高层建筑地下室基坑支护体系设计探讨

余恕国

摘    要：高层建筑因基础载荷大，对地基承载力要求高，以及抗侧力要求需保证一定的基础埋置深度。结合深基础设计，高层建筑地下室应运而生。 在工程建设过程中，地下室深基坑边坡安全成为设计和施工管理必须面对的问题，基坑支护体系虽然是施工期间的临时过渡结构，其重要性却不容忽视。 本文研究分析了地下室基坑支护体系设计中的技术问题，希望能为设计人员提供参考。

关键词：高层建筑;深基坑;支撑体系设计

1  引言

高层建筑地下室深基坑支护体系通常独立于高层建筑结构体系，其主要功能是为地下室施工提供安全作业环境，形式上表现为挡土和隔水。支护体系因基坑深度、施工工艺、地质条件不同，出现了多种应用形式。本文就高层建筑地下室深基坑支护设计中需要注意的技术要点、影响因素和施工互动问题，结合实例进行探讨。

2  深基坑支护体系设计的主要目的

2.1  保证基坑周边环境安全

深基坑开挖产生局部土层结构变化及地下水位下降，可导致周边地面下沉，引发临近建筑物基础不均匀沉降，市政道路路面开裂，市政管线损坏。支护体系设计的主要目的是确保基坑周边环境安全，杜绝地下室施工阶段发生影响周边建筑、市政设施安全的事件。

2.2  保证基坑内施工环境安全

支护结构体系必须满足支承地下水和土层围护压力要求，任何情况下都不得出现结构体系破坏的情况。围护体系应具备一定的抗变形能力，支护结构顶部的边坡及支护结构的表面构造措施均应保持稳定，局部崩塌掉块对深基坑作业存在安全隐患。深基坑穿透含承压水土层的情况下，止水帷幕必须有效阻断水源，杜绝发管涌现象，避免引发周边环境事故。

3  深基坑支护设计的影响因素

3.1  场地工程地质条件

深基坑支护结构的首要功能就是挡土，因此土层地质条件是支护设计的最基本依据。土层形成受多种因素影响同一区域土层可能有相似性，在方案设计阶段可以参考相邻工程地质报告进行讨论比较，但在详细设计阶段，必须依据本项目详细工程地质勘察报告。设计人员除了深入研判工程地质勘察报告，还应到建设场地做详细调查，力求真实把握场地土层特性。

3.2  场地水文地质条件

挡水是深基坑支护体系的主要功能之一，水文地质条件是支护结构及围护体系设计重点考虑的因素，潜水是地表下第一个稳定隔水层上的地下水，水量比较稳定，地勘报告中的地下水位就是指潜水位，是围护体系阻隔的对象;承压水是两个隔水层之间的地下水，通常埋藏较深，有较大的水压力，此类水往往藏于砂砾层中，是围护体系阻隔的重点和难点。对于开挖深度进入承压水层的支护设计，止水帷幕必须穿透承压水层，进入下层隔水层，避免发生管涌流沙而导致基坑周边土层沉降甚至基坑失稳，引发重大事故。

3.3  场地环境条件

建设场地环境条件对支护结构和围护体系设计有较大影响。城市建设项目周边通常存在既有建筑、市政道路、水电气等各类管道设施，保证这些建筑及市政管道设施安全是支护设计主要任务之一。建筑物基础埋深、结构形式、抗变形能力、管道性质及埋置深度、道路等级、以及它们离基坑边缘的距离都是设计人员必须深入了解并确定设计参数的问题。富水场地要控制基坑周边地下水位下降幅度，避免降水引起的不均匀沉降。

3.4  高层建筑基础形式及地下室施工工艺

基坑支护体系是地下室施工阶段的安全保障措施，必须满足地下室施工的工艺和技术要求。

4  深基坑设计要点

4.1  确定支护结构安全等级

综合考虑基坑开挖深度、周边环境抗沉降及变形要求、场地土层及水文地质条件等因素，确定支护结构的安全等级，复合支护结构体系中的不同结构形式或部位可以是不同等级。

4.2  水平位移控制值和周边环境沉降控制值

基坑施工影响范围内有建筑物、构筑物时，支护结构水平位移及周边地面沉降控制值按照不影响其正常使用状态确定，具体数值可参照相关专业规范。

4.3  熟悉承载能力极限状态和正常使用极限状态概念

两种极限状态验算问题已在设计计算软件中解决，因此容易忽视极限状态概念，影响对计算参数的选取和计算结果的判断。

4.4  多种工况分析

基坑开挖过程中，开挖面的变化对支护结构受力工况的影响是动态的，设计时要选择可能出现的最不利工况进行验算，同时关注不同工况下的最不利部位验算结果。

4.5  止水和降水措施

地下水位变化是影响周边沉降的主要因素。支护体系止水帷幕设计要保证基坑开挖至地下水位以下时，基坑内水位须降至开挖面以下，并保持基坑外周边水位基本稳定。

4.6  监测设计

设计文件中应明确基坑监测要求及控制指标。

5  实例应用

5.1  工程概況

工程位于江西省南昌市，总建筑面积13.5万平方米，地上建筑高度196m，结构类型为框筒结构，地下三层，核心筒部位地下开挖深度18m，地下室与地铁站联通。场地东面临市政主干道及地铁车站（未施工），西南角有主体封顶的在建超高层建筑，其他三面为规划用地未建建设。地质条件：自上而下土层为杂填土、淤泥质土（局部）、粉质黏土、中粗砂、砾砂、强风化砂岩、中风化砂岩，地下水的水位深度为0.50m～2.90m。

5.2  支护体系设计及修正方案

支护体系设计为上部土钉墙加放坡，下部支护桩为机械钻孔灌注桩，钢筋混凝土梁内支撑（角撑），止水帷幕为深层搅拌桩。止水帷幕施工约长度约20m时，深层搅拌桩施工出现数据异常，现场取芯检查发现砂砾层未见明显固结。专家建议采用地铁1号线车站出入口引入的三轴搅拌桩作为止水帷幕，经对试验段取芯检查，整体性较好。止水帷幕修改为三轴搅拌桩。

5.3  支护效果及监测情况

本工程地下室底板位于粗砂层，核心筒底部进入了砾砂层，基坑开挖过程中，坑内基本能保持干作业，坑底未出现涌沙情况，止水帷幕未发现漏水现象。在基坑开挖及地下室施工持续的一年多时间里，整个支护体系基本稳定。

监测表明，采用角撑形式的冠梁中部水平位移最大值为19mm。监测表明东侧城市主干道及市政管线出现异常变形情况;施工期间经历了持续暴雨天气，支护体系无明显变形。基坑开挖进入砂层及砾砂层，坑内采取降水措施后，基坑周边地下水位变化不大，支护体系隔水效果明显。

6  结论

通过以上分析可知，高层建筑基坑支护设计应结合基坑的地质条件、周边环境影响程度、地下水文条件、施工条件、主体地下室结构要求等各种因素来综合考虑，基坑支撑结构设计原则应根据破坏影响后果和变形要求确定。

参考文献：

[1] JGJ120—2012.建筑基坑支护技术规程[S].