探討超高層建筑地下基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

田晗緯

【摘 ?要】隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市用地日漸緊張。越來越多的城市建筑不得不向高層發(fā)展，這使得基坑的深度越來越大。深基坑支撐結(jié)構(gòu)能有效保證基坑施工場(chǎng)地與周圍環(huán)境的安全性，減少在施工過程中對(duì)周邊環(huán)境的影響。為探尋更好的深基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，論文綜合對(duì)比了傳統(tǒng)的深基坑支撐結(jié)構(gòu)和與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的深基坑支撐結(jié)構(gòu)，得出在一些特殊的施工情況下，與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的深基坑支撐結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

【Abstract】With the rapid development of China's economy， urban land is increasingly tense. More and more urban buildings have to develop to high-rise， which makes the depth of foundation pit larger and larger. The supporting structure of deep foundation pit can effectively ensure the safety of foundation pit construction site and surrounding environment， and reduce the impact on the surrounding environment in the construction process. In order to explore a better design scheme of supporting structure of deep foundation pit， the paper comprehensively compares the traditional supporting structure of deep foundation pit and the supporting structure of deep foundation pit combined with the main structure， and concludes that in some special construction cases， the supporting structure of deep foundation pit combined with the main structure has obvious advantages.

【關(guān)鍵詞】城市建筑;施工;支撐結(jié)構(gòu)

【Keywords】urban building; construction; supporting structure

【中圖分類號(hào)】TU473.2;TU972 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2021）07-0191-02

1 超高層建筑地下基坑支撐結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為緩解城市用地緊張的局面，現(xiàn)在許多新建的民用住宅都選擇采用高層甚至超高層建筑的形式。而一些城市的地標(biāo)性建筑，例如，上海的中心大廈、深圳的平安金融中心、廣州的周大福金融中心等，也選擇采用超高層建筑的形式。而在超高層建筑設(shè)計(jì)中，最基本也最重要的則是超高層建筑地下基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如何既保證基坑與地下結(jié)構(gòu)安全，又保證上層建筑的穩(wěn)定，同時(shí)，兼顧速度、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等多重要求，這成為現(xiàn)階段我國(guó)超高層建筑地下基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。針對(duì)不同城市的不同地質(zhì)水文條件等，我國(guó)主要采用了放坡開挖、重力式水泥擋土墻、土釘墻支撐結(jié)構(gòu)、排樁圍護(hù)支護(hù)、地下連續(xù)墻等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式來確保基坑施工過程中和今后的日常使用時(shí)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)技術(shù)性。深基坑支撐作為基坑施工中的臨時(shí)工程，施工單位為了節(jié)省施工時(shí)所需要產(chǎn)生的支撐結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)額度，為縮短基坑施工所需要的時(shí)間，往往不夠重視深基坑支撐結(jié)構(gòu)。這就需要施工單位與設(shè)計(jì)單位通力合作，在施工的過程中，提高重視度，樹立安全意識(shí)，在施工的過程中，多與設(shè)計(jì)單位進(jìn)行溝通，了解設(shè)計(jì)目的、施工難點(diǎn)等技術(shù)問題。

2 傳統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)存在的問題

目前，在我國(guó)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在考慮土壓力的影響下，多采用放坡開挖、重力式水泥擋土墻、土釘墻支撐結(jié)構(gòu)、排樁圍護(hù)支護(hù)、地下連續(xù)墻等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式。而這些較為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式大多存在著或多或少的缺點(diǎn)。

2.1 經(jīng)濟(jì)效益問題

在傳統(tǒng)的深基坑支撐結(jié)構(gòu)中，都需要依靠支撐結(jié)構(gòu)自身材料的強(qiáng)度、剛度等安全維度來對(duì)抗來自側(cè)向的土壓力和來自結(jié)構(gòu)上方的道路和原有的建筑的自重，同時(shí)，還要考慮到道路四周汽車和人所產(chǎn)生的活荷載。這其中的鋼筋用量之大可想而知。大量的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)也被用到這些結(jié)構(gòu)來維持整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性。對(duì)于現(xiàn)代高層居民住房或商場(chǎng)，都需要2～3層地下車庫(kù)，這類建筑的設(shè)計(jì)標(biāo)高將達(dá)到16m甚至更大。在基坑四周的防水帷幕或是基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)都需要用到大量的鋼筋混凝土。地鐵是現(xiàn)代人通勤常用的工具之一，在建設(shè)大型地鐵站時(shí)，如2條地鐵線路相交的站，需要開挖的基坑深度更甚前者。地鐵站的施工通常都在城市的繁華地段，對(duì)于人們的出行帶來了困難，也為施工沿路的商鋪帶來經(jīng)濟(jì)損失。

所以這些需要大量鋼筋混凝土的基坑，還需進(jìn)行拆除工作，所需要的材料、人工以及對(duì)周邊環(huán)境的經(jīng)濟(jì)影響極大。

2.2 時(shí)間問題

施工時(shí)，施工單位需要進(jìn)行基坑的大幅開挖，并按照設(shè)計(jì)圖將土釘、混凝土樁按規(guī)定位置進(jìn)行擺放，在使用外力機(jī)器的作用下，將這些支撐結(jié)構(gòu)嵌入土中。這些傳統(tǒng)的深基坑支撐結(jié)構(gòu)大多采用順做法進(jìn)行施工。應(yīng)用順做法進(jìn)行挖土?xí)r，先挖方至設(shè)計(jì)標(biāo)高，再?gòu)南峦弦来巫龅装濉w和頂板等主體設(shè)施。所以施工無法做到地上地下同時(shí)施工，只能按照次序，由下自上地進(jìn)行施工。這個(gè)問題大幅度降低了施工單位在施工主體結(jié)構(gòu)時(shí)工作平臺(tái)的參與度，從而大幅度增加了施工所需要的時(shí)間。施工單位還需要對(duì)這些臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除，這其中也需要花費(fèi)大量的時(shí)間。對(duì)于基坑的開挖，由于有大量支撐結(jié)構(gòu)的存在，所以開挖受到限制，如大型的開挖設(shè)備進(jìn)場(chǎng)施工受到限制。傳統(tǒng)基坑支撐結(jié)構(gòu)的施工大多暴露在露天環(huán)境下，而混凝土的現(xiàn)場(chǎng)攪拌、基坑的開挖等施工行為會(huì)受到施工場(chǎng)地的氣候影響。在雨天，這些施工行為都要暫停，對(duì)于夏季多雨的南方來說，這些基坑支撐結(jié)構(gòu)所需要的施工時(shí)間也會(huì)因?yàn)榄h(huán)境因素延長(zhǎng)。

2.3 剛度問題

作為臨時(shí)支撐的深基坑支撐結(jié)構(gòu)的剛度較小，對(duì)于周邊環(huán)境因開挖深基坑而引起的變形控制能力較弱。如若控制不當(dāng)，則可能對(duì)水管、暖氣管等剛性管道帶來不可逆轉(zhuǎn)的變形。同時(shí)，地面也會(huì)發(fā)生受力不均勻而產(chǎn)生地表沉降，進(jìn)而引起地表隆起，這需要在施工后進(jìn)行基坑所在地附近的管道修復(fù)、地表整平。作為臨時(shí)性的基坑支護(hù)工程，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)建設(shè)完成之后，還需對(duì)這些支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除。這使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)不僅要承受巨大的土壓力、水壓力，還要承受拆除工程所帶來的二次受力和二次變形，在一定程度上降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，可能會(huì)帶來地下室外墻和底板收縮開裂等問題。

2.4 施工問題

超高層建筑所需要開挖的基坑深度遠(yuǎn)大于一些普通的高層建筑，而這其中也需要大量的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)。這些基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)所需要的費(fèi)用也隨之大大提升。同時(shí)，如此多且復(fù)雜的深基坑支撐結(jié)構(gòu)也大大提高了施工單位在深基坑施工時(shí)的難度。由于工藝流程的增加、施工工藝參數(shù)之間的相互限制，需減少在市區(qū)施工時(shí)對(duì)于周圍地理環(huán)境的影響，這些要素也都從方方面面提高了施工的難度。這也同時(shí)要求施工單位的施工人員具有一定的施工知識(shí)、讀圖識(shí)圖能力并且熟練地掌握并使用施工工具。

3 傳統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)問題的解決辦法

在面對(duì)上述傳統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)的諸多問題時(shí)，近年來出現(xiàn)了一種創(chuàng)新的支撐結(jié)構(gòu)體系，即與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的支撐結(jié)構(gòu)。這種支撐結(jié)構(gòu)利用地下室的外墻，同時(shí)利用地下室的梁板柱等受力構(gòu)件共同對(duì)基坑進(jìn)行支護(hù)，僅在一些施工段上運(yùn)用傳統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)。這無論是對(duì)于鋼筋用量，還是對(duì)于周邊環(huán)境的影響都較小。在一些城市建筑較為密集、臨近建筑物沉降較為敏感的地方一般都優(yōu)先采用這種支撐結(jié)構(gòu)體系。

3.1 水平構(gòu)件相結(jié)合

與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的支撐結(jié)構(gòu)體系主要依靠地下主體結(jié)構(gòu)的水平構(gòu)件——梁、板等，這些水平構(gòu)件相比于傳統(tǒng)的基坑支撐結(jié)構(gòu)，在基坑開挖過程中，能提供更大的力，支撐剛度更大，對(duì)于基坑施工時(shí)可能產(chǎn)生的水平位移、變形等都有較高的控制水平。同時(shí)，傳統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)體系在基坑施工完成之后需要進(jìn)行拆除工作，整體結(jié)構(gòu)會(huì)受到二次受力和二次變形。自然對(duì)于土體的支撐剛度變大，所以這種支撐結(jié)構(gòu)有效避免附近道路的隆起，對(duì)地下管線的影響降到最低。這樣不僅減少了施工對(duì)環(huán)境帶來的影響，也使得附近居民生活得到充分的保障。

這種與地下主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的支撐結(jié)構(gòu)無需拆除，減少了整體結(jié)構(gòu)受擾動(dòng)的可能性，整體剛度也相較傳統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)更大，穩(wěn)定性得到提高。這種結(jié)構(gòu)體系利用了地下室本本該有的受力構(gòu)件，一個(gè)構(gòu)件有2個(gè)用處：在基坑施工過程中，作為基坑的支撐結(jié)構(gòu);在整個(gè)工程竣工后，又作為地下室的承力結(jié)構(gòu)。該支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路十分新穎，相比于傳統(tǒng)的受力構(gòu)件，不必進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，這種一舉兩得的支撐結(jié)構(gòu)，大大減少了在基坑施工過程中基坑支護(hù)所需要的鋼筋。因此，在這種設(shè)計(jì)思路下，鋼筋用量也隨之大大減少，隨之而來的則是施工單位經(jīng)濟(jì)效益的提高。

3.2 豎直構(gòu)件相結(jié)合

與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的支撐結(jié)構(gòu)體系則主要依靠地下主體結(jié)構(gòu)的豎直構(gòu)件——墻、柱等。在基坑支撐結(jié)構(gòu)體系中，施工完成的地下室外墻也同樣能承受來自水平方向的土壓力。地下室外墻就成為永久性的支撐結(jié)構(gòu)體系，安全性也得到提高。同樣地，這樣的結(jié)構(gòu)體系也減少了施工工程中的鋼筋用量。

4 結(jié)語

當(dāng)前，在周圍建筑較多的城市施工時(shí)，越來越多的設(shè)計(jì)方案采用與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案有著費(fèi)用低、施工快、影響小的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)無不契合了城市施工的要求。在超高層建筑的基坑支撐結(jié)構(gòu)施工時(shí)，應(yīng)注重對(duì)施工場(chǎng)地的監(jiān)測(cè)，重視施工時(shí)可能引起的土體偏移等不良現(xiàn)象，對(duì)于產(chǎn)生的不良影響需采取有效的結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)方案。在目前研究技術(shù)水平不斷得到提高的大環(huán)境下，針對(duì)超高層建筑深基坑支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)會(huì)在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)突破。

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