建筑基坑的特点以及基坑支护结构的设计研究

彭博伟

中铁上海设计院集团有限公司天津分院 天津 300073

引言

我国进入社会经济发展的新阶段，走到了城市化发展的中后期，为服务经济发展，推动社会进步，提升人民生活质量，需要进行更多的工程建设，工程建设规模不断扩大，建设高度不断提升，地下空间利用的需求不断提高，建筑难度不断增强。建筑基坑支护越来越重要，研究其特点和问题，探索更为有效的方式和技术，保证施工安全及建筑质量。

1 工程概况

某医院新建大楼，总建筑面积8万多平方米。新建大楼地上部分主楼11层，裙房3层，地下2层，主楼建筑高度52米，裙房建筑高度14.2米。地下两层主要为机动车停车库，设备用房，库房，及其配套用房等，人防区设置在地下二层。新建大楼主体为框架-剪力墙结构，裙房为框架结构，基础采用桩基础。整个地块地坪高低变化不大，地势平缓，本次支护设计绝对标高采用1985国家高程基准。支护设计场坪标高按周围现状地标高考虑，以28.000米作为地坪标高。基坑深度约8.3米，基坑周长620米，面积约2万平方米[1]。

2 常见基坑支护类型

①场地周边开阔，开挖深度较浅时可采用放坡开挖，必要时设置多级放坡与坡体平台，应设置降、排水措施；②土钉墙支护主要由钢筋制作而成，用于加固基坑边坡。此技术施工环节要求施工区域周围不可存在市政管线，岩土土质良好，一般基坑深度不超过12m，施工区域需要先完成止水处理，且周边环境条件容许。③重力式挡土墙是以挡土墙自身重力来维持挡土墙在土压力作用下的稳定，其厚度为基坑深度的0.7～0.8倍，可设置为壁状体、栅格状等，大面积作业，污染小。适合应用在基坑深度小于7m，施工区域环境优越的项目当中。④桩锚支护一般适用于较深的基坑，且开挖面积较大，支撑设置不便的基坑中，采用锚杆取代基坑支护内支撑，允许基坑有一定的变形。工程造价比支撑体系低，且开挖面积越大越有优势，没有支撑体系挖土方便，施工进度较快；⑤桩撑支护适用于深基坑，可有效控制基坑变形，可靠度高，桩径变化多，对不同深度的基坑可采用不同的桩径，对场地要求较低，工程造价较高；⑥当锚杆式，支撑式和悬臂式结构不适用时，可采用双排桩，一般与其他支护方案结合使用，造价高，变形大，但工期相对较短[2]。

3 基坑工程的特点

①临时性。基坑工程的临时性主要体现在支护结构，支护结构在施工阶段支撑着基坑结构不被外力所破坏，一般设计使用期限较短。②区域特点明显。不同地区的基坑结构所处的环境不同，因此在施工设计时也需要因地制宜，根据地质勘察报告进行方案的制定。③环境影响。周边建筑对于基坑施工也有显著影响，特别是周边的建筑、地下管线、地下水以及基坑内部的结构，施工的难度因素是一个综合性指标。④时间以及空间影响。基坑在开挖过程中，暴露时间的长短也会影响基坑的稳定性。同时还有开挖的顺序，基坑的深度以及开挖的面积等关键因素。⑤学科综合性。主要指的是基坑的设计施工要涉及不同的学科以及领域，并不是单一学科可以解决的，其中涉及土力学、工程地质学、岩石力学、结构力学等专业，要求实际设计人员要精通各种学科。⑥短开挖，快支护。基坑开挖过程中，不要贪图速度快，一定要做好支护，每次开挖的深度一定要经过严格的设计，禁止超挖[3]。

4 建筑工程基坑支护设计依据与主要原则

在对建筑工程基坑支护进行设计过程中，其主要依据包括施工区域的地质勘察报告、项目基础布置图、设计总图等，以及岩土工程勘察规范、建筑基坑支护技术规程、建筑深基坑工程施工安全技术规范等相关技术规范，以及相关的法律法规，确保基坑支护设计合理、合规、合法。在对建筑工程基坑围护结构进行设计过程中，为确保其结构的稳定性、安全性，必须结合对工程规模分析确定基坑围护安全等级与结构重要性系数，进而采用结构荷载模式对围护结构进行分析，确定支护重点与可能存在的支护问题。在具体设计过程中必须充分遵守以下几个设计原则：①采用动态化与信息化设计方式。基坑围护结构设计应与现场监测相结合，根据现场监测反馈信息及时进行分析，达到动态设计和信息化设计的目的。②围护结构应能有效地控制变形，确保基坑与周边建筑物安全、稳定，以及四周道路、各类管线使用安全。③预应力锚索应进行抗拔承载力试验。④基坑土方开挖遵循分层、平衡、适时性原则。施工前应做好施工组织设计，采用分层支护设计和开挖高度应与预应力锚索的竖向间距相对应，以预应力锚索下0.5m深为分层界限[4]。

5 基坑支护方案设计

5.1 科学选择深基坑支护形式

建筑工程基坑支护施工中，支护结构主要分为支挡结构、土钉墙、重力式水泥土墙和放坡等。支护结构选型的过程中，基坑支护形式较多，主要应用在1～3级的基坑中。常见的支挡式结构有锚拉式结构、支撑式结构、悬臂式结构、双排桩等。设计人员要根据基坑的深度、周边环境、土体的类型、地下水概况，科学选择支护形式。本医院新建大楼工程拟建场地地下水位埋深约12m，场地层除表层填土及下伏寒武系石灰岩外，全部为第四纪全新世冲洪积（Q4al+pl）地层，基坑开挖范围主要土层为素填土，黏土、细砂土；基坑北侧及西侧建筑物较多，均距离基坑较近，且西侧与拟建场地地坪存在3m高差，不具备放坡条件；本工程基坑深度约为8.3米，且基坑周边环境复杂，悬臂式支护结构不适用；为了缩短工期，考虑采用双排桩支护，经分析计算，支护变形过大，且预留肥槽后外排桩已紧贴既有建筑物，施工对既有建筑产生较大影响，不宜采用；结合地层及地区经验，综合考虑，基坑采用桩+锚索支护结构，锚索施工不会对周边建筑造成损害，不违反城市地下空间规划。基坑西北角有建筑物地下室，锚索有效锚固长度不足，故采用桩+内支撑支护结构。

5.2 设计措施

①根据工程地质、水文地质条件选择合理、可行、可靠的基坑支护结构。②提高支护结构的刚度，减小支护结构的变形。③优化基坑支护结构的嵌固深度，保障基坑支护结构的稳定。④增加第一道锚索及支撑系统的刚度对支护结构的变形及地表沉降有效控制。⑤加快进行支撑或锚杆系统的施工进度，减小支撑或锚杆系统纵横向间距，有效控制支护结构的变形。

5.3 降水及排水处理

深基坑支护施工中，降水、排水也是不可或缺的重要环节。需根据现场情况科学选择降水排水措施，减少地下水渗透带来的危险。在实际施工作业中，如果基坑底层结构渗透系数较高或存在承压水头，则需要对该区域进行突涌稳定性验算，根据验算结果选择降水、排水措施，如果确定存在突涌情况，可采取管井降水或井点降水的方式，这样既不会增加施工难度，还能控制施工成本。尤其是井点降水，能有效控制结构变形问题，保障深基坑的支护效果。如果深基坑内地下水位较高、渗透性强，且容易对周边环境造成影响，就可采用止水帷幕实施截水处理，将产生的多余水分阻隔在外，降低对深基坑结构的影响。止水帷幕处理技术是高压旋喷注浆与深层搅拌技术的融合体，成本低廉，排水阻水效果好，对于深基坑有较好的保护作用。部分深度较深的基坑也可以采用地连墙、全套管咬合桩来止水，但费用较高，也可以与支护桩二合一进行。本工程地下水位在基坑开挖面以下，无需降水。就基坑支护结构而言，设计人员和施工人员不仅应关注坑内水，还要重视地表水，后者一般利用排水沟、集水井等设施加以处理，以便基坑开挖施工的顺利推进。

5.4 支护设备材料设计

由于岩土工程深基坑项目开发过程对技术要求非常高，为确保深基坑项目建设的可行性，设计人员开展支护设计工作时应对支护工作所需材料设备进行设计选择，确保支护材料的性能、质量、强度、抗疲劳性均可以达到设计要求，充分发挥出深基坑支护的优势。例如支护设计工作开展时，需合理设计混凝土强度，保证混凝土强度满足深基坑支护工作要求，避免强度不足的问题出现，从而影响深基坑项目的整体建设可靠性与安全性。在深基坑支护工作开展时，需要对所有施工材料质量进行控制，依据设计标准进行检查，避免劣质材料进入施工现场，进而影响深基坑支护工作的质量与安全[5]。

5.5 加强对深基坑支护工程周边的保护

深基坑支护工程在施工中，很容易对周边地面造成影响，导致地面裂缝出现。如果地面水渗透到裂缝中就会导致土地强度降低，使支护结构发生位置的变化。因此，需要加强对周边的保护，当地面出现裂缝时，需要及时堵塞。如果出现地面水堆积，还要及时进行导流，防止基坑浸水。

5.6 安全监测

基坑支护的施工具有综合性特点，技术运用流程复杂，面临工况复杂。为确保施工安全，需要对基坑施工展开监测，防止施工过程对周围建筑安全造成影响。同时，一般基坑开挖面积大，地质条件相对来说复杂多变，岩土结构稳定性不足，导致施工环节突发情况较多，利用监测手段，可实时呈现施工问题，一旦出现监测预警，不合理变形情况，应及时控制，保证现场施工安全。

5.7 加强桩体质量的管理

深基坑支护的桩体质量很关键，在施工中必须要按照一定的规律进行桩体排列。土体的受力状况与桩体的排列情况有着很大的关系，如果桩体间的距离过大，土地就会受到较大的压力，这就容易出现土体脱落现象，桩体距离过大，排桩就不能发挥重要的支护作用，基坑支护质量就会受到影响。如果桩体间的距离过小，土体的作用就难以发挥。因此，做好桩体质量管理是非常重要的，设计及施工人员要能够不断优化排桩方式，能够分析土体和排桩两方面的因素，使二者能够有机的结合，这样才能提升施工质量水平，保障施工的安全[6]。

6 结束语

总之，如果能够科学利用深基坑支护技术就能够有效提升建筑的施工质量，应加强深基坑支护技术的研究工作，做到经济、安全。目前，在深基坑支护设计过程中还存在一些问题，相关方要加强深基坑支护的质量控制管理工作，能够通过有效的管理解决相关问题，科学合理的利用相关支护技术开展设计工作。建筑基坑设计需要结合工程地质特点、周边环境等综合考虑，本文简述了基坑支护结构的特点，而且针对某医院新建大楼的基坑进行了支护结构的设计，确保了基坑的稳定及施工安全。