高层建筑深基坑支护受力稳定性分析

关戈

淮北矿业（集团）工程建设有限责任公司

一、引言

高层建筑是我们国家当代用来进行城市建设的主要标识之一，同时高层建筑的建设也能够有效地反映出一个城市的经济发展水平以及先进的技术水平，不仅如此，它也能够将土地资源在最大的程度上进行更加合理地利用。由于一个国家经济社会的持续发展和提高，人民的生活条件已经获得了明显的提高，使得人们在对高层建筑的结构及其设计上有着极为严苛的要求。当前我们国家现阶段存在的绝大多数高层建筑，均处在综合性的发展阶段，这阶段的建筑可以为人民的居住提供更加优越的生活环境以及便利的工作环境。一旦危险的不可抗力发生，其破坏的范围会很广而且危害程度会很大，这就会使人民的生命财产安全受到严重的威胁。在此地区进行深基坑施工的过程中，在很大程度上均会遭遇到不可抗力的威胁事件发生。因此，在大中型高层建筑中的钢板桩、排桩和深层搅拌混凝土桩等基础支撑构件，在施工初期和保养时期的防震功能都比较弱，而如果遭受到自然灾害等不可抗力情况的出现后，其本身结构就必然会遭受到损伤，最严重的就会冲击地基的框架使得其结构发生倒塌，从而导致了施工事故的出现，更严重的话就会给施工者的人身安全带来一定的危害。所以，就必须对大中型高层建筑的较深基坑支撑结构受力的安全性加以研究，有效保障了大中型高层建筑结构在遭受到严重破坏的同时，也可以切实保障居民的生命财产安全。

二、深基坑支护特点

1.概述

在工程施工中，一般深基坑是指开挖深度大于等于5 米或地下室三层以上（含三层），或虽深度不超过5 米，但地质条件和周围环境及地下管线特别复杂的工程。确定深基坑的意义在于是否需要单独进行支护设计，这一点对控制工程造价具有重要意义。

2.特点

深基坑支护工程要按安全等级及设计使用年限定性分析。目前深基坑支护工程多为临时性工程，其设计使用年限不得超过2 年，与永久性工程相比（基坑上部除永久性支护外），它安全系数小，在有关规范中尚无统一结论。因深基坑支护对其安全有较多的影响人素，在这些因素中，开挖完成后地质条件复杂程度及深基坑周围环境制约比较突出，现就深基坑支护的特点总结如下：

（1）开挖范围越大，深度越大。

（2）周围的环境越复杂施工的难度也就越大。

（3）工程地质、水文地质条件愈差，设计验算指标愈大。

（4）工程事故频繁发生。

（5）支护型式多样化。

基坑工程和主体结构地下室施工关系密切：基坑工程实践性强，新材料，新种类，新工艺必将引领科学技术发展。同时深基坑支护大多分布于建筑密度及人口密度较大的狭窄场地上，所以深基坑支护除了以上特征之外，还有较大的模糊性，不确定性甚至是突发性。

三、工程概况

本文以某高层建筑办公楼为例，对上述阐述的问题进行实例分析与验证。某大型高层建筑办公楼一共有25 层，其中3 层楼是地下车库，而在该建筑物的四周将会产生基坑的边坡，其深度约在2.5m～12.5m 左右；在地基下方必须加以开挖并要挖深至基础岩部，所开挖的岩层厚度必须在2m 以下，这样产生了土层岩石混合的地基边坡，同时还会产生一定的土质地基。基坑山体边坡的回填方法均采用人工回填，总体的厚度相对较大，且里面的主体材料由砂石、泥岩残粒脂蛋白碎石还有少部分的工程废渣构成，并且局部范围内还会存在少量的卵石，总体的回填期限在2～3 月之间，里面的构造主要是稍密居多，构造层次也是较为杂乱而且回填的平整度相对比较不好。按照基坑以及路堤边坡的组成构造分析，该基坑结构比较容易就会出现坍塌，并且相对于其它结构会比较深一点（最深的距离可以达到12.5m）。为了可以保证该基坑以及整个建筑物的安全与正常使用，就需要对该高层建筑的深基坑进行有效支护。

四、深基坑支护受力施工

1.土钉墙的边坡支护

土钉墙主要是在不扰动土层结构的前提下，所进行的加筋支护技术。将深基坑的边坡利用钢筋制成的土钉进行加固处理，在整体的表面上铺设一层钢筋网，并需要在其上面喷射一层砼面层，从而跟深基坑的边坡相互结合。整体的构造是将边坡中的土钉与周围结构进行紧密结合的一种复合式结构，并在表面所形成一种类似于重力挡土墙的结构。土钉墙支护施工技术所采用的方式是自上而下的分层施工，并且需要按照相关要求进行严格的分层施工，以此来保证在施工的过程中整体结构的安全。使用机器进行开挖后，也需要利用人工对边坡的细节进行修正，将其误差控制在±15mm。利用土钉墙完成支护的施工顺序则如下：

（1）倾斜度不大的坡地。可以使用人工来进行坡面的修正，让其维持在平整的状态，并且处理之后的要求满足相关规定后也需要与设计的尺寸保持一致。

（2）基础施工放线。根据设计图纸上的尺寸规定，使用钢尺进行孔位测量并进行相关标记，孔位的误差需要在3cm以内。

（3）施工成孔。利用机械进行施工成孔，孔位的直径为100mm，需要对开孔区域以及角度之间存在的误差进行严格的控制，钻孔时倾斜的角度要在2°以内。在进行土钉的制作以及安装的过程中，每1m 的土钉主要钢筋处需要同时配备一套Φ8.0 的锚栓定位器对其进行加固，将其放在所形成的孔洞内部。而在土钉墙施工的过程中比较适合的方法就是钻孔法，一旦施工过程中遇到无法处理时，就可以利用52 号钢管来对其进行钻孔处理，并在钢管顶端的1/3 处设置一个喷浆孔，每个部分有两个且间隔要在120mm 左右，灌浆孔的直径需要设置在7mm。钢管整体的长度无法达到施工所规定的标准时，需要对其进行拼接处理，在拼接过程中需要选择大一个型号的钢管作为拼接处的接头进行加固处理，而此钢管的长度需要在钢管直径的五倍以上，拼接处需要进行焊接的处理；同时，加强处的接头也可以变成直径的接头。对两个钢管同时起到承插的作用来进行相互的拼接，拼接处仍然需要进行焊接处理。

（4）建筑工程注浆。使用相对纯的水泥砂浆或者是M30水泥砂浆，将其注入至管内并使用搅拌器进行搅拌，随后将导管插入至孔内至少在50mm 以上，使用注浆泵对其进行加压处理，砂浆可以通过导管进入到孔洞的底部，完成后在导管抽出后再进行补浆处理。将土钉全部完成之后，使其跟已经编制好的钢丝网进行相互连接，防止其出现变形的现象。对“井”字型的锚杆进行焊接，再对其喷射厚度在100mm 的混凝土。一旦砂石岩层中无法进行钻孔的情况下，则需要选择52 号钢管并且保证其厚度在5mm，对其灌注1/2 水灰比的水泥砂浆。需要特别注意的是，注浆的压力要在0.75MPa以上，且注浆之后需要维持3min 不对其进行移动。

（5）边坡锚喷。对其进行锚喷支护的过程中，使用的混凝土需要先经过试验来确定其配比，其中粒径最大不许超过15mm，并且水灰的比例要在0.5～0.75 之间，将用来进行喷射的混凝土搅拌均匀后在2.5 小时内使用完毕，也可以在其中可以额外增加添加剂，来使其可以达到预期所期望的效果。钢筋网之间的拼接长度要维持在350mm 以上，与斜坡之间保持一定的距离，并且其厚度要在25mm 以上，将其与土钉进行紧密的结合。喷射过程中射程距离需要控制在1m 左右，进行喷射时需要分阶段进行，自下而上进行且每次喷射的厚度要在50mm 以上。喷浆的路径需要在基坑钢筋网有效长度内进行，不将其喷入到混凝土中，在跟下一层钢筋网相互连接处进行扎绑，随后才可以在下层的墙体处进行混凝土喷射，并且对于接缝处的处理需要采用45°斜交的方式进行，随后便完成利用土钉墙对边坡进行支护的施工。

2.深层搅拌桩的地基支护

使用三轴深层搅拌桩对地基进行支护施工时，需要经过定位、布线、挖掘、钻孔、施工以及成桩保护等。其中，挖掘导沟主要就是使用挖掘机沿着围护结构内部的控制线进行挖掘，整体的宽度在1.5m 左右，深度在1.5m～2m 之间。进行注浆之前，需要对所需要的注浆材料进行实现准备，保证配比以及材料质量，使其能够满足相关规定的同时，也可以满足施工设计的要求。使用钻机进行搅拌过程中，需要使螺杆保持在均匀转动的情况下，并且需要将误差控制在：搅拌桩底部标高±25mm；搅拌桩桩顶部标高-75mm～+120mm 之间；搅拌桩直径小于0.05D；桩基的位置小于75mm；垂直程度在0.25%左右。

第一次需要进行注浆的提升搅拌，当进行预搅拌的过程中，下降至所设计的搅拌桩底部标高之后，就需要将其上提一定距离，并同时使用压浆泵对其进行送浆的处理。此时所需要搅拌时间要在30s 左右，并且需要保证提升的速度在0.55m/min 来进行，直至其达到所设计的高度为止。在进行送浆时，压力要控制在0.5MPa 左右，此时搅拌头的旋转速度要保持在50 r/min。

第二次需要在进行下沉的搅拌，将砂浆达到所设计的高度之后，就可以停止对其送浆的施工。以0.75/min 的速度进行下沉的搅拌，到达底部后进行提升搅拌处理，以0.55/min的速度搅拌30s，直到可以达到搅拌桩桩顶部为止。

第三次需要进行最终的下沉搅拌，其下沉的搅拌速度要保持在0.75/min，在以0.55/min 的速度进行提升正转的搅拌。同时，需要对注浆的管道进行清洁处理，并且在重复套钻的过程中，也需要对墙体的连续程度以及接头的质量进行严格控制。而三轴深层搅拌桩的拼接技术以及设备运行过程中的垂直程度，也需要利用重复的套钻保持在一定品质范围内。使用三轴深层搅拌桩对地基进行支护施工的过程中，也需要同时对其想好相关的养护工作，根据相关要求需要将30 天的强度保持在1.5MPa。当三轴深层搅拌桩的强度保持在要求范围之后，就可以对围护的圈梁进行施工，可以使用350 型的挖土机将两侧的土层挖掘到圈梁底部的标高，并在圈梁的两侧支护区域进行灌浆处理。至此，完成高层建筑深基坑支护技术的全部施工。

五、应用测试与分析

为了测试此次提出的高层建筑深基坑支护施工技术，不仅可以有效预防施工过程中出现的质量问题，还可以使支护后的深基坑可以稳定受力，选择该高层建筑为实验对象，通过实验平台对其进行模拟实验，这样可以有效降低成本和不稳定因素。实验测试为受到相同环境因素影响的高层建筑，使用三种不同的施工技术，分析高层建筑发生水平位移的距离，下图1 则为此次实验测试的具体结果。

图1 不同施工技术发生水平位移对比图

由上图1 可以明显看出：使用逆作法支护技术进行挖掘后，整体发生水平位移的距离在40mm～60mm 之间；使用桩+锚索支护技术进行挖掘后，整体发生水平位移的距离在30mm～40mm 之间；而使用本文提到的支护技术进行挖掘后，整体发生水平位移的距离只在10mm～25mm 之间。通过上述数据计算可以得出，使用逆作法支护技术后，发生水平位移的平均距离为52.56mm；使用桩+锚索支护技术后，发生水平位移的平均距离为35.69mm；而使用本文提到的支护技术后，发生水平位移的平均距离只有17.25mm。可见本文所使用的支护技术在对高层建筑深基坑进行施工时，发生水平位移的距离要比传统方法少。为了使测试结果更加准确，还需要在高层建筑深基坑的支护结构施工完成后，对整体结构发生沉降的位移距离进行更近一步的测试，具体结果如下图2 所示。

图2 不同施工技术沉降曲线示意图

由上图2 可以看出：同样经过6 个月的时间，使用逆作法技术进行深基坑支护后，整体结构发生沉降的距离达到200mm；使用桩+锚索技术进行深基坑支护后，整体结构发生沉降的距离为100mm；而使用本文提到的技术进行深基坑支护后，整体结构发生沉降的距离只有45mm。可见本文所使用的支护技术，可以让高层建筑深基坑发生沉降的距离变短，证明本文的支护技术可以使高层建筑的深基坑支护更加的稳定。综上所述，使用本文技术方法对高层建筑的深基坑进行支护施工时，水平位移以及沉降位移的距离比两种传统技术方法都要短，这就表示文中的方法在实际应用方面是可以达到预期的效果。

六、结束语

此次分析在明确了解传统施工技术存在一定问题后，有针对性地解决了施工以及控制的问题，为后续其它建筑工程或者其他区域建设提供了解决问题的依据，并且还可以减少质量问题的产生。但此次提供的办法在某些程度上还不够全面，今天可以通过对混凝土进行温度控制，来配比出更加合适的施工材料，从而在各个角度都让高层建筑的深基坑支护施工都变得更加稳定与安全。