建筑基坑支护结构的选型和优化分析

摘要：基坑支护结构的选型是建筑施工过程中最常见的问题，也是影响建筑施工质量的重要因素。文章就建筑基坑支护结构的选型分类展开讨论，从建立系统优化模型和新型基坑结构支护方法这两个方面对建筑基坑支护结构优化的设计措施进行了探讨，希望能够减少建筑基坑质量的问题。

关键词：建筑基坑；支护结构；选型设计；优化方法；建筑施工 文献标识码：A

中圖分类号：TU753 文章编号：1009-2374（2016）03-0107-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.03.054

随着我国国民经济的快速发展和经济体制的不断改革，建筑施工问题也越来越受到企业的重视。目前，企业在工程实施过程中对深基坑支护的类型认识还不够到位，对基坑深度较深、基坑覆盖范围小的基坑支护结构无从选择。因此为保障施工过程的安全性，设计人员要高度重视对基坑支护结构的选型和优化设计，力求最大限度降低工程风险，促进我国建筑行业安全而健康的发展。

1 建筑基坑支护结构选型分类

1.1 钢铁桩

作为建筑基坑支护结构重要部分之一的钢铁桩在抵挡土体的侧压力和防止地下水入侵地基具有积极的作用。目前我国生产的钢铁桩的主要材料是钳口、热轧钢材。热轧钢材是有锁扣的，锁扣的作用是将钳口和所有的钢材连接起来组成钢板桩墙体，起到保护基地和墙面的作用。直腹版形、U形和Z形是建筑工程施工过程中最常见的三种钢板桩形式，通过钢板桩锁扣这个小设计将钢材进行有效连接，对工程墙面形成一层保护膜，最终达到基地支护墙面和保护基坑不被破坏的目的。在实际建筑施工过程中，钢铁桩在工程中的使用方法简单，可以重复使用，进而降低企业的采购成本，并提高施工效率。但是钢铁桩在施工过程中的重复利用也存在一些问题，比如钢铁桩在对基坑安装过程中会产生较大的噪音。国家对建筑施工过程中的噪音分贝有严格规定，所以基坑的安装过程就会受到一定的限制，增加施工难度。另外，如果设计人员没有对钢板桩的施工过程进行科学技术实验，就会导致钢板桩侧压墙面。墙面的变形不仅会影响基坑的牢靠性和钢板桩的形状，还会降低钢板桩对基坑的支护效果，进而影响整个工程的质量。据工程专家指出，钢铁桩在对基坑安装时最好的基坑深度是保持在7m以下，这样可以最大限度地稳定基坑。

1.2 地下连续墙

采用浇筑形式对建筑进行施工是目前企业惯用的地下连续墙的一种施工方式，具体方法是在墙体内安装钢筋，固定好基坑，防止地下水的渗入。提升墙体的支撑度和稳定度是保证工程基地牢靠和质量的重要部分，可以在土地性能差、水位不深的地区将地下连续墙技术运用到施工程序中去，降低企业的施工难度。实践研究表明，地下连续墙技术与其他技术相比，在工程施工过程中的安全系数是最高的，可以在7m以上的基坑中使用。但是任何技术都不是万能的，地下连续墙技术亦是如此。如果基坑土地是岩石结构组成的，地下连续墙技术就会增加工程造价，增加对基坑的挖掘工序。另外，企业的工程如果是在市中心，还需要注意噪音污染和泥浆污染，企业要最大限度地将污染控制在标准范围之内，同时施工人员要做好安全防范措施，避免出现泥浆流到施工场外的现象，减少对环境的污染。

1.3 深沉搅拌桩

深沉搅拌桩亦称水泥土墙，是建筑基坑施工中比较常见的支护结构之一。深沉搅拌桩的施工原料主要是混凝土，其方法是将混凝土通过管道注入土地中，利用双头搅拌机或者三头搅拌机将土体和混凝土搅拌均匀，在光照、风吹作用下形成防水性墙体。其施工程序相对而言较简单，对技术的专业性要求比较低。但是深沉搅拌桩技术在工程施工方案中会受到施工空间的限制。例如在进行施工时，混凝土不能单独在墙面上使用，必须要和钢筋一起使用，否则就会出现墙面变形甚至倒塌的现象。另外这种施工技术还不能完全达到基坑支护的条件，不能提升墙面的刚性和稳定性，最终会影响基坑的质量和安全。

1.4 排桩

排桩在基坑中的施工是对钢筋混凝土进行穿孔技术设计和钻孔灌注桩打造支护排列结构，对排桩进行钻孔是建筑基坑施工技术的要求，也是提高桩柱紧密度的有效方法。排桩根据排列形式可以分为密排布置形式、疏排布置形式和规则排密布置形式。施工人员可以根据基坑深度、基坑覆盖范围、基坑所需的排桩支护选择合适的布置形式。密排布置形式的排桩相对疏排布置形式和规则排密布置形式来说，其刚度、稳定性都要更强。因此，施工人员要重视桩体之间的衔接性，提升基坑之间的紧密度，保证基坑的支护效果。施工人员还可以在不同的桩体之间安插钢筋混凝土冒梁，钢筋混凝土冒梁是保证墙面和基坑牢固的重要支撑点，使桩柱在基坑中形成一个整体，通过钻孔灌注桩对基坑的搅拌起到防水的目的。灌注桩技术在基坑中的专业技术要求不太复杂，操作流程简单，可以降低噪音。

2 建筑基坑支护结构优化设计

2.1 建立系统优化模型

建立科学的系统优化模型是设计人员调整、优化基坑结构的首要目标。在传统工程程序中，设计人员对基坑支护数据采用手工输入方式并进行人工核算，这样的形式会导致计算结果出现误差，进而影响工程的整体质量。因此设计人员要改变以往人工计算工程造价的这种模式，将计算机作为工程造价的主要工具，将计算机优化模型作为基坑支护结构优化的主要模型。随着科技的发展，计算机在教育、工程及其他方面得到广泛运用，比如工程造价模型COSYSMO。COSYSMO是一个系统的工程造价模型，模型的建立主要有七步方法，如图1所示。COSYSMO模型的参数可以根据工程造价师的预测来估计，直接对企业的基坑结构成本部门负责，其专业性更强、计算数据更加精确。

图1 七步建模方法论

2.2 建立新型基坑结构支护方法

建立系统优化模型后，设计人员就要对新型模型基坑支护方法进行设计。传统的工程设计原理是“极限平衡”原理，极限平衡原理在工程的实际运用中并不能保证设计的质量，也不能得出精确的数据结论。因此，设计人员在对新型模型基坑支护方法设计时一定要考虑支护结构的类型、基坑支护结构的原料、基坑覆盖的范围、基坑深度、工程复杂性等，多方面对方法设计进行多角度的衡量，从而实现基坑结构优化的目的。首先，设计人员要掌握建筑数据，通过对工程环境的勘察找出基坑支护设备在施工过程中的漏洞，结合国外基坑结构的支护方法，找到适合自身企业的基坑结构支护设计方案。例如，现在工程中使用的灰色系统理论模型法，设计人员就可以利用这个方法找出最优方案；其次，设计人员要发挥自己的专业知识，以积极主动的态度参与到工程施工中去，为找到科学的基坑支护计算方法提出专业性指导和建议，将提高建筑基坑的设计质量作为目标，从而推动我国建筑业的快速发展；最后，设计人员要将模型方法运用到实际工程中去，将理论与实践相结合，在实践中使方法得到推广。

3 工程实例

某建筑开发商在开发附近的一块地，建筑面积是8000m2，房屋总共10层。地下有1层，基坑面积是800m2。基坑深度为3m，工程专家对基坑周长的估计是120m。这项工程在成都龙泉驿站街道办事处，临近居民区。据测量，该工程的用地距居民区的建筑有160m左右。施工人员在基坑的施工过程中使基坑结构发生变形和移位，给居民的安全造成了严重影响。工程设计人员打算采用灰色系统理论模型法来预测计算基坑结构数据，结果如表1所示。工程管理人员最终采用钻孔灌注桩技术来对基坑进行分析，如图2所示。这次采用的分别为排桩的桩径为Φ400mm、Φ500mm、Φ600mm。钻孔的深度为30～45m，鉆孔后排的直径为700mm，排桩之间的间距为220mm，基坑支护主要是Φ600mm。将排桩进行钻孔灌注后，将其运用到对基坑施工过程中可以作为挡土墙面。

表1 灰色系统理论模型法预测基坑参数

图2 钢筋混凝土钻孔灌注桩基坑的施工过程

根据表1得出数据结论，基坑评价数值与水平位移的深度不成比例，这是因为钻孔灌注桩在对基坑施工过程会形成对墙面的抵挡作用，双排水泥搅拌桩可以防止水的渗透，维持墙面的稳定，墙面发生水平位移的距离越远，锚杆所承受的拉力越大。在实际工程中，运用灰色理论模型法对基坑进行参数预测是在工程部考虑采取钢筋混凝土钻孔灌注桩技术的情况下，对工程的可靠度、工期等因素的综合考虑，对建立深基坑支护选型方案具有积极的作用，帮助企业择优选择，降低企业的成本，促进企业的可持续发展。

4 结语

随着我国市政工程的快速发展，建筑基坑支护结构的优化工作是当前我国施工人员需要考虑的首要工作。基坑的安全和稳定不仅可以保障施工人员的安全，还可以增强企业的竞争力，使企业的安全效益与经济效益有机地结合在一起，进而促进企业的可持续发展。

参考文献

[1] 李必红，周健，史秀志.深基坑支护结构选型决策的Fisher判别分析模型[J].重庆大学学报，2011，（9）.

[2] 张玉成，等.多种支护型式在超大深基坑工程设计中的组合应用[J].岩土工程学报，2014，（S2）.

[3] 段绍伟，沈蒲生.基于工程可靠度、工程造价、工期的深基坑支护结构选型研究[J].湘潭矿业学院学报，2002，（2）.

[4] 李连祥，等.考虑CFG复合地基对土体侧向加固作用的基坑支护结构优化[J].岩土工程学报，2012，（S1）.

作者简介：王俊英（1972-），女，云南宣威人，曲靖市设计研究院有限责任公司建筑结构设计工程师，研究方向：房屋建筑结构设计。

（责任编辑：黄银芳）