城区基坑支护设计与优化方法研究

汤维武 苏志刚 蒲刚

摘 要：基坑工程一直是我国建筑工程的热点问题，基坑工程指的是在地表以下开挖一个地下空间并配备配套的支护体系，基坑工程与工程地质、支护设计与施工、气候变化、场地环境等多种因素有关，而基坑支护通过采用加固、支挡等保护措施对基坑周围环境进行保护，来确保基坑顺利施工。城区基坑支护的设计与施工是城市基本建设的关键问题，细部结构设计和方案设计是城区基坑支护设计与优化的两个方面，这两个方面相互影响，城区基坑支护设计与优化的基本原则就是将方案设计与细部结构设计放入一个统一体中进行分析。本文通过研究各种支护结构及其设计与优化的实现途径，给出了城区基坑支护设计与优化的原则、方法和流程，希望对我国城区基坑支护工程有所帮助。

关键词：基坑支护；设计；优化

引 言

基坑工程是一个古老的岩土工程项目，基坑工程中的放坡开挖技术与木桩围护技术在远古时代就已经出现，上世纪80年代以来，随着我国改革开放的不断深入，经济发展水平不断提高，随着城市中高层建筑数目明显增多，地下空间开发利用的深度和规模不断加深，对基坑工程的要求越来越高，基坑工程的深度和规模也随之加深。基坑支护设计与优化又是岩土力学学科中比较复杂的问题，因此在基坑支护设计方面还存在很多问题，工程事故常有发生，合理的选择支护方案，根据协同优化设计理念建立起城区基坑支护设计与优化的模型，并利用该模型寻找最合适的设计和优化方法，是减少工程事故，提高工程质量的关键，对我国的城市发展具有十分重要的意义。

1 我国城区基坑支护设计现状

基坑支护是基坑工程中的临时结构，在基坑回填之后就失去了它的存在价值，而且基坑支护结构的成本较高，我国城区基坑支护设计现状并不乐观。

（1）城区基坑周围一般都有早期建筑，这些早期建筑一般为砌体结构，这种结构对地基扰动和沉降比较敏感。

（2）目前，我国大多数城区的基坑支护一般都由施工单位进行设计，而技术设计人员的设计水平不高，基坑支护设计本身的缺陷比较大，安全隐患比较多，有些施工单位安全储备少，发生安全事故的可能性比较大，而有的施工单位盲目增加安全储备，又造成工程成本的严重浪费。

（3）城区基坑周围管线密集，而且上下水管线运行的时间很长，很多地方都出现跑漏问题，对基坑边坡也造成了一定的威胁，而且早期的供气管道和铸铁管对基坑地基的扰动和沉降也很敏感。

（4）由于基坑工程的施工时间较长，基坑暴露的时间也比较长，基坑工程的施工人員比较大，倘若基坑支护失去稳定性，很容易造成巨大的经济损失，还会造成人员伤亡。

（5）国家对基坑支护设计与优化的监督管理力度不够，业主对基坑支护设计与优化的意识也不强，因此，我国的基坑支护设计与优化在工程监督管理方面存在着很大的问题。

2 城区基坑支护设计与优化原理

2.1 设计准则

城区基坑支护设计的准则包括：稳定性和强度控制设计、变形控制设计、可靠性设计理论三个方面。

2.1.1 稳定性和强度控制设计

稳定性和强度控制设计时我国最传统的基坑支护结构设计方法，变形量很小或对变形没有严格要求的基坑工程一般采用此方法进行基坑支护结构的设计，它要求基坑支护的结构内力满足稳定性和强度要求。

2.1.2 变形控制设计

变形控制设计分为变形预测分析、变形动态设计、控制目标确定、时域性问题分析四个方面，变形控制设计是对基坑支护结构进行变形检测，确保支护结构能够保持在工程安全允许的范围内。变形和稳定是基坑支护设计的重要组成部分，特别是当基坑收到相邻建筑物的限制和处于软土地区时，基坑支护的设计就要对变形有十分严格的要求，变形控制设计是在稳定性和强度满足要求的前提下，深化设计内容，深度挖掘设计内涵，提高设计水平的基坑支护结构设计方法。

2.1.3 可靠性设计理论

基坑支护系统的承载力和变形参数都不是固定值，而且支护系统中含有很多随机性和可变性因素，因此，利用可靠性设计理论，对基坑支护系统进行原理分析，并按照极限状态进行设计已经成为基坑支护设计的发展趋势。目前，我国城区建筑物在上部结构设计方面已经采用了可靠性设计理论，但在基坑支护结构设计时仍然采用传统的定值设计方法，这就使工程存在很多不协调的问题，因此，利用可靠性设计理论进行基坑支护结构的设计，与建筑物的上部结构想衔接，是目前我国基坑工程中急需解决的问题。

2.2 计算理论

根据正常使用极限状态和承载力极限状态，基坑支护的设计应按照以下规定进行计算：

（1）根据基坑支护结构的受弯、受剪、受压承载力进行计算；

（2）根据基坑支护受力特点和形式进行稳定性计算；

（3）对支撑和锚杆进行稳定性和承载力的计算；

（4）对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁和安全等级为一级的基坑进行支护结构变形和基坑周边环境的计算；

（5）根据支护结构设计要求对地下水抗渗透稳定性、基坑底突涌稳定性及地下水水位控制进行计算。

3 城区基坑支护设计与优化方法

3.1 基坑支护类型

按照开挖方式可将基坑支护进行以下分类：

3.2 城区基坑支护设计与优化流程

3.3 城区基坑支护设计与优化方法拟定

3.3.1 城区基坑支护结构类型选择的依据

（1）基坑场地的形状、宽度、深度，基坑的几何尺寸；

（2）基坑工程水文条件及地质条件，包括地表水位、地下水分布情况、承压气体、承压含水层的情况及岩土力学参数和勘探资料内容的测试方法；

（3）城区基坑支护结构所承受的地震载荷、地面载荷、风载荷、侧向载荷及垂向载荷；

（4）城区基坑开挖及排水方法

（5）城区基坑周围地区的性质，基坑周围交通运输情况和道路状况，基坑周围河流、水域分布情况，基坑周围建筑物状况和建筑物所采用的基础类型，基坑周围公共设施及生命线分布情况，基坑所处城市特殊的环境状况和对基坑施工的特别要求；

（6）建筑物的基础结构和上部结构对基坑支护结构的要求；

（7）各种基坑支护技术的特点和适用范围；

（8）基坑所处地方原有的基坑支护结构形式及类似的基坑支护结构在工程施工中成功或失败的案例，从中吸取经验和教训；

（9）有关部门规定的基坑支护的规范指南和设计流程；

（10）业主对基坑支护结构的要求。

3.3.2 确定基坑侧壁安全等级

根据土体失稳、基坑支护结构破坏、大变形对地下结构施工和基坑周围环境造成的影响程度，可将基坑侧壁的安全等级分为三种级别。如果土体失稳、基坑支护结构破坏、大变形对地下结构施工和基坑周围环境造成的影响很严重，那么基坑侧壁的安全等级为一级，如果影响程度一般，那么基坑侧壁的安全等级为二级，如果基本无影响，那么基坑侧壁的安全等级为三级。

3.3.3 选择基坑支护结构类型

每种基坑支护结构类型都有其独特的特点和适用范围，基坑支护结构类型选择的基本原则是根據基坑工程的工程地质条件、水文地质条件、基坑开挖的深度、基坑的尺寸大小、平面形状及支护工程的现场施工经验，选择最适合该工程的基坑支护类型。在工程满足经济合理、安全可靠、便于施工的条件，那么基坑支护结构类型的选择可以按照流程图1进行。在场地条件允许的前提下，可以采用无支护开挖方案，这种方案最省钱，如果场地条件不允许，那么可以采用全部土钉墙方案或者是上部放坡+下部土钉墙、上部放坡+下部桩、上部土钉墙+下部桩方案。在土钉墙方案不可行的情况下，可以采用水泥搅拌方案、单排悬臂桩和双排悬臂桩方案，其中优先考虑双排悬臂桩方案。在上述方案都不可行的情况下，可以采用上部放坡+下部锚桩或上部土钉墙+下部锚桩方案，如果工程对基坑变形有特殊要求，则可以采用地下连续墙、内支撑、锚桩方案，如果地下连续墙是地下室的外墙时，采用地下连续墙方案可以起到节约工程成本的作用。

4 结束语

城区基坑支护的设计与施工是城市基本建设的关键问题，也是岩土力学学科中比较复杂的问题，随着城市中高层建筑数目明显增多，地下空间开发利用的深度和规模不断加深，对基坑工程的要求越来越高，城区基坑支护的设计与优化就显得尤为重要。本文通过对我国现行各种城区基坑支护结构的特点及适用范围进行分析，结合施工单位的设计施工经验，总结出了城区基坑支护设计与优化的方法，并将城区基坑设计与优化的方法系统化、理论化，可以发现，本文总结城区基坑支护设计与优化的方法科学合理，是行之有效的。

参考文献

[1]李红民，蒋国胜，李汉旭，管典志.基坑工程.武汉：中国地质大学出版社，2000.

[2]刘金松，傅鹤林.利用模糊综合评判法优选深基坑支护方案.湖南：采矿技术，2005.

[3]余志成.深基坑支护设计与施工.北京：中国建筑工业出版社，1998.