建筑工程基坑支护设计分析

2021-01-12朱嘉毅

四川建筑 2021年2期

朱嘉毅

(四川省建筑科学研究院有限公司，四川成都 610000)

1 工程概况

中铁城·阅湖和庭项目规划总建筑面积约19.3×104m2，地面建筑面积14.0×104m2，地下建筑面积5.3×104m2，主要由4栋32层高层住宅。2栋29层高层住宅，3栋11层高层办公楼，2栋9层高层办公楼及单层商业建筑组成。工程局部设有地下室，其中东侧为一层地下室，西侧为两层地下室。一层地下室最大开挖深度为5.3 m，两层地下室最大开挖深度为9.55 m，基坑开挖过程中为保证基础施工安全，须对开挖形成的基坑进行基坑支护设计。

2 建筑工程基坑支护设计影响因素

2.1 基坑位置及周围环境

基坑所处的位置在较大程度上决定了基坑支护设计技术的分析与选择，主要包括地质、水文、土质，以及施工便利性等因素。水文地质主要决定了基坑支护的所需强度，必须选择有效的支护设计，避免支护软弱。此外，道路交通等周围环境因素也是基坑支护设计中需要考虑的重要因素，其涉及到后期设备、车辆等进场施工的便利性。

2.2 建设规模及使用年限

建设工程的规模，尤其是基坑开挖的周长、深度等决定了工程重要性等级，这是在基坑支护设计过程中所必须考虑的因素，结合对安全等级的具体要求，采用相应强度的支护设计。本工程案例中，一层地下室最大开挖深度5.3 m，两层地下室最大开挖深度9.55 m，所以建筑工程重要性等级为二级，基坑设计需达到的安全等级为二级。此外，在基坑设计中还需充分考虑基坑支护结构设计使用年限，一旦基坑支护结构超过使用期限后未进行回填，则需对支护体系进行安全鉴定。

2.3 基坑对周边影响

首先是对地下管线的影响，包括到电力、电信通讯电缆、污水、供水、天然气管道等，基坑施工前应再次查明这些管线位置及其埋深。结合对施工现场的详细调查，对基坑支护结构及基坑开挖进行合理设计，避免对周边居民正常生活造成不良影响。其次是地面沉降的程度。基坑开挖过程中可能会引发地面沉降问题，尤其是在使用管井降水，明挖顺作法施工时，工程施工引起地面不均匀沉降现象较为常见，应事先做好对周边道路下沉、倾斜、开裂，甚至造成破坏性影响的预防与应对措施。在施工前应在周边道路人行道上布设观测点，进行系统、全面的跟踪测量，信息化施工。根据监测结果及时调整施工方案，如出现异常情况，应立即停止施工，及时采用补救措施，确保道路安全。

3 建筑工程基坑支护设计依据与主要原则

在对建筑工程基坑支护进行设计过程中其主要依据包括施工区域的地质勘察报告、项目基础布置图、设计总图等，以及岩土工程勘察规范、建筑基坑支护技术规程、建筑深基坑工程施工安全技术规范等相关技术规范，以及相关的法律法规，确保基坑支护设计合理、合规、合法。

在对建筑工程基坑围护结构进行设计过程中，为确保其结构的稳定性、安全性，必须结合对工程规模分析确定基坑围护安全等级与结构重要性系数，进而采用结构荷载模式对围护结构进行分析，确定支护重点与可能存在的支护问题。在具体设计过程中必须充分遵守以下几个设计原则：

(1)采用动态化与信息化设计方式。基坑围护结构设计应与现场监测相结合，根据现场监测反馈信息及时进行分析，达到动态设计和信息化设计的目的。

(2)围护结构应能有效地控制变形，确保基坑与周边建筑物安全、稳定，以及四周道路、各类管线使用安全。

(3)预应力锚索应进行抗拔承载力试验。

(4)基坑土方开挖遵循分层、平衡、适时性原则。施工前应做好施工组织设计，采用分层支护设计和开挖高度应与预应力锚索的竖向间距相对应，以预应力锚索下0.5 m深为分层界限。

4 建筑工程基坑支护选型分析

4.1 基坑支护结构的形式

4.1.1 放坡开挖

这种支护形式较为适用于施工场地较为开阔，且无重要建筑物等施工条件。且建筑工程基坑支护只需确保稳定，对于位移的控制方面要求不高。具备施工成本低，土方回填量大的应用特点。

4.1.2 土钉墙支护

土钉墙支护是较为新型的基坑支护形式，能够有效弥补放坡开挖稳定性不足，或者施工条件受限的不足。这种支护结构在国内外已得到较为广泛与成功应用，技术与经济效果都较为明显。土钉墙支护结构主要是由钻孔注浆式土钉、原位土体、喷射混凝土面组成，在打入式土钉、打入注浆式土钉等不同面层有着较好的应用普遍性。值得注意的是，土钉墙支护对于土体临时自稳能力要求较高,以便为土钉墙施作预留充足时间。

4.1.3 地下连续墙支护

地下连续墙是一种是在泥浆护壁条件下，采用分槽段的方式构筑起来的钢筋混凝土墙体。这种支护形式具备刚度大、防渗性好的应用优势，对于工作复杂条件都要着较好的适用性，在水坝防渗墙以及城市建筑深基坑围护结构中都有着较好的应用效果。尤其是随着技术、施工方法、施工设备不得发展改进，地下连续墙发展至今，不但能够作为基坑施工挡墙围护结构,而且可以充当建筑主体的结构侧墙。

4.1.4 排桩支护

排桩支护结构主要采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、钢板桩及预制钢筋混凝土板桩等作为主要受力构件，实现桩与桩之前的有效连接起,钻孔灌注桩之间也可采用混凝土树根桩的形式进行连接。采用挡土板对钢板桩与钢筋混凝土板桩进行设置，可以形成严密、稳定的围护结构。此外，还可以通过设置内支撑杆来提高排桩支护的刚度与稳定性。

4.1.5 锚固支护

锚固支护指的是在排桩支护基础上在其桩顶加设一条锁扣粱，也可以在桩顶其他合适位置加设锚杆,以此改变悬臂桩受力性能。但是，对于基坑深度较深，影响因素较为复杂的基坑支护采用锚固支护会发生较多事故。因此，锚固支护只适合在深度较浅、影响因素较为简单的基坑支护设计中应用。

4.1.6 锚喷支护

锚喷支护技术应用兴起于70年代末80年代初，其原理主要是利用混凝土砂浆在高压下高速喷向受喷面，使其与土层之间产生嵌固作用，达到对边坡受力条件与侧向位移的有效改善与控制，确保边坡稳定，在大型建筑工程中的边坡治理、隧道支护等方面有着较为普遍的应用，通常是与土层锚杆和挡土板一共组成基坑支护结构。相比于其他传统边坡支护形式，锚喷支护具备更好显著的稳定性与经济性。除此之外，锚喷支护基坑，具备及时、快速、随挖随支、同步基坑开挖、不需独立工期、施工场地占用面积小的应用优势。

4.1.7 劲性水泥土搅拌桩支护

通过在水泥土桩内插入H型钢、钢管、钢板桩等方式，实现承受荷载与防渗挡水能力的有效结合,达到增强支护结构受力与抗渗性能的目的。这种支护形式在施工过程中不会产生较大噪音，进而不会对周围生活环境造成较大影响，不但结构强度较好，而且适用于所有的水泥土搅拌桩,尤其是在粘土和粉细砂为主松软地层支护中的应用效果最为明显，甚至不用另设挡水帷幕。同时能够配合多道支撑，实现对深基坑的有效支护。除此之外，劲性水泥土搅拌桩在一定条件下能够取代地下围护充当地下连续墙,若是采用一定措施对H型钢等受拉材料进行回收,其施工成本将远远小于地下连续墙，因此具备较好的发展前景。

4.2 基坑支护结构选型

对于基坑支护设计而言，其首要工作就是实现对基坑支护型式合理选择，此过程需要对工程地质条件、周边环境、不同支护型式的特点、支护造价等进行全面分析。一般来说，若是施工地质条件较好,周边环境要求较为宽松的情况可采用土钉墙等较为柔性支护方式；若是周边环境要求较高,则应考虑采用排桩、地下连续墙等刚性较好的支护方式，更好地控制水平位移。对于周边环境要求较高，但是地质条件较差的情况，应采用内支撑型的支护方式，不可采用锚杆支护，避免扰动周边土体而影响周边环境安全；同时若是基坑深度较深，应考虑采用地下连续墙加水泥拌桩的混合支护型式，确保周边环境安全。对于案例工程基坑设计而言，其关键点在于控制基坑开挖变形。基坑围护结构要求有较大的刚度，防止基坑开挖导致周边产生不均匀沉降.根据上述考虑，经综合分析计算，基坑支护采用放坡开挖支护、喷锚支护、土钉墙支护等混合支护形式。如在一层地下室各段支护在采用喷锚支护；二层地下室采用排桩支护、喷锚支护、自然放坡开挖的支护方式。

5 建筑工程基坑支护设计的优化措施

5.1 科学制定基坑支护设计方案

基坑支护设计方案将会对后续施工进行有效指导，所以非常有必要在施工前科学制定基坑支护设计方案。首先，在进行基坑土体开挖前，有关作业人员应当要对施工项目进行全面细致的了解，同时亲自到作业现场开展考察工作，对施工环节可能会产生的各类问题展开细致探讨，深入探讨作业每一环节所需要使用到的施工方法、设备、材料、作业环境与规程等，从而制定出具有较强可行性的设计方案，在确保其与施工要求相符的同时，还可以有效指导基坑支护作业的开展与管理，方便作业环节以及后期技术管理与评估。

5.2 采用有效的变形控制方法

在进行基坑设计计算时，较为简单且常用的方法就是极限平衡理论，同时其对于计算基坑支护结构设计具有一定参考意义。但是，该种理论运用到深基坑支护结构中有着一定局限性，仅可确保支护结构强度，无法达到支护结构刚度需求。如若支护结构出现变形那么会对整体建筑工程施工质量产生较大影响，所以在具体设计环节务必要将支护结构刚度与强度有效考虑在内，严格控制其变形程度在规定要求范围当中，将地面超载与平面应变情况明却下来，尽量减小其对支护结构产生的消极影响。