建筑工程深基坑支护结构设计要点分析

建筑工程深基坑支护结构设计要点分析

刘庆凯

刘庆凯

德州市建筑规划勘察设计研究院山东德州253000

摘要：随着经济建设的发展和人们生活水平的提高，近年来我国的各类建筑与市政工程得到飞速发展，多层建筑及高层建筑的地下室、地下车库、地铁车站等工程施工，都会面临深基坑工程。随之而来的基坑支护工程的结构设计就显得非常重要，根据工程的特点进行科学的设计，合理地选择支护结构是基坑安全的重要保证。

1.深基坑工程的特点

1.1风险大

深基坑支护体系一般是临时结构，安全储备较小，具有较大的风险性。深基坑工程施工过程中应进行监测，并应有应急措施。在施工过程中一旦出现险情，需要及时抢险。

1.2深基坑工程具有很强的区域性

如软粘土地基、黄土地基等工程地质和水文地质条件不同的地基中其差异性很大。同一城市不同区域也有差异。深基坑工程的支护体系设计与施工和土方开挖都要因地制宜，根据本地情况进行，外地的经验可以借鉴，但不能简单搬用。

1.3深基坑工程具有很强的个性

深基坑工程的支护体系设计与施工和土方开挖不仅与工程地质水文地质条件有关，还与基坑相邻建（构）筑物和地下管线的位置、抵御变形的能力、重要性，以及周围场地条件等有关。有时保护相邻建（构）筑物和市政设施的安全是深基坑工程设计与施工的关键。这就决定了深基坑工程具有很强的个性。

1.4深基坑工程综合性强

它不仅需要岩土工程知识，也需要结构工程知识，需要土力学理论、测试技术、计算技术及施工机械、施工技术的综合。

1.5深基坑工程具有较强的时空效应

深基坑的深度和平面形状对基坑支护体系的稳定性和变形有较大影响。在深基坑支护体系设计中要注意基坑工程的空间效应。

2.支护结构挡墙的选型

2.1钢板桩

钢板桩常用的有简易的槽钢钢板桩和热轧锁口钢板桩。其中热轧锁口钢板桩的形式有U型、z型、一字型、H型和组合型。我国一般常用者为U型，即互相咬接形成板桩墙，只有在基坑深度很大时才用组合型。

2.2钢筋混凝土板桩。

这是一种传统的支护结构，截面带企口有一定挡水作用，顶部设圈梁，用后不再拔除，永久保留在地基土中，过去多用于钢板桩难以拔除的地段。

2.3钻孔灌注桩排桩挡墙。

常用直径为600～1000mm，做成排桩挡墙，顶部浇筑钢筋混凝土圈梁，设内支撑体系。我国各地都有应用，是支护结构中应用较多的一种。

灌注桩挡墙的刚度较大，抗弯能力强，变形相对较小，在土质较好的地区已有7～8m悬臂桩，在软土地区坑深不超过14m皆可用之，经济效益较好。但其永久保留在地基土中，可能为日后的地下工程施工造成障碍。由于目前施工时难以做到相切，桩之间留有100～150mm的间隙，挡水效果差，有时与深层搅拌水泥土桩挡墙组合应用，前者抗弯，后者做成防水帷幕起挡水作用。

2.4H型钢支柱、木挡板支护挡墙。

这种支护结构适用于土质较好、地下水位较低的地区，国外应用较多，国内也有应用。如北京京城大厦深23.5m的深基坑即用这种支护结构，它将长27m的488mm×300mm的H型钢按1.1m间距打入土中，用三层土锚拉固。H型钢支柱按一定间距打入，支柱间设木挡板或其他挡土设施，用后可拔出回收重复使用，较为经济，但一次性投资较大。

2.5地下连续墙。

地下连续墙已成为深基坑的主要支护结构挡墙之一，国内大城市深基坑工程利用此支护结构为多，常用厚度为600～1000mm，目前也可施工厚度450mm的，上海至今已完成100多万平方米地下连续墙。尤其是地下水位高的软土地区，当基坑深度大且邻近的建（构）筑物、道路和地下管线相距甚近时，往往是首先考虑的支护方案。上海地铁的多个车站施工中都采用地下连续墙。

3.深基坑支护结构设计的要点

3.1深基坑支护结构的设计计算

3.1.1静力平衡法与等值梁法

利用墙前后土压力的极限平衡条件，求出支护结构的插入深度和结构内力等，从理论上说，首先支护结构前后土压力是否达到极限状态是很难确定的，尤其是被动土压力情况有很大的推测性，实际工程测试已证明了这一点；其次该类方法并未考虑结构与土体变形，而变形对土压力重分布及结构内力有很大影响，故该类方法正逐渐失去它原有的地位，但对于简单基坑开挖，静力平衡法中一些简化使计算变得简单，可以凭经验使用。

3.1.2弹性地基梁的m法及弹塑有限元法

m法的优点是考虑了支护结构与土体的变形，但也有一些问题有待解决，如计算时一般工程的参数m难以通过试验确定，现有文献提供的取值范围各地区差别较大，该参数虽按弹性体来计算变形，物理意义明确，但实际参数m则是一个反映弹性的综合指标。工程实践表明，在软土中的悬臂桩支护采用m法计算位移与实测位移有很大差异，实测位移值可达计算值的几倍，这说明桩后土体变形已不再属于弹性范围。

3.2深基坑支护结构的设计思路

3.2.1对于深度不大的基坑支护工程，应首先考虑悬臂式支护结构，该结构主要利用基坑地面以下土体提供的土压力来维持支护体系平衡，主要结构形式为桩排支护结构和地下连续墙两类，当边坡土质较好，地下水位较低时可利用桩排支护结构。

3.2.2地下连续墙因具有良好的抗弯性、防渗性和整体性，且对周围环境影响较小，对地层条件适应性强，墙体长度可任意调节，适用于各种深度基坑的开挖，同时还可采用逆作法施工，因此被广泛采用。

3.2.3悬臂式板桩支挡的优点是不需构筑与拆除支撑结构，同时为土方作业和基础施工提供较自由的操作空间。

3.2.4当基坑较浅或被动区土层性质较好时，悬臂式板桩支护方案较为经济合理；而当基坑较深或被动区土层性质较差时，桩插入深度较大，桩径与配筋量也相对较大,该方案就相对不经济，同时悬臂式支挡的侧向位移一般稍大，这也是需要注意的。

3.2.5在基坑开挖深度相对较大，且对边坡变形要求较高时，就应考虑对悬臂式支护结构增加内支撑的方法，使之形成混合式支护结构，支撑形式常采用锚杆拉接或内支撑形式。

4.支护结构的围护墙计算

4.1荷载与抗力计算

作用于挡墙上的水平荷载，主要是土压力、水压力和地面附加荷载产生的水平荷载。要求精确计算土压力是困难的，因为影响因素根多，它不仅取决于土质，还与挡墙的刚度、施工方法、基坑空间尺寸、无支撑时间的长短、气候条件等有关。可根据《建筑基坑支护技术规程》的规定，对荷载和抗力按所列公式进行计算。

4.2支护结构计算

对于较深的基坑，排桩、地下连续墙围护墙应用最多，其承受的荷载比较复杂，一般应考虑土压力、水压力、地面超载、影响范围内的地面上建筑物和构筑物荷载、施工荷载、邻近基础工程施工的影响（如打桩、基坑土方开挖、降水等）。作为主体结构一部分时，应考虑上部结构传来的荷载及地震作用，需要时应结合工程经验考虑温度变化影响和混凝土收缩、徐变引起的作用以及时空效应。排桩和地下连续墙支护结构的破坏，包括强度破坏、变形过大和稳定性破坏。其强度破坏或变形过大包括：拉锚破坏或支撑压曲，过多地增加了地面荷载引起的附加荷载，或土压力过大、计算有误，引起拉杆断裂，或锚固部分失效、腰梁破坏，或内部支撑断面过小受压失稳。为此需计算拉锚承受的拉力或支撑荷载，正确选择其截面或锚固体。

参考文献

[1]连明华.深基坑支护结构设计探讨[J].建筑知识：学术刊，2011年2期.

[2]龚岳崔.深基坑支护结构设计与施工[J].中外建筑，2009年12期.