高层建筑地下基坑支撑结构设计分析

王春彩　任永明

目前，我国高层建筑的基坑支撑结构设计需要新型的设计方案。在保证施工质量的同时，降低施工的时间成本与经济成本。下文研究分析了我国高层建筑地下基坑支撑结构设计中存在的缺陷与问题，并结合实际经验进行了改进，希望能为相关高层建筑地下基坑支撑结构设计提供参考。

基坑支撑结构设计的主要特点与缺陷

为了改进我国现有的高层建筑基坑支撑结构设计，必须详细地研究我国现有的基坑支撑结构设计的主要特点，了解其中的设计缺陷，并根据这些缺陷提出相应的改进措施。传统基坑支撑结构设计主要有以下四个特点：

1.破坏周边建筑地基结构

通常，高层建筑的基坑深度较大，且周边常有现有建筑。因此在进行高层建筑的基坑支护结构施工时，必定会危及周围建筑物的安全。在城市中心修建高层建筑时，由于周边建筑修建年代比较久远、基础埋深较浅，若不对基坑进行有效支撑，基坑出现较大变形或失稳后，将危及周边现有建筑。

2.地基结构容易受降水影响

高层建筑的地基基坑深度较大，通常基坑底板比地下水水位低。为便于基坑及基础施工，必须对基坑进行人工降水。人工降水后，易引起周边现有建筑的基础沉降。

3.基坑支撑结构施工影响大，必须提前规划

一般的，高层建筑的施工范围比较狭小，且施工工地往往在建筑群中间，人流密度较大。在进行建筑的基坑支撑结构施工时，必须提前做好规划。施工前通知周边的住户，同时需要与有关部门取得联系，避免基坑支撑结构施工对地下公共设施的破坏。

4.地基施工工序复杂

高层建筑的基坑支撑结构设计时，必须提前考虑施工顺序。建筑群施工难度远远大于单体高层建筑的地基施工。因为不同的建筑，基坑深度也不相同，一般按照先深后浅的工序进行。如果先进行浅地基的结构施工，在进行深地基的施工时，容易对前期施工的地基造成较大的破坏，不符合地基施工要求。

高层建筑基坑支撑结构设计原则

1.基坑支撑结构设计的两种极限

国际上通用的高层建筑基坑支撑结构设计的原则主要有两点依据：分别是高层建筑的地基承载能力的极限设计状态与正常使用时的极限状态。

（1）承载能力的极限设计准则

地基的极限承载能力指的是地基的支撑结构和被支护土体可以承受的最大当量。只要地基上部的当量不超过这个极限，建筑的基坑支撑结构就不会被破坏，也不会出现基坑底失稳和管涌等现象，更不会造成地基土体与支护结构的破坏。常见的桩锚支护结构的破坏模式主要有以下几种：挡土结构受弯破坏、嵌入深度不足不够造成的破坏、锚杆抗拉拔失效造成的整体失稳以及地下水造成的坑底隆起或管涌等。

（2）正常使用极限准则

正常使用极限准则指的是在支撑结构的变形很大的情况下，高层建筑仍然不会対周边建筑的平衡结构造成的破坏。

2.参照指标进行设计

在进行高层建筑的基坑支撑结构设计时，需要参照实际地基基坑的安全等级以及其他的重要指标。安全等级一级的破坏后果是支护结构破坏对基坑周边环境影响很严重，γ0为1.10；安全等级二级的破坏后果是支护结构破坏对基坑周边环境影响很小， 但对本地工程地下结构施工影响严重，γ0为1.00；安全等级三级的破坏后果是支护结构破坏对基坑周边环境及地下结构施工影响不严重，γ0为1.00。

3.基坑支撑结构的设计步骤

根据上述基坑支撑结构设计的两条准则进行设计，高层建筑的基坑支撑结构设计主要包括以下四个步骤：确定建筑整体的结构形式，并根据建筑的基坑支撑形式进行稳定性校核；计算基坑支撑结构在承受压力、弯力、剪力时的稳定性；对基坑支撑结构的内支撑进行承载力校核；对安全等级较高的高层建筑的基坑支撑结构进行水平位移校核。

高层建筑的基坑支撑结构设计

根据工程施工实例进行综合分析，基坑支撑结构设计中的注意点：

（1）基坑支撑结构设计不允许出现明显的顶部形变。

（2）如果高层建筑的地基基坑周边存在距离较近的低层建筑群，在进行基坑支撑结构设计时，建筑地基不允许有明显的水平位移。研究表明，此种情况下的支护结构所承受的水平推力应按静土压力计算。

（3）基坑支撑结构设计中的支撑结构造成的水平压力不应该过小，保证在进行基坑施工中，桩顶不产生水平位移。

（4）如果基坑支撑结构设计中允许出现适当的水平位移，伴随着水平压力的不断增加，桩侧的土压力会出现下降的趋势。

（5）如果支撑结构的水平位移继续增加，势必影响到主体结构的稳定性。因此，基坑支撑结构变形应与主体结构的变形相协调。

实例应用

1.工程概况

拟建工程位于河南省郑州市中心区，规划总用地面积112 300 m2，总建筑面积375 600 m2（包括地下室建筑面积85 000 m2）。该项目结构类型为框架、框剪结构，地下室2 层，采用桩基础。本次勘察得知48 m 深度范围内，岩性以黏性土、淤泥为主，该区的拟建场地为湿润地区弱透水环境，场地环境类型为Ⅱ类。据勘察，地下水水位为0.30～2.40 m.

2.支护方案的选定

通常根据基坑周边环境的严峻程度，结合基坑开挖深度、工程地质和水文地质条件来确定支护方式，支护方式的确定也要考虑不同环境条件约束下的基坑或基坑各边不同的“安全度”。此外，支护结构要密切与施工相配合，以期整个工程的经济效益最大化。结合工程分析，本工程负一层选择采用单排混凝土灌注桩加预应力水平旋喷土锚，坑外设双轴水泥土搅拌桩进行止水，坑底加固采用水泥土搅拌桩。负二层采用竖向两道支撑、水平面四道支撑的支护形式，一道支撑上设栈桥。具体为：一道支撑设置在负一层基础底板上（底板上设牛腿），二道支撑设置在地下二层。负一、二层交界处采用钻孔灌桩结合地下一层底板拉锚进行支护，坑外设双头水土搅拌桩进行止水。该支护系统可简化为简支（外伸）梁或超静定（外伸）梁，挡土效果好，土体变形可得到有效限制。

3.支护效果及质量检验

主要包括在基坑开挖前后和支护施工过程中，对基坑边坡的水平位移和竖向沉降的监测，以及对土钉及预应力锚索受力性能的测试。

（1）位移监测

运用坐标法对基坑周边位移及护坡桩桩顶位移进行了监测，沿立柱顶共布设24 个沉降观测点，基坑底沿20 m 间隔均布设置竖向位移监测点。监测周期为：在基坑开挖期间，每天监测一次；开挖结束后以7 d 为增量加大监测时间间隔，具体要结合边坡变形情况而定。根据监测数据汇总分析，坡顶水平位移最大值为12.1 mm，桩顶水平位移最大值为4.3 mm，地面及基底竖向位移均在10 mm 以内，基坑整体变形量微小。

（2） 预应力桩锚抗拔试验

按照规范进行预应力锚索的抗拔试验，以检验其受力状态及施工质量。预应力桩锚共试验4 根，试验结果见表1。

试验结果表明，土钉及预应力锚索极限抗拔力均高于其设计拉力，在试验过程中均未发生失稳现象，说明其力学性能发挥正常，支护效果良好。

结语

通过以上分析可知，高层建筑基坑支护方案应根据基坑的地质条件、周边建筑影响程度、地下水情况等综合确定，基坑支撑结构设计原则应根据破坏影响后果和变形要求确定，基坑支撑结构变形必须与主体结构的变形相协调。