某商务大厦深基坑工程优化设计分析
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作者: 王继伟
摘要：本文阐述了深基坑支护设计方案的比选原则，并以某商务大厦深基坑工程为研究对象，对其基坑优化设计进行了深入地比较与分析，谨供大家作参考之用。
关键词：深基坑工程 比选原则 支护方案
1、前言
深基坑工程的优化设计主要从四个方面进行：技术的可靠性、先进性以及施
工的可行性；经济效益；环境影响；工期。深基坑工程的优化设计按其阶段的不
同，可分为两大步，系统优化与设计计算优化。系统优化，也即方案优化，是指
根据某一深基坑工程所要达到的目标而优化选出一个最佳的方案。设计计算优化
是在支护系统确定后，对具体方案的细部进行优化计算，如锚杆或支撑点的位置、
支护桩的桩径等优选，优化的目标是使深基坑工程总体造价最小。
目前，在实际工程中，还存在着两种极端的现象。一是由于设计和施工方面
的原因而导致深基坑工程事故，造成重大经济损失，特别是引起基坑周边的建筑
物、道路以及水、电、煤气管网等生命线工程的破坏:二是支护选型和设计极为保守，造成浪费。后者往往更加难以引起人们的注意。在深基坑工程招标中，各投标单位由于采用支护和设计方法的不同，报价相差一倍以上的情况并不鲜见。因此，如何使得深基坑工程做到安全、经济就成为目前一个亟待解决的课题。本文结合某商务大楼深基坑工程自身的特点，提出基坑工程优化设计的原理和方法。
2、基坑支护设计方案的比选原则
根据基坑支护类型选择的依据和优选比较的原则，同时结合本工程的现场踏
勘和工程勘察报告，按照支护类型方案选择的流程，本文进行了如下地分析：
该场地地面平整，无岩溶、滑坡等不良的地质作用和可液化地层，特殊性岩
土表现为填土、粉土以及透水性强的砂、砾。填涂层分布稳定，厚度大，松散，
容易松垮，岩土参数变异性大，基坑开挖时必须进行支护；粉土为稍密状态，强
度低，稳定性差，也是支护时要重点考虑的土层；而场地内砂、砾等主要含水层
透水性较强，在基坑开挖降水时可能造成金星大道路面沉陷，又因含水层与相邻河流水相通，在桩基开挖时可能引起突涌等人为地质灾害，其止水需要重点考虑。
根据以上情况，本基坑支护设计的原则和内容如下：
⑴以规划红线为界，设基坑顶部截排水沟，将基坑以外的地表水拦截引基坑，坑壁底部设排水沟，基坑内地表积水引至积水井，集中抽排。
⑵针对场地的特殊性岩土，根据基坑的不同深度，分别选用技术经济可行的方案进行防护设计，确保施工期间基坑及周边环境的安全。
⑶针对砂、砾的强透水性，在设计方案时，考虑旋喷注浆等止水措施，以不采取降水为原则，避免因抽水引发的地面沉降及突涌等隐患的发生。
⑷考虑周边环境以及支护结构本身的安全，建立基坑开挖期间完整的安全防护和地表变形监控系统。
⑸根据规范、地质勘察报告及岩土工程信息化施工要求，实际基坑防护的内容应该根据施工时对基坑的监测及现场实际情况适时进行调整。调整包括设计调整和参数调整。设计调整包括设计参数调整和设计修改，设计参数调整应该从现场获得，设计修改将根据调整后的设计参数和实际地质情况进行。
3、选型依据及拟采用的基坑支护方案
3.1选型依据
此基坑安全等级为二级，形状规则，但面积较大，商务大楼基坑为144m×78m的矩形。建筑物设计地面标高为34m，二层地下室砌置深度10.5m，地下室底部标高为23.5m，采用梁式筏板基础，外围基础梁约1.2m。
基坑地处某市郊区，基坑四周比较空旷，周围环境对变形控制要求不高。但基坑面积较大，平均挖深超过10m，支护长度较长。同时场地土质情况较复杂，由地质剖面图可得基坑北部基坑深度为11.79～12.48m，西部深度为9.02～12.57m，东部深度为7.65～13.62m，南部深度为8.27～10.31m。场地基坑开挖范围土层均为素填土、粉质粘土、粉土、卵石，其中素填土、粉质粘土、粉土均为易失稳坍塌土层。此外，场地地下水水位高、水量丰富，基坑开挖深度大，基坑存在粉质粘土、粉土，开挖时可能产生管涌、坑底突涌等现象。
根据以上情况，本基坑支护设计的原则和依据如下：
⑴开挖范围素填土、粉质粘土、粉土均为易失稳坍塌土层，且基坑安全等级为二级，故应进行安全有效的支护。
⑵基坑四周比较空旷，周围环境对变形控制要求不是非常高，故应尽量采用相对经济的支护方案。
⑶根据各处基坑的不同深度及四围场地条件，可分段选用技术经济可行的方案进行防护设计。
⑷场地周边土质情况较复杂，上覆层存在大量素填土，地下水位非常丰富，故不宜采用土锚或锚杆等进行支护。
⑸基坑面积较大，采用内支撑需设置的支撑材料太多，且开挖后需加设许多工程桩，影响基坑挖土作业，故必要时应优先选用外支撑形式。
⑹场地地下水水位高、水量丰富，卵石层中赋存孔隙承压水，直接与周边河流水连通，成互补关系。同时基坑开挖深度大，土层中存在粉质粘土、粉土，开挖时可能产生管涌、坑底突涌等现象，故应采取适宜的人工降水措施并设置止水帷幕。
⑺基坑坑底有压力水头很高的承压水，同时设计中布置了止水帷幕，故优先选用坑内井点降水。基坑平均降水深度均超过10米，应选用真空井点降水或深井降水等降水能力较强的管点设备。
⑻考虑周边环境以及既有建筑基础的埋深和型式，建立基坑开挖期间完整的安全防护和地表变形监控体系。
3.2支护方案设计
根据基坑目前的场地现状，对该基坑采取了支护和止水等措施，以使基坑开
挖期间安全可靠。同时考虑城市基坑开挖引起环境影响，基坑开挖期间，应对既
有建筑及基坑周边地表的位移监测。具体设计如下：
⑴止水设计
基坑底部的卵石层为赋存丰富的孔隙承压水的强透水层，卵石层下为残积粗
砂层，为粘性土胶结，是较好的隔水层。设计中不对止水帷幕进行流土条件验算，
故可将止水帷幕置入粘性土层中1~2m作为悬挂式止水帷幕。竖向止水帷幕设计
中采用双排搅拌桩搭接形成隔水帷幕。由于采用坑内降水，且坑底有较好的隔水
层，故不设置水平止水帷幕。
⑵支护方案设计
综合本工程的工程水文地质条件、周边环境条件：本基坑在基坑西、北、南
侧实际挖深较浅，有足够场地空间，故统一进行放坡后布置深层搅拌水泥土挡墙
支护；基坑东侧实际挖深较深，且紧贴市政道路，故布置钻孔灌注桩支护，计算
后如必要可加设锚杆。
⑶动态设计法与信息法施工
考虑基坑开挖与既有建筑物的关系，应建立有效的位移、变形和应力监测系
统，采取动态设计和信息法施工，不仅可以指导基坑施工而且可以检验其治理效
果。
3.3计算区段的划分
根据具体环境条件、地下结构及土层分布厚度，按照方案初选的方案将该基坑划分为两个计算区段，东边采用钻孔灌注桩，其余边采用水泥土挡墙支护。
3.4计算方法
基坑设计中土压力参照《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-99）土压力模
式计算。为使设计简便，偏安全地不考虑墙前土的固结作用；不考虑地面荷载q的扩散作用，将其简化等效为土层自重荷载。设计中对目前较流行的几种基坑土压力计算法进行了简单比较，分析了其正确性。由于支护结构内力是随工况变化的，设计时按最不利情况考虑。
水泥土墙设计按上海经验公式确定挡墙宽度和深度，然后按传统重力式墙验算其各项稳定性。排桩按悬壁式围护结构中静力平衡法计算，根据桩端力矩求出桩长，并用m值法计算了桩顶位移。
为进行对比分析，除用解析法计算外，还用理正软件电算以验正，并采用有限元软件PLAXIS进行了仿真模拟。
3.5土压力系数计算
按照朗肯土压力计算理论作为土侧向压力设计的计算依据，即：主动土压力系数:；被动土压力系数:。
4、结语
综上所述，通过分析该商务大楼工程概况及周边环境、基坑工程条件、水文地质等条件，结合深基坑支护方案优选的比较原则，着重分析了本基坑支护设计的原则和内容，介绍了深基坑支护结构设计的主要计算方法，使本深基坑工程支护方案优化设计能够得以实现。
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