深基坑支护结构设计方案的优选和应用探析

张涛 沈悦

摘    要：随着我国社会经济发展速度的不断提升，我国的建筑行业也获得了飞速的发展，每年新增建筑工程项目数量非常多，同时建筑施工安全也成为国家和社会重点关注的一项问题。而随着地下建筑、高层建筑的数量不断增多，深基坑工程施工事故也成为发生率较为频繁的事故，而且这种事故很容易造成群死群伤，后果非常严重，因此建筑施工企业必须加强对深基坑支护工作的重视，在加强现场施工管理的同时，还应当做好深基坑支护结构设计优化工作，保证深基坑支护结构设计的合理性，为深基坑支护结构的安全奠定良好的基础。

关键词：深基坑支护;经济安全;方案优化

1  深基坑支护结构设计现状

深基坑支护设计早在公元前的建筑中就有所应用，古代大型宫殿或地下陵墓在施工过程中为保障结构稳定，会在基坑侧壁设置支护结构或管线，这是人类在建筑施工中对深基坑支护结构的早期尝试。近代以来，随着地下建筑和超高层建筑的不断发展，深基坑支护结构在建筑工程中应用愈发广泛，由于城市化的不断推进，土地价格提升，地表建筑密度不断增加，建筑物天际线不断增高，地下设施深度不断增加，一般而言，基坑深度大于5m的结构即被划分为深基坑结构，如果深基坑设计或施工过程中出现技术纰漏或误差，将对施工人员的安全和建筑质量带来严重威胁。因此，深基坑支护结构设计对建筑物整体稳定性具有重要意义，其设计水平关系到建筑使用寿命及经济效益。通常，建筑物深基坑支护结构设计移交由独立建筑单位完成，由于深基坑支护结构设计流程复杂，对规划需求严谨，而设计单位工程人员数量较少，程序不够完善，不仅影响了深基坑支护结构设计水平，还会滞后整体项目进度，延误工期。

2  深基坑支护类型

支护结构是通过在基坑中设置挡土结构，增强基坑结构稳定性，以保障建筑施工过程的安全。合理配置土方开挖模式对保障建筑主体结构和支护体系的完整度至关重要。目前，深基坑支护按土方开挖模式通常分为3种：放坡开挖;挡土墙支护开挖;加固结构。一般而言，放坡开挖是使用较多的支护结构，具有构造简单、成本低廉、工期短、施工速度快的特点，适用于大多数施工环境。施工前需对现场进行考察，在土质紧致密实度高、边坡稳定的场地优先采用。

挡土支护开挖常见方法包括：（1）喷锚支护;（2）逆作拱墙;（3）连续墙支护;（4）排桩法;（5）水泥支护法，需结合施工环境及企业条件选择最优方案。

加固型结构常见方法包括：（1）水泥搅拌桩;（2）注浆加固;（3）网状加固法;（4）插筋补强;（5）水泥喷粉桩加固法等。设计时，要依据施工环境地质条件、水文条件、基坑深度、工程周期、项目预算等因素综合制订最优方案。

3  深基坑支护结构设计的优化方法

3.1  优化结构方案

做好深基坑支护结构设计的优化工作，可以显著降低施工成本，提高施工效率，缩短施工工期，保障企业的生产效益。首先，设计人员在进行设计方案选择时，需要以目标特征值矩阵为指导，对深基坑支护结构方案进行准确合理评价，并拟定一个值作为评价指标。组建专业队伍评估深基坑支护结构多种方案的工程造价、成本、可靠性、施工技术、施工工艺、污染问题等，针对各个因素对施工建设的影响程度给予合理评分，通过收集评分评价施工方案的可行性。在方案步骤优选的过程中，工作人员可以采用归一化的处理方式，降低一个评价内容获得的指标值进行处理，得到最优化的设计方案，保证计算结果的准确性和科学性。

其次，设计人员需要建立起一个明确的层级结构模型和判断性质的矩阵，将安全理念、环保理念、经济理念、便携理念融入层级结构模型中，使结构模型满足建设需求，并利用判断矩阵充分反映出各个因素的重要性和价值。然后，采取一致性检验与层次单排序的方法进行施工方案的评估，做好同一层次不同因素以及不同层次同一要素的排序，明确要素的重要性差别，区别不同因素对方案设计的影响，优选出最佳设计方案。

3.2 优化设计计算

深基坑支护结构设计的计算法则包括两种：一是经历平衡法与等值梁法;二是弹性地基梁m法与弹塑有限单元法。

第一种计算方法是根据墙前后泥土压力极限平衡条件，对支护结构插入深度以及内力进行计算。在实际设计中通常不采用这一方法，主要原因是：受技术条件限制，很难准确测算出墙前后泥土压力极限值，一般都是通过估算方式進行。此外，该方法没有对土体变形、支护结构等进行考虑，计算结果与实际值往往差异较大。由于计算方法比较简单，可以根据实际情况应用到较为简单的基坑挖掘施工中。

第二种计算方法虽然考虑到支护结构以及土体变形，但在整体上依然不够完善。例如，参数m值需要参与计算，但很难进行有效确定。受不同地质条件限制，参考数据在取值范围上并不相同，甚至存在较大差距。在深基坑支护结构设计过程中，参数m仅仅是一项弹性指标，无法对支护结构插入深度进行直接计算。众多实践研究显示，利用弹性地基梁m法计算得出的悬臂桩支护结构并不符合实际测量得到的位移数据，误差也超出规定要求，这也就意味着桩后土体变形并不在弹性范围之内。

目前，深基坑支护结构设计计算的发展趋势是弹塑有限单元法，该方法不仅考虑到支护结构以及土体变形，而且能够得出塑性区分布状况，以此对支护结构稳定与否进行较为准确判定。因此，弹塑有限单元法在深身基坑结构计算上优势突出。

3.3  细部优化深基坑支护结构

对深基坑支护结构方案进行细部优化可以有效降低工程增加成本，保证施工方案的可行性。深基坑支护结构的细部优化需要综合考虑数据方案中的变量约束条件、目标函数以及优化算法这三个部分，做好深基坑施工的材料控制、人员控制、设备控制以及环境控制。相对来说，深基坑支护结构优化方案中所包含的参数比较复杂，类型较多，这些参数在某种程度上决定了影响深基坑支护结构稳定性的具体因素。确定优化方案的约束条件，结合约束条件划分深基坑支护结构的安全等级，并确定结构变形范围，根据具体的数字计算得出相关结论。在确定深基坑支护结构细部优化约束条件之后，可以应用计算机技术和软件技术进行计算，保证数据的精确性，将深基坑支护造价成本控制到最低，提高企业的经济效益。深基坑支护结构方案的优化设计与计算活动息息相关，设计人员可以采取动态规划法进行详细的编程，获得计算结果。现代信息技术的使用极大地解放了人力，减少了人类的脑力投入和工作量，数据越来越精确化，比如，在深基坑支护结构中可以通过工具箱进行方案优化设计的计算。

4  结束语

综上所述，深基坑支护结构设计优化是保证深基坑支护结构工程能够顺利进行的必要方式，本文对深基坑支护结构设计的优化方法进行了探究，并且从支护方法选择、计算模型选择和设计参数优化三个方面对此进行了分析，发现在进行深基坑支护结构设计时，需要对地质条件、周遭环境等因素进行充分的调查研究，在结合真实情况的同时，选择合适的支护方法、计算模型，并且对设计参数进行反复验证、调整，这样才能保证整个设计的合理性。

参考文献：

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