會造成人員傷亡。

（5）國家對基坑支護(hù)設(shè)計與優(yōu)化的監(jiān)督管理力度不夠，業(yè)主對基坑支護(hù)設(shè)計與優(yōu)化的意識也不強，因此，我國的基坑支護(hù)設(shè)計與優(yōu)化在工程監(jiān)督管理方面存在著很大的問題。

2 城區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計與優(yōu)化原理

2.1 設(shè)計準(zhǔn)則

城區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計的準(zhǔn)則包括：穩(wěn)定性和強度控制設(shè)計、變形控制設(shè)計、可靠性設(shè)計理論三個方面。

2.1.1 穩(wěn)定性和強度控制設(shè)計

穩(wěn)定性和強度控制設(shè)計時我國最傳統(tǒng)的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，變形量很小或?qū)ψ冃螞]有嚴(yán)格要求的基坑工程一般采用此方法進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，它要求基坑支護(hù)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力滿足穩(wěn)定性和強度要求。

2.1.2 變形控制設(shè)計

變形控制設(shè)計分為變形預(yù)測分析、變形動態(tài)設(shè)計、控制目標(biāo)確定、時域性問題分析四個方面，變形控制設(shè)計是對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形檢測，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠保持在工程安全允許的范圍內(nèi)。變形和穩(wěn)定是基坑支護(hù)設(shè)計的重要組成部分，特別是當(dāng)基坑收到相鄰建筑物的限制和處于軟土地區(qū)時，基坑支護(hù)的設(shè)計就要對變形有十分嚴(yán)格的要求，變形控制設(shè)計是在穩(wěn)定性和強度滿足要求的前提下，深化設(shè)計內(nèi)容，深度挖掘設(shè)計內(nèi)涵，提高設(shè)計水平的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

2.1.3 可靠性設(shè)計理論

基坑支護(hù)系統(tǒng)的承載力和變形參數(shù)都不是固定值，而且支護(hù)系統(tǒng)中含有很多隨機性和可變性因素，因此，利用可靠性設(shè)計理論，對基坑支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行原理分析，并按照極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計已經(jīng)成為基坑支護(hù)設(shè)計的發(fā)展趨勢。目前，我國城區(qū)建筑物在上部結(jié)構(gòu)設(shè)計方面已經(jīng)采用了可靠性設(shè)計理論，但在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時仍然采用傳統(tǒng)的定值設(shè)計方法，這就使工程存在很多不協(xié)調(diào)的問題，因此，利用可靠性設(shè)計理論進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，與建筑物的上部結(jié)構(gòu)想銜接，是目前我國基坑工程中急需解決的問題。

2.2 計算理論

根據(jù)正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)，基坑支護(hù)的設(shè)計應(yīng)按照以下規(guī)定進(jìn)行計算：

（1）根據(jù)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受彎、受剪、受壓承載力進(jìn)行計算；

（2）根據(jù)基坑支護(hù)受力特點和形式進(jìn)行穩(wěn)定性計算；

（3）對支撐和錨桿進(jìn)行穩(wěn)定性和承載力的計算；

（4）對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形有限定的二級建筑基坑側(cè)壁和安全等級為一級的基坑進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和基坑周邊環(huán)境的計算；

（5）根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求對地下水抗?jié)B透穩(wěn)定性、基坑底突涌穩(wěn)定性及地下水水位控制進(jìn)行計算。

3 城區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計與優(yōu)化方法

3.1 基坑支護(hù)類型

按照開挖方式可將基坑支護(hù)進(jìn)行以下分類：

3.2 城區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計與優(yōu)化流程

3.3 城區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計與優(yōu)化方法擬定

3.3.1 城區(qū)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)類型選擇的依據(jù)

（1）基坑場地的形狀、寬度、深度，基坑的幾何尺寸；

（2）基坑工程水文條件及地質(zhì)條件，包括地表水位、地下水分布情況、承壓氣體、承壓含水層的情況及巖土力學(xué)參數(shù)和勘探資料內(nèi)容的測試方法；

（3）城區(qū)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的地震載荷、地面載荷、風(fēng)載荷、側(cè)向載荷及垂向載荷；

（4）城區(qū)基坑開挖及排水方法

（5）城區(qū)基坑周圍地區(qū)的性質(zhì)，基坑周圍交通運輸情況和道路狀況，基坑周圍河流、水域分布情況，基坑周圍建筑物狀況和建筑物所采用的基礎(chǔ)類型，基坑周圍公共設(shè)施及生命線分布情況，基坑所處城市特殊的環(huán)境狀況和對基坑施工的特別要求；

（6）建筑物的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的要求；

（7）各種基坑支護(hù)技術(shù)的特點和適用范圍；

（8）基坑所處地方原有的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式及類似的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在工程施工中成功或失敗的案例，從中吸取經(jīng)驗和教訓(xùn)；

（9）有關(guān)部門規(guī)定的基坑支護(hù)的規(guī)范指南和設(shè)計流程；

（10）業(yè)主對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的要求。

3.3.2 確定基坑側(cè)壁安全等級

根據(jù)土體失穩(wěn)、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、大變形對地下結(jié)構(gòu)施工和基坑周圍環(huán)境造成的影響程度，可將基坑側(cè)壁的安全等級分為三種級別。如果土體失穩(wěn)、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、大變形對地下結(jié)構(gòu)施工和基坑周圍環(huán)境造成的影響很嚴(yán)重，那么基坑側(cè)壁的安全等級為一級，如果影響程度一般，那么基坑側(cè)壁的安全等級為二級，如果基本無影響，那么基坑側(cè)壁的安全等級為三級。

3.3.3 選擇基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)類型

每種基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)類型都有其獨特的特點和適用范圍，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)類型選擇的基本原則是根據(jù)基坑工程的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、基坑開挖的深度、基坑的尺寸大小、平面形狀及支護(hù)工程的現(xiàn)場施工經(jīng)驗，選擇最適合該工程的基坑支護(hù)類型。在工程滿足經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠、便于施工的條件，那么基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)類型的選擇可以按照流程圖1進(jìn)行。在場地條件允許的前提下，可以采用無支護(hù)開挖方案，這種方案最省錢，如果場地條件不允許，那么可以采用全部土釘墻方案或者是上部放坡+下部土釘墻、上部放坡+下部樁、上部土釘墻+下部樁方案。在土釘墻方案不可行的情況下，可以采用水泥攪拌方案、單排懸臂樁和雙排懸臂樁方案，其中優(yōu)先考慮雙排懸臂樁方案。在上述方案都不可行的情況下，可以采用上部放坡+下部錨樁或上部土釘墻+下部錨樁方案，如果工程對基坑變形有特殊要求，則可以采用地下連續(xù)墻、內(nèi)支撐、錨樁方案，如果地下連續(xù)墻是地下室的外墻時，采用地下連續(xù)墻方案可以起到節(jié)約工程成本的作用。

4 結(jié)束語

城區(qū)基坑支護(hù)的設(shè)計與施工是城市基本建設(shè)的關(guān)鍵問題，也是巖土力學(xué)學(xué)科中比較復(fù)雜的問題，隨著城市中高層建筑數(shù)目明顯增多，地下空間開發(fā)利用的深度和規(guī)模不斷加深，對基坑工程的要求越來越高，城區(qū)基坑支護(hù)的設(shè)計與優(yōu)化就顯得尤為重要。本文通過對我國現(xiàn)行各種城區(qū)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點及適用范圍進(jìn)行分析，結(jié)合施工單位的設(shè)計施工經(jīng)驗，總結(jié)出了城區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計與優(yōu)化的方法，并將城區(qū)基坑設(shè)計與優(yōu)化的方法系統(tǒng)化、理論化，可以發(fā)現(xiàn)，本文總結(jié)城區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計與優(yōu)化的方法科學(xué)合理，是行之有效的。

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