黎佳初，罗 廷

（广西水文地质工程地质勘察院，广西 柳州 545006）

深基坑工程支护结构的设计及优化方法

黎佳初，罗 廷

（广西水文地质工程地质勘察院，广西 柳州 545006）

随着城市化进程的不断推进，建筑业获得了迅猛发展，人们对建筑技术和建筑安全也提出了更高的要求。作为整个建筑赖以立足的地底构造，深基坑工程的设计承担着重大的责任。深基坑工程的支护结构是该工程的支柱，它的设计方案是否安全合理直接影响其后的施工进度和建筑安全。本文介绍了当前常用的几种支护结构类型及其优劣势，指出了现在支护结构施工中常出现的问题，并提出了深基坑结构设计优化的建议，以期为建筑设计人员提供借鉴。

深基坑工程；支护结构；设计与优化

我国城市化进程的加快虽然促进了经济的发展，却也导致了诸多问题，如城镇人口剧增、城市交通压力加大等，为解决这些问题，地铁应运而生。伴随着地铁数量的迅速增加，深基坑工程的安全性这一问题再次被大众所关注。基坑工程是指建筑物地下部分的施工建设中，为了保证建筑主体的安全且减少对周围环境的影响而采用基坑支护、降水以及土方开挖等措施的综合性工程。开挖深度超过5 m（包括5 m）或地下室三层（包括三层）的基坑工程就被称为深基坑工程。近些年来，深坑基工程技术已有大幅度发展，但仍然有工程事故发生，这些事故的发生大都是因为基坑支护结构设计不合理，因此，对深基坑工程支护结构设计方法的优化是个急需解决的问题。

1 深基坑工程支护结构设计现状

1.1 当前常用支护结构类型

深基坑工程的支护结构有很多类型，目前常用且比较合理的有混凝土围护墙、土钉墙、桩排、地下连续墙和板式支护等。混凝土围护墙属于重力式围护墙，可以靠自身重力抵抗深基坑的侧向力，从而保持平衡，不需要内部额外的支撑，费用低且便于基坑内机械挖土和地下结构施工。土钉支护是边坡原位加筋支护的一种，它以混凝土搅拌桩帷幕加强了深基坑的自立性和隔水性，二次灌浆方法加固了土体、解决了土钉抗拔力。桩排支护应用钻孔灌注桩，能使施工机械无法咬合的桩相互咬合，排桩部分承受基坑侧向力，混凝土墙起挡水作用，长螺旋钻孔压灌超流态混凝土成桩技术使钢筋混凝土灌注桩与素混凝土桩形成最优咬合，起到防水作用。地下连续墙是一种钢筋混凝土墙，在泥浆护壁的条件下分槽段构筑，墙体刚度较大，既能作为基坑施工时的挡墙围护结构，又能作为拟建主体结构的侧墙。板式支护包括围护墙、支撑、围檩、立柱、防水帷幕、锁口梁等，主支护体系有钻孔灌注桩和钢筋混凝土地下连续墙两种结构形式，钢结构施工方便、造价低且可反复使用，钢筋混凝土结构不易变形，使用周期长[1]。

1.2 支护结构设计步骤

深基坑支护结构设计流程一般按照选型、计算、验算三个基本步骤进行，支护结构类型的选择是支护结构设计的第一步。支护结构类型的选取要综合考虑基坑深度、周边建筑物类型、周边交通状况、地下管线状况、土质和水位等多重因素，再根据建筑物总平面配置、工程勘察所得资料、建筑预算和具体要求等对支护桩侧土压力、锚杆层数、锚拉点具体位置、锚杆承受压力、支护桩在基坑底部嵌固深度、支护结构承受外力和结构内部内力进行精确计算，从而设计出具体方案。方案设计完成后还要进行验算，目前应用最广泛的验算方式是模糊综合评判，具体方法是建立评价层次分析结构模型、构造判断矩阵、初步确定权重及最大特征根、判断矩阵的一致性、确定指标因素集的权重、建立因素集及评语集、确定模糊评判矩阵，最后做模糊变换，得到方案评价结果，根据方案评价结果改进支护结构设计方案。

1.3 支护结构施工中常见问题

在深基坑支护结构的设计中，一直以来有一个问题难以解决，即经济性和安全性之间的矛盾，直到目前，人们还没有提出一个既能符合安全性又符合经济性的方案。在实际工程施工中，出于安全性考虑，支护选型和设计往往极为保守，这样就不得不加大投资，导致建筑造价过高；而如果片面追求经济性，降低了基坑的稳定性、变形控制和设计安全方面的要求，则会带来更大的安全隐患和潜在的经济损失。此外，土压力的计算与分布，支撑的刚度与设置，基坑开挖的时空效应、振动对支护结构的影响等单靠理论分析和经验估计难以完全把握基坑支护结构侧重点，更为支护结构施工加大了难度[2]。

2 支护结构优化方案

2.1 合理选用围护墙模式

支护结构类型的选择取决于土质、水位、周围建筑和道路等因素，同时还要考虑经济性和安全性。一般来说，混凝土围护墙最适合应用于支护深度不超过6 m的软土地区（如上海），当基坑侧压（C）小于12 kPa、地下温度（T）小于20℃时，要采取降水措施，而当C＞15 kPa，T＞12℃时，则不需要。土钉墙可以组成防渗帷幕、超前支护，因而能够解决坑底的抗隆起、管涌和渗流等问题，所以砂性土、粉土以及粘性土等土质较好的地区应用土钉墙结构较广泛，自复合土钉支护技术面世以来，东南沿海一带的淤泥及淤泥质土地区也可应用这一支护结构。桩排支护一、二、三级基坑皆可应用，但最适的是基坑深为8～14 m且周围环境要求不高的情况。地下连续墙墙体刚度大，止水效果好，可应用于基坑深、周围环境保护要求高的工程中，上海的金茂大厦、恒隆大厦以及地铁1号线、2号线的一些地铁车站选用的都是这一结构。一般深度大于7 m的深基坑都可考虑板式支护体系，再结合基坑深度、基坑形状、周围环境保护要求和挖土方法选用钢结构和钢筋混凝土结构形式。

2.2 优化设计计算方式

深基坑工程的计算方法对支护结构的设计有不可替代的意义，目前能应用于深基坑支护结构设计的计算方法有很多，常用的有经典理论方法、解析法和有限元法三种。古典方法有静力平衡法和弹性线法，主要依据是力的平衡理论；解析法包括山肩邦男法和弹性法，解析法最重要的一步是对压力的假定；有限元分析法有弹性支点法、连续介质有限元法以及三维实体有限元法三种，其依据是基坑支护结构进行三维实体模拟。近些年来，计算机技术的飞速发展为深坑及工程支护结构设计的计算提供了一种精确且效率颇高的方法，即利用计算机的强大计算功能，通过建立有限单元体处位移-荷载函数关系，首先求得单元体上未知的位移，最后再通过已求得位移，得出相应的应变和应力。新技术的应用减小了深坑及工程支护结构的设计难度和工作量，提高了其精确性。

2.3 实时监测

为确保深基坑结构的安全性，对支护结构进行实时监测不可忽略。监测内容包括基坑周边地表沉降监测、基坑外侧土体位移监测、支撑轴力监测、围护桩顶沉降、水平位移监测和围护桩体位移监测五部分。监测中 dhi= hi-hi-l、dsi=（dAi×S）和 Ds=（dsi+ds2+…+dsi）是必会应用到的公式，它们是计算位移量和沉降量的最精确公式。按照施工标准，在基坑开挖前测量两三次，基坑正常施工时每两天测量一次是最科学的监测频率。

3 结语

任何一个工程方面的课题发展都是理论与实践密切结合并不断相互促进的结果。基坑工程的发展往往是一种新支护型式的出现带动新的分析方法的产生并遵循实践、认识、再实践再认识的规律，而走向成熟。近些年来，建筑业的迅速发展也使建筑设计人员加快了对深基坑工程支护结构设计的步伐。目前，深基坑工程采用最多的支护结构有混凝土围护墙、土钉墙支护、桩排支护、地下连续墙和板式支护体系等，支护结构类型要根据建筑的土质、水位和周围环境选择。除了合理选择支护结构类型之外，对支护结构的实时监测也是一种提高深基坑工程支护结构安全性的方法。

1 张尚根，赵佩胜.基坑开挖过程中支护结构内力及变形分析[J].工业建筑，2000，30（3）：17-20.

2 高文华，杨林德，沈蒲生.软土深基坑支护结构内力与变形时空效应的影响因素分析[J].土木工程学报，2001，34（5）：90-96.

Design and Optimization of Retaining Structure for Deep Foundation

Li Jiachu, Luo Ting
(Guangxi Hydrogeological Engineering Geological Prospecting Institute, Liuzhou 545006, China)

With the continuous progress of the urbanization process, the construction industry has been rapid development,people on the construction technology and construction safety also put forward higher requirements.As the foundation of the whole building based on the underground structure, deep foundation pit engineering design bear a major responsibility.Deep foundation pit engineering support structure is the pillar of the project, its design is safe and reasonable direct impact on the subsequent construction progress and construction safety.This paper introduces several types of supporting structures and their advantages and disadvantages, and points out the problems in the construction of supporting structures, and puts forward some suggestions for the optimization of structural design of deep foundation pit, so as to provide reference for building designers.

deep foundation pit engineering; support structure; design and optimization

TU753 文献标识码：A 文章编号：1008-9500(2017)08-0136-03

2017-07-15

黎佳初（1986-），男，广西宾阳人，工程师，研究方向：水文地质工程地质环境地质。