城區(qū)基坑支護設計與優(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體系，基坑工程與工程地質、支護設計與施工、氣候變化、場地環(huán)境等多種因素有關，而基坑支護通過采用加固、支擋等保護措施對基坑周圍環(huán)境進行保護，來確?；禹樌┕?。城區(qū)基坑支護的設計與施工是城市基本建設的關鍵問題，細部結構設計和方案設計是城區(qū)基坑支護設計與優(yōu)化的兩個方面，這兩個方面相互影響，城區(qū)基坑支護設計與優(yōu)化的基本原則就是將方案設計與細部結構設計放入一個統(tǒng)一體中進行分析。本文通過研究各種支護結構及其設計與優(yōu)化的實現(xiàn)途徑，給出了城區(qū)基坑支護設計與優(yōu)化的原則、方法和流程，希望對我國城區(qū)基坑支護工程有所幫助。

關鍵詞：基坑支護；設計；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與木樁圍護技術在遠古時代就已經(jīng)出現(xiàn)，上世紀80年代以來，隨著我國改革開放的不斷深入，經(jīng)濟發(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?；又ёo設計與優(yōu)化又是巖土力學學科中比較復雜的問題，因此在基坑支護設計方面還存在很多問題，工程事故常有發(fā)生，合理的選擇支護方案，根據(jù)協(xié)同優(yōu)化設計理念建立起城區(qū)基坑支護設計與優(yōu)化的模型，并利用該模型尋找最合適的設計和優(yōu)化方法，是減少工程事故，提高工程質量的關鍵，對我國的城市發(fā)展具有十分重要的意義。

1 我國城區(qū)基坑支護設計現(xiàn)狀

基坑支護是基坑工程中的臨時結構，在基坑回填之后就失去了它的存在價值，而且基坑支護結構的成本較高，我國城區(qū)基坑支護設計現(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構，這種結構對地基擾動和沉降比較敏感。

（2）目前，我國大多數(shù)城區(qū)的基坑支護一般都由施工單位進行設計，而技術設計人員的設計水平不高，基坑支護設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，倘若基坑支護失去穩(wěn)定性，很容易造成巨大的經(jīng)濟損失，還會造成人員傷亡。

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

2 城區(qū)基坑支護設計與優(yōu)化原理

2.1 設計準則

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

2.1.1 穩(wěn)定性和強度控制設計

穩(wěn)定性和強度控制設計時我國最傳統(tǒng)的基坑支護結構設計方法，變形量很小或對變形沒有嚴格要求的基坑工程一般采用此方法進行基坑支護結構的設計，它要求基坑支護的結構內力滿足穩(wěn)定性和強度要求。

2.1.2 變形控制設計

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

2.1.3 可靠性設計理論

基坑支護系統(tǒng)的承載力和變形參數(shù)都不是固定值，而且支護系統(tǒng)中含有很多隨機性和可變性因素，因此，利用可靠性設計理論，對基坑支護系統(tǒng)進行原理分析，并按照極限狀態(tài)進行設計已經(jīng)成為基坑支護設計的發(fā)展趨勢。目前，我國城區(qū)建筑物在上部結構設計方面已經(jīng)采用了可靠性設計理論，但在基坑支護結構設計時仍然采用傳統(tǒng)的定值設計方法，這就使工程存在很多不協(xié)調的問題，因此，利用可靠性設計理論進行基坑支護結構的設計，與建筑物的上部結構想銜接，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)，基坑支護的設計應按照以下規(guī)定進行計算：

（1）根據(jù)基坑支護結構的受彎、受剪、受壓承載力進行計算；

（2）根據(jù)基坑支護受力特點和形式進行穩(wěn)定性計算；

（3）對支撐和錨桿進行穩(wěn)定性和承載力的計算；

（4）對支護結構變形有限定的二級建筑基坑側壁和安全等級為一級的基坑進行支護結構變形和基坑周邊環(huán)境的計算；

（5）根據(jù)支護結構設計要求對地下水抗?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行計算。

3 城區(qū)基坑支護設計與優(yōu)化方法

3.1 基坑支護類型

按照開挖方式可將基坑支護進行以下分類：

3.2 城區(qū)基坑支護設計與優(yōu)化流程

3.3 城區(qū)基坑支護設計與優(yōu)化方法擬定

3.3.1 城區(qū)基坑支護結構類型選擇的依據(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參數(shù)和勘探資料內容的測試方法；

（3）城區(qū)基坑支護結構所承受的地震載荷、地面載荷、風載荷、側向載荷及垂向載荷；

（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，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類型，基坑周圍公共設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）建筑物的基礎結構和上部結構對基坑支護結構的要求；

（7）各種基坑支護技術的特點和適用范圍；

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

（9）有關部門規(guī)定的基坑支護的規(guī)范指南和設計流程；

（10）業(yè)主對基坑支護結構的要求。

3.3.2 確定基坑側壁安全等級

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

3.3.3 選擇基坑支護結構類型

每種基坑支護結構類型都有其獨特的特點和適用范圍，基坑支護結構類型選擇的基本原則是根據(jù)基坑工程的工程地質條件、水文地質條件、基坑開挖的深度、基坑的尺寸大小、平面形狀及支護工程的現(xiàn)場施工經(jīng)驗，選擇最適合該工程的基坑支護類型。在工程滿足經(jīng)濟合理、安全可靠、便于施工的條件，那么基坑支護結構類型的選擇可以按照流程圖1進行。在場地條件允許的前提下，可以采用無支護開挖方案，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 結束語

城區(qū)基坑支護的設計與施工是城市基本建設的關鍵問題，也是巖土力學學科中比較復雜的問題，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)基坑支護的設計與優(yōu)化就顯得尤為重要。本文通過對我國現(xiàn)行各種城區(qū)基坑支護結構的特點及適用范圍進行分析，結合施工單位的設計施工經(jīng)驗，總結出了城區(qū)基坑支護設計與優(yōu)化的方法，并將城區(qū)基坑設計與優(yōu)化的方法系統(tǒng)化、理論化，可以發(fā)現(xiàn)，本文總結城區(qū)基坑支護設計與優(yōu)化的方法科學合理，是行之有效的。

參考文獻

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