浅论建筑工程深基坑支护方案的设计

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　　摘要：从保证工程质量和施工安全的角度，建筑工程中的深基坑需要妥善的支护工程来保障其安全性。随着工程施工经验的积累，支护工程越来越受到重视，出现了多种支护类型，由于支护系统受到多种因素的影响，因此支护系统的优化设计正处在发展中。文章中首先强调了深基坑支护优化改进的原则，而后针对设计案例，研究优化方案。
　　关键词：深基坑；支护；方案优化
　　中图分类号：TV551文献标识码： A
　　建筑施工发展到今天，出现了多种深基坑支护方法，包括：预制桩、钢板桩、人工挖孔桩、深层搅拌桩、地下连续墙、内支撑以及各种桩、板、墙、管、撑结构结合锚杆做联合支护等等。这些不同的支护方式以及搭配组合的支护方法是通过长期工程实践的经验积累总结出来应对不同工程要求、地质条件、现场环境的。针对不同因素都有对应方法，但没有一种支护方式能够消除各种因素的影响，所以我们在工程实施的过程中间要因地制宜的选择最合理和最经济的深基坑支护方式。
　　一 、基坑支护的类型及其特点和适用范围
　　1、放坡开挖
　　这种方式适用于场地开阔，周围没有重要建筑物的施工环境，要保证严格控制位移来保证深基坑的稳定。放坡开挖的优势是价格便宜，但缺点众多包括：回填土方大、施工环境限制因素多等。
　　2、深层搅拌水泥土围护墙
　　这种方法采用深层搅拌机充分搅拌输入的水泥泥浆和土，最终形成连续搭接的固体挡墙。这种方式具有多种有点：（1）坑内物支撑物，不影响挖掘机械作业；（2）同时具有挡土和阻水两种功能；（3）修建水泥土挡墙噪音小、污染少适合城市内施工作业；（4）这种支护模式均使用常见施工机械和建材，操作简单，因此成本极低。
　　 3、高压旋喷桩
　　高压旋喷桩和深层搅拌水泥围护墙的原理近似，同样是用水泥浆作为材料，采用能提供高压并旋转的喷嘴将水泥浆喷入四周土层，与泥土混合形成加固体，具有很好的挡土和阻水效果。其有点与深层搅拌水泥土桩一样，对四周建筑物的震动影响小，噪音公害小，对比深层搅拌水泥土桩的优势是其设备紧凑、体积小，方便使用，但缺点是高压喷射水泥浆容易引起粉尘污染。
　　4、槽钢钢板桩
　　槽钢钢板桩的构造简单，常用于较浅基坑和沟槽，深度一般不超过4米，主要使用长度为6至8米的槽钢正反扣搭以及并排搭接形成。这种方法最大的优点是槽钢可以反复利用，不会造成材料浪费，对环境不产生任何污染，施工便利，修筑工期短。当坑及施工结束完成土方回填可直接取出槽钢，等到下次施工继续使用。但此办法的缺点也非常明显，阻水功能差，同时也不能阻止土中的细小颗粒，并且当大量土方堆积时，抗弯曲能力较弱，开挖后容易变形。因此施工中一般在顶部设置一道支撑拉锚来加强支护。
　　5、钢筋混凝土板桩
　　钢筋混凝土板桩曾经广泛使用与基坑支护中。这种方法使用的材料是钢筋混凝土，一般先确定基坑支护所需的截面形状，算出配筋对板桩的受力范围来设计板桩，经工厂预制加工后，再运往施工现场。这种方法的优点是：可根据深基坑的特点来制作适合的板桩，如目前已可制造出厚度超过500mm的板桩。缺点是：（1）对比灌注桩，此种方法的制作成本较高；（2）这些钢筋混凝土板桩需要使用液压锤来打桩，产生极大的噪音和振动，并会造成挤土，因此应用范围受到限制，不适合城市施工采用。
　　6、钻孔灌注桩
　　钻孔灌注桩所形成的的围护墙是在排桩式围护墙中使用最广的一种。这种有钻孔灌注桩有诸多优点很多，比如施工时无振动、噪音和挤土等现象，因此适用于城市中心地带。从支护安全性考虑，钻孔灌注桩围护墙还具有强度高，弯曲变形小，因而大大提高了施工的安全性。这种支护方式多用于深度7至15米的基坑，在我国北方一些土质好的地域，采用的钻孔灌注桩围护墙高度已达到8至9米。
　　7、地下连续墙
　　地下连续墙具有极高的强度，是众多支护方式中强度最大的一种，通常用于地质条件差和地形复杂地区，墙体厚度较大，一般有600mm、800mm、1000mm几种规格，一些特殊环境和地质极差的恶劣环境下，其墙体厚度可以达到1200mm。其特点是施工需要专用设备构筑，因此造价较高，但针对施工难度大的地区，可以起到最大的支护作用。
　　二、支护结构方案的优化与确定
　　（一）支护结构方案的优化
　　深基坑工程涉及面极广，对建筑工程施工的安全性要求极高，因此是一个相当复杂的系统工程。其支护结构的选择也受到多方面因素的制约和影响，很难以修筑费用等单一目标来作出最佳的决策，往往要考虑到施工地域，施工区域地质因素，是一个综合考虑的过程。因而在确定支护结构前，需要多方工程人员进行综合分析，并从几个可行方案中选择出一个最佳方案。选择支护结构的具体考量标准有：可靠性、造价、工期、施工难度、环境影响等。
　　在支护方案确定后还需对该方案的细节做更细致的优化设计，在满足支护功能前提下达到降低支护结构工程造价的根本目的。这个局部优化方案大致要包括以下4个部分：设计变量、目标函数、约束条件以及优化算法。
　　进行方案优化设计需要根据深基坑的支护设计基本参数进行三个层级的优化设计，遵循“安全可行、经济合理、环境保护、施工便利”的原则进行设计：（1）一级优化设计，即在满足设计支护结构满足深基坑要求达到的强度、形变保持力以及稳定性后；（2）二级优化设计，结合深基坑支护结构的施工费用、土方开挖费用、施工监管和检测经费，现在还新增了环保费用支出，确定这些花费的影响；（3）三级优化设计，还需要考虑工程施工对周边居民生活造成的不便、 施工的环境影响、对周边建筑物和地下管道线路安全造成的影响。
　　（二）基坑支护方案的确定
　　要确定基坑支护方案，必须完成一下五个步骤的工作：（1）要对照图纸，了解施工地地质信息，清楚的了解地基持力层、地耐力要求，以及基础埋深和其长宽，对照勘查报告确认持力层，并估算该层是否会加深，最后还要弄清自然地坪至基底的深度。（2）按照勘查报告中所获得各土层的厚度、重度、粘聚力、内摩擦角以及地下水等地质信息来计算得出工程数据。（3）在现场放线丈量施工地与周边建筑物和某些地下管线的基础外边沿距离，评估基坑开挖对周边建筑和自然环境产生的影响，以此来确定基坑开挖的深度、坡度，最后才能确定基坑支护的安全级别。（4）估算基坑支护设施顶面的载荷，并区分静载或活载。（5）经过上述对地质和周边环境因素的考量，再根据自身条件（施工设备、施工季节等），初步选择恰当支方案。
　　三 工程实例
　　（一）工程概况
　　 XX市要修建一座跨河大桥，其主桥墩基坑深度需达9米，由于是跨河大桥，因此基坑侧壁的安全等级较高。桥墩建设地区原为淤泥河滩，地质构造复杂，淤泥层的厚度大，承载力相对较差，要在此地开挖基坑，基坑支护的代价较高。基坑支护主要区域的主要采用建筑垃圾回填土、淤泥、砂砾、风化岩、碎石块，细骨料为沙粘土，因此均匀性极差。该区域地下水主要附存于垃圾回填土、风化岩石的开裂处和间隙处，地下水最浅位置距地表0.5米。该跨河大桥基坑周边为营业码头，因此进行开挖的空间狭窄，不具备放坡开挖条件，必须采取深坑支护。综合上述情况，总结该地区地质条件复杂，图层为杂土和淤泥，地下水位较高，塑性严重，透水性差，因此采用天然快剪指标进行抗剪强度计算。
　　（二）设计优化方案
　　1、由于该地域场地受周围环境限制，不具备大面积放坡开挖条件，地质情况差，地下水水位较高，根据现有的条件和工程手段，应选择排桩加预应力锚杆的支护方式。但由于该区域淤泥层较厚，采用一般锚杆的抗拉力不超过9 K N/m，这样就不满足基坑设计要求，同时在淤泥中制作长锚杆难度较大。在这种情况下，可以采用将内部锚杆支撑结构设计成圆形钢筋砼圈梁，外加小支梁的支撑结构，由于圆形钢筋砼结构受力均匀的特点，能够有效结构中的应力集中，这样可以使载荷均匀。圆形圈梁支护结构的截面设定为1200x8 800mm2。
　　2、通过集中讨论，比较几种成桩方案，最终确定围护桩结构。采用人工挖孔桩，同时配合集水井来场地降水，并在基坑四周均匀分布降水井，打设深度设定约为1.5米，目的是防止地下水位过高，减小人工成孔的难度。
　　3、排桩的结构内撑受力设计采取与基坑底板相同高度，在对应位置加固一根3 0 0 * 3 0 0mm的临时支撑梁，在临时支撑砼的强度达到设计强度后，对圆形内撑圈梁进行拆除，以临时支撑为节点，保持支护结构的悬臂结构。
　　4、完成支护结构的最后步骤是选用Φ800间距1500 ～1800的人工挖孔桩作为维护桩，并在维护桩之间设置200mm厚的砖砌反拱，来减小因基坑土方开挖所产生的淤泥层侧向位移，其目的是保障整个支护结构的稳定性。
　　结语
　　随着土木工程建设的急速发展，深基坑工程得以大量实施，但国内在深基坑支护方案的选择和最终确定环节的工作还不甚完善，带有主观性和片面性。所以，今后对于深基坑支护方案的确定一定要遵循安全可行、经济合理、施工便捷、环境保护的原则进行，才能从根本上提高工程建设的质量。
　　参考文献
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　　[2]杜志娥，某综合楼基坑支护的设计与施工[J]，山西建筑，2011年31期
　　[3]郭建君，张红梅，对建筑工程深基坑支护问题探讨[J]，中国新技术新产品，2012年07期

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