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摘要：基坑工程具有难度大、投资大、风险大等特点，深基坑支护结构的优化设计关系到支护工程的安全和投资大小这两方面的根本问题。选择合理的、经济的支护结构体系和正确的计算方法，一直是深基坑支护问题研究的一个重要内容。本文结合工程实例对深基坑支护结构优化设计进行了探讨。
关键词：深基坑；基坑支护；优化设计
中图分类号：TV551.4文献标识码： A 文章编号：
深基坑支护是一个集岩土工程和结构工程于一体的复杂技术，它既涉及土力学中典型的强度、稳定及变形问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用问题。随着高层建筑及地下工程的大量兴建，基坑工程越来越多，支护结构也愈加多样化。如何在确保安全可靠的基础上，根据不同的工程地质水文地质条件、施工环境和施工技术，选择合理的、经济的支护结构体系和正确的计算方法，一直是深基坑支护问题研究的一个重要内容。
某工程，总建筑面积3310M2，建筑基底面积1600M2，基坑面积为983M2。基坑开挖深度为4.9M和6.15M两种。周边环境条件较复杂，东临覆盖渠，南约15M为6层教学主楼，西约7.5M靠游泳训练馆，北10M为旧居民房及其小区单车停车房。见图1。场地地形平坦且开阔，处于珠江三角洲冲积平原，属珠江三角洲海陆交互相沉积地貌单元。各土层的分布及其力学参数见表1。地下水的初见水位埋深为-0.30～-0.60M，稳定水位埋深-0.20～-0.60M，稳定水位标高-1.91～-2.16M，平均-2.00M。
图1某工程平面布置图
表1各土层的分布及其力学参数
该工程采用静压ф300、ф400的预应力管桩，单桩承载特征值分别为800kN及1100kN，桩端持力层为强风化花岗岩。基坑支护设计采用北京理正深基坑5.3进行分析计算，将该基坑支护分成3个不同区段采用不同的方法进行支护：剖面1-1、3-3由于场地限制，采用了有限放坡、分层设土钉、喷砼面层及双排搅拌桩(出土口部位采用五排搅拌桩加固)止水帷幕的“复合型土钉墙”支护型式，2-2由于地下室结构分级要求，遂采用分级放坡、上部缓坡“喷砼面层+木桩压脚”、下部双排搅拌桩止水帷幕结合土钉墙的支护型式。
图2 原桩基方案及基坑支护平面图
2010年7月12日，施工单位进场进行预应力管桩基础施工，2010年8月13日，因接到建设地点北面居民楼居民投诉，反映工程桩基础施工影响房屋的结构安全和有关的使用功能，经建设单位会同其主管部门研究后决定暂时中止工程余下的预应力管桩施工，预应力管桩施工数量为102根，全部为ф400的。
1、桩基础及基坑支护方案结构分析
1.1房屋安全鉴定
建设地点北面的居民楼房是上世纪80年代初建成的砖混结构建筑物，见图3，共两栋五层，根据居民投诉，对建筑物进行初步的检查，发现部分墙体存在裂缝，并且部分门不能正常关闭。初步判断为地基不均匀沉降所造成的，至于近期桩基础施工是否对楼房结构造成影响则难以界定。因年代已久，无法查找到有关的施工技术资料和竣工资料。经查阅有关规范、结合场地地质资料，走访和经验推测方法，推测该建筑物桩基础为锤击灌注桩，且桩体内没有钢筋笼。经研究，决定在基坑开挖前先行停工一段时间，委托专业机构对该建筑物进行安全性鉴定，鉴定结果为：基础施工对楼房结构没有明显的影响。
图3
1.2施工过程分析
土建总承包单位进场进行静压管桩施工，由于旧基础、地梁等旧建筑的基础所阻碍，须设计就桩基础施工不时得进行调整，而施工单位因此也增加了不少的工程量，由于没有旧建筑物的基础图纸，施工单位须现场置一挖掘机(带炮机)，遇上基础和旧承台之类就用机器打掉方能继续进行压桩施工。其时天气炎热，而从勘察报告反映的数据来看：由于地下水主要是靠降水补充。在施工期间没有明显的降水过程，经过观测地下水位没有变化，压桩有关数据见表2。从数据反映来看，场地地形相当适合压桩施工，而且该静压桩机压桩的速度较快。
表2
1.3原桩基础及基坑支护方案复核
基坑支护方案复核见表3。经复核，原设计满足规范要求。
表3
2007年7月，在建设行政主管部门组织的评审讨论会议上，有关的专家认为该方案是基本可行的，对其整体安全性予以肯定，但仍要对部分问题进行完善。
搅拌桩：作为止水幕墙的搅拌桩强度标准并没有明确，应当在设计深化时予以明确。土钉锚杆：锚杆抗拔力不明确；在设计时没有考虑游泳馆桩基础的影响(游泳馆抗拔桩为松木桩)；部分剖面的锚杆施工位置应是位于淤泥层，理论上并不能提供多少抗拔力，锚杆的角度应作调整。出土口坡度不明确，车载对支护的影响设计方案中明显没有考虑等。
1.4结构设计方案分析与优化
针对原设计缺陷，结合工程实际，在原方案的基础上，对不同的剖面进行了细化，分10个剖面。分段见表4，图4。
表4
图4
①增加搅拌桩的数量。钻进深度穿透淤泥层并深入以下2M，实际钻进深度应根据现场实际情况进行，为了提高搅拌桩的挡土性，1-1、6-6、7-7、7’-7’、8-8、8’-8’等剖面加插D48δ3.2的钢管插筋，提高了搅拌桩的刚性和挡土能力。增加角撑，角撑采用I25a工字钢或ф250δ5钢管，连系粱采用I18＃工字钢。
②由于1-1剖面正对游泳馆，取消原设计中引孔式钢管土钉的施工方法，受到场地限制，采用上部有限放坡下部采用搅拌桩重力式挡土墙+预应力锚索+角撑的支护型式；
③在2-2剖面设置立柱桩，桩径为300，内插18＃工字钢，立柱位置设置三根搅拌桩加固，立柱桩长度为深入基坑底6M。采用上部放坡下部直立开挖，并采用复合土钉墙+角撑的支护型式。
④剖面3-3、4-4、5-5采用上部放坡下部直立开挖，采用复合土钉墙+角撑的支护型式，剖面3-3、4-4、5-5采用上部放坡下部分层设锚杆(土钉)、喷砼面层及双排搅拌桩止水幕墙的“复合型土钉墙”支护型式；
⑤剖面6-6、7-7、8-8受民居影响无法实施锚杆施工措施，故采用上部有限放坡下部搅拌桩重力式挡墙+角撑的支护型式；剖面7’-7’采取上部有限放坡下部搅拌桩重力式挡墙+预应力锚索的支护型式；8’-8’剖面受场地限制采用上部有限放坡下部采用搅拌桩重力式挡墙+角撑的支护型式；
⑥1’-1’上部有限放坡下部采用攪拌桩重力式挡墙+预应力锚索的支护型式，同时对东侧出土坡道进行特别加固处理。
⑦设置4段冠梁，包括了剖面1-1、1’-1’、2-2、6’-6’、7-7、8-8，提高了支护的安全系数。
⑧针对可能的车载影响，调整了出土口方向，以获得一定的场地利于加固出土口坡。坡度i<1:4.0,设置10.6×6.6M加固区域，采用格栅式水泥搅拌桩进行加固，为利于凿除辟出坡面，搅拌桩顶部设置空桩，空桩长度1.8M。
⑨调整坡顶实际荷载，考虑到施工材料堆载的问题(2-2、3-3、4-4剖面)距离基坑顶2M范围外的堆载，坡顶2M荷载值不得大于25kPa；其余剖面距离基坑顶1M外荷载娶10kPa。调整的坡顶荷载更加符合施工实际，减少了施工过程中的不便。
⑩为提高设计可靠性，保证北面民居的安全，特在7-7段增加预应力锚索，角度20度。见图四。
为避免施工过程中不可预见的问题，设计单位还提出了要完善基坑工程的应急处理预案。
2、施工方案及施工监测
2.1施工方案
2.1.1基坑土方开挖执行“分区分层分段”的原则
整个基坑可分为两大区域，即“周边区”及“中心区”。由“周边区”向“中心区”方向退挖，出土通道留在中心区并预留出土口，出土口最后开挖支护。
周边区必须服从基坑支护对土方开挖的要求，并服从支护结构施工单位(地基和基础资质)，不允许超挖，周边区土方开挖必须“分层分段”进行，每层土钉分一层，每层高度与与土钉垂直间距相一致，开挖一层支护一层，第一层可以不分段，其余各层必须严格分段开挖，每段长度10～15m，为加快施工进度，允许跳挖，但各段必须间隔5m以上，减少基坑边壁的变形。
基坑周边区土方必须要有统一的指挥和协调。
2.1.2基坑土方开挖必须执行“适时”的原则
基坑开挖前必须保证支护结构各构件的养护时间，保证其达到强度后方可开挖下一层土方。
1、各侧搅拌桩养护时间必须超过15日，桩身强度达到对应的设计强度以上后才能进行土方开挖，搅拌桩的强度应通过抽芯测定。
2、土钉与喷射砼面板施工：下层施工段土方开挖前，必须待上层土钉及锚杆土钉注浆完成24小时后以上才能允许开挖。
3、开挖时，离基坑周边0.5m范围内的土体应由人工清理修坡，以免破坏搅拌桩。
2.1.3搅拌桩施工
由于施工现场原为体校就学生宿舍，而更早之前是覆盖渠的水闸，残留基础结构较多非常多，为了防止搅拌桩在施钻过程中因碰到石块和旧桩台导致搅拌桩垂直度有所偏差，施钻前用挖土机将搅拌桩范围内的土方翻挖一遍，起运石角及块石，保证搅拌桩施工的顺利进行。本工程搅拌桩垂直度允许最大偏差为1％，定位误差不大于50mm。
2.1.4现场试验
1）、土钉强度试验：素填土和淤泥质土不小于5kN/m，中砂和黏性土不小于10kN/m。
2）、砼强度试验：按规范制作砼试块进行室内抗压强度试验。
3）、锚索试验：第一版方案没有提出就锚索进行试验，经建设单位提出，设计单位及时提出在正式施工前须作3根预应力锚索的试验，根据试验结果复核并修改设计参数。
2.1.5其他注意事项
1）、建设单位不能掌握周边地下管线的有关情况，在施工过程中应组织施工单位、项目使用单位(市体校)进行有关的协调工作，将场地内的管线情况传达给施工单位，必要时还得增加额外的工程量，修复或将有关的管线进行改道，在基坑施工过程中和隔壁体校正常的使用和游泳馆正常使用(排水)取得合理的平衡。
2)、任何基础与结构的变更设计都可能引起基坑安全系数的变化，当主体结构设计变更时应通知基坑支护设计单位进行复核。
2.2基坑监测
基坑监测的内容有：基坑坡顶位移及沉降观测，基坑周边道路和和建筑物沉降观测，周边地下水位观测。基坑监测布置图见图5。有关监测数据见表6及表7。
1、观测要求：
(1)基坑坡顶设置12个位移兼沉降观测点，布置间距约15M；基坑周边地面、道路和建筑物拐角处(单栋建筑物不少于3点)共布设17个沉降观测点;于基坑周边设置6个地下水水位观测井；另外通过其他的目测、巡查等多种形式对基坑变形进行全面的了解和监控。
(2)变形观测精度要求不低于三等精度。
(3)基准点应在基坑开挖前观测一次，沉降和位移观测从基坑开挖开始，开挖过程中每1～3日观测一次，挖至坑底30日后若变形稳定可每5～7日测量一次，基坑回填至±0.00时因工程特殊性，继续观测工作2周。
图5
表6
表7
根据规范，本工程支护结构水平位移要求控制在±0.004H之内，且不大于50mm，周围地面沉降变形要求控制在±0.003H之內，且不大于30mm。从有关数据的反映，开挖没有对建筑结构产生结构性的影响。
3、结束语
随着我国经济的高速发展，工程建设领域投资额度的不断增加，各类高层建筑也是逐年增加，随之而来的是各种深基坑的不断涌现，那么做为一名工程工作人员，必须采用科学的设计、施工技术及质量控制措施来保证深基坑支护的安全可靠性。为国家节约每一分钱，为祖国的经济可持续发展做出我们应有的贡献。
关键词：深基坑；基坑支护；优化设计
中图分类号：TV551.4文献标识码： A 文章编号：
深基坑支护是一个集岩土工程和结构工程于一体的复杂技术，它既涉及土力学中典型的强度、稳定及变形问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用问题。随着高层建筑及地下工程的大量兴建，基坑工程越来越多，支护结构也愈加多样化。如何在确保安全可靠的基础上，根据不同的工程地质水文地质条件、施工环境和施工技术，选择合理的、经济的支护结构体系和正确的计算方法，一直是深基坑支护问题研究的一个重要内容。
某工程，总建筑面积3310M2，建筑基底面积1600M2，基坑面积为983M2。基坑开挖深度为4.9M和6.15M两种。周边环境条件较复杂，东临覆盖渠，南约15M为6层教学主楼，西约7.5M靠游泳训练馆，北10M为旧居民房及其小区单车停车房。见图1。场地地形平坦且开阔，处于珠江三角洲冲积平原，属珠江三角洲海陆交互相沉积地貌单元。各土层的分布及其力学参数见表1。地下水的初见水位埋深为-0.30～-0.60M，稳定水位埋深-0.20～-0.60M，稳定水位标高-1.91～-2.16M，平均-2.00M。
图1某工程平面布置图
表1各土层的分布及其力学参数
该工程采用静压ф300、ф400的预应力管桩，单桩承载特征值分别为800kN及1100kN，桩端持力层为强风化花岗岩。基坑支护设计采用北京理正深基坑5.3进行分析计算，将该基坑支护分成3个不同区段采用不同的方法进行支护：剖面1-1、3-3由于场地限制，采用了有限放坡、分层设土钉、喷砼面层及双排搅拌桩(出土口部位采用五排搅拌桩加固)止水帷幕的“复合型土钉墙”支护型式，2-2由于地下室结构分级要求，遂采用分级放坡、上部缓坡“喷砼面层+木桩压脚”、下部双排搅拌桩止水帷幕结合土钉墙的支护型式。
图2 原桩基方案及基坑支护平面图
2010年7月12日，施工单位进场进行预应力管桩基础施工，2010年8月13日，因接到建设地点北面居民楼居民投诉，反映工程桩基础施工影响房屋的结构安全和有关的使用功能，经建设单位会同其主管部门研究后决定暂时中止工程余下的预应力管桩施工，预应力管桩施工数量为102根，全部为ф400的。
1、桩基础及基坑支护方案结构分析
1.1房屋安全鉴定
建设地点北面的居民楼房是上世纪80年代初建成的砖混结构建筑物，见图3，共两栋五层，根据居民投诉，对建筑物进行初步的检查，发现部分墙体存在裂缝，并且部分门不能正常关闭。初步判断为地基不均匀沉降所造成的，至于近期桩基础施工是否对楼房结构造成影响则难以界定。因年代已久，无法查找到有关的施工技术资料和竣工资料。经查阅有关规范、结合场地地质资料，走访和经验推测方法，推测该建筑物桩基础为锤击灌注桩，且桩体内没有钢筋笼。经研究，决定在基坑开挖前先行停工一段时间，委托专业机构对该建筑物进行安全性鉴定，鉴定结果为：基础施工对楼房结构没有明显的影响。
图3
1.2施工过程分析
土建总承包单位进场进行静压管桩施工，由于旧基础、地梁等旧建筑的基础所阻碍，须设计就桩基础施工不时得进行调整，而施工单位因此也增加了不少的工程量，由于没有旧建筑物的基础图纸，施工单位须现场置一挖掘机(带炮机)，遇上基础和旧承台之类就用机器打掉方能继续进行压桩施工。其时天气炎热，而从勘察报告反映的数据来看：由于地下水主要是靠降水补充。在施工期间没有明显的降水过程，经过观测地下水位没有变化，压桩有关数据见表2。从数据反映来看，场地地形相当适合压桩施工，而且该静压桩机压桩的速度较快。
表2
1.3原桩基础及基坑支护方案复核
基坑支护方案复核见表3。经复核，原设计满足规范要求。
表3
2007年7月，在建设行政主管部门组织的评审讨论会议上，有关的专家认为该方案是基本可行的，对其整体安全性予以肯定，但仍要对部分问题进行完善。
搅拌桩：作为止水幕墙的搅拌桩强度标准并没有明确，应当在设计深化时予以明确。土钉锚杆：锚杆抗拔力不明确；在设计时没有考虑游泳馆桩基础的影响(游泳馆抗拔桩为松木桩)；部分剖面的锚杆施工位置应是位于淤泥层，理论上并不能提供多少抗拔力，锚杆的角度应作调整。出土口坡度不明确，车载对支护的影响设计方案中明显没有考虑等。
1.4结构设计方案分析与优化
针对原设计缺陷，结合工程实际，在原方案的基础上，对不同的剖面进行了细化，分10个剖面。分段见表4，图4。
表4
图4
①增加搅拌桩的数量。钻进深度穿透淤泥层并深入以下2M，实际钻进深度应根据现场实际情况进行，为了提高搅拌桩的挡土性，1-1、6-6、7-7、7’-7’、8-8、8’-8’等剖面加插D48δ3.2的钢管插筋，提高了搅拌桩的刚性和挡土能力。增加角撑，角撑采用I25a工字钢或ф250δ5钢管，连系粱采用I18＃工字钢。
②由于1-1剖面正对游泳馆，取消原设计中引孔式钢管土钉的施工方法，受到场地限制，采用上部有限放坡下部采用搅拌桩重力式挡土墙+预应力锚索+角撑的支护型式；
③在2-2剖面设置立柱桩，桩径为300，内插18＃工字钢，立柱位置设置三根搅拌桩加固，立柱桩长度为深入基坑底6M。采用上部放坡下部直立开挖，并采用复合土钉墙+角撑的支护型式。
④剖面3-3、4-4、5-5采用上部放坡下部直立开挖，采用复合土钉墙+角撑的支护型式，剖面3-3、4-4、5-5采用上部放坡下部分层设锚杆(土钉)、喷砼面层及双排搅拌桩止水幕墙的“复合型土钉墙”支护型式；
⑤剖面6-6、7-7、8-8受民居影响无法实施锚杆施工措施，故采用上部有限放坡下部搅拌桩重力式挡墙+角撑的支护型式；剖面7’-7’采取上部有限放坡下部搅拌桩重力式挡墙+预应力锚索的支护型式；8’-8’剖面受场地限制采用上部有限放坡下部采用搅拌桩重力式挡墙+角撑的支护型式；
⑥1’-1’上部有限放坡下部采用攪拌桩重力式挡墙+预应力锚索的支护型式，同时对东侧出土坡道进行特别加固处理。
⑦设置4段冠梁，包括了剖面1-1、1’-1’、2-2、6’-6’、7-7、8-8，提高了支护的安全系数。
⑧针对可能的车载影响，调整了出土口方向，以获得一定的场地利于加固出土口坡。坡度i<1:4.0,设置10.6×6.6M加固区域，采用格栅式水泥搅拌桩进行加固，为利于凿除辟出坡面，搅拌桩顶部设置空桩，空桩长度1.8M。
⑨调整坡顶实际荷载，考虑到施工材料堆载的问题(2-2、3-3、4-4剖面)距离基坑顶2M范围外的堆载，坡顶2M荷载值不得大于25kPa；其余剖面距离基坑顶1M外荷载娶10kPa。调整的坡顶荷载更加符合施工实际，减少了施工过程中的不便。
⑩为提高设计可靠性，保证北面民居的安全，特在7-7段增加预应力锚索，角度20度。见图四。
为避免施工过程中不可预见的问题，设计单位还提出了要完善基坑工程的应急处理预案。
2、施工方案及施工监测
2.1施工方案
2.1.1基坑土方开挖执行“分区分层分段”的原则
整个基坑可分为两大区域，即“周边区”及“中心区”。由“周边区”向“中心区”方向退挖，出土通道留在中心区并预留出土口，出土口最后开挖支护。
周边区必须服从基坑支护对土方开挖的要求，并服从支护结构施工单位(地基和基础资质)，不允许超挖，周边区土方开挖必须“分层分段”进行，每层土钉分一层，每层高度与与土钉垂直间距相一致，开挖一层支护一层，第一层可以不分段，其余各层必须严格分段开挖，每段长度10～15m，为加快施工进度，允许跳挖，但各段必须间隔5m以上，减少基坑边壁的变形。
基坑周边区土方必须要有统一的指挥和协调。
2.1.2基坑土方开挖必须执行“适时”的原则
基坑开挖前必须保证支护结构各构件的养护时间，保证其达到强度后方可开挖下一层土方。
1、各侧搅拌桩养护时间必须超过15日，桩身强度达到对应的设计强度以上后才能进行土方开挖，搅拌桩的强度应通过抽芯测定。
2、土钉与喷射砼面板施工：下层施工段土方开挖前，必须待上层土钉及锚杆土钉注浆完成24小时后以上才能允许开挖。
3、开挖时，离基坑周边0.5m范围内的土体应由人工清理修坡，以免破坏搅拌桩。
2.1.3搅拌桩施工
由于施工现场原为体校就学生宿舍，而更早之前是覆盖渠的水闸，残留基础结构较多非常多，为了防止搅拌桩在施钻过程中因碰到石块和旧桩台导致搅拌桩垂直度有所偏差，施钻前用挖土机将搅拌桩范围内的土方翻挖一遍，起运石角及块石，保证搅拌桩施工的顺利进行。本工程搅拌桩垂直度允许最大偏差为1％，定位误差不大于50mm。
2.1.4现场试验
1）、土钉强度试验：素填土和淤泥质土不小于5kN/m，中砂和黏性土不小于10kN/m。
2）、砼强度试验：按规范制作砼试块进行室内抗压强度试验。
3）、锚索试验：第一版方案没有提出就锚索进行试验，经建设单位提出，设计单位及时提出在正式施工前须作3根预应力锚索的试验，根据试验结果复核并修改设计参数。
2.1.5其他注意事项
1）、建设单位不能掌握周边地下管线的有关情况，在施工过程中应组织施工单位、项目使用单位(市体校)进行有关的协调工作，将场地内的管线情况传达给施工单位，必要时还得增加额外的工程量，修复或将有关的管线进行改道，在基坑施工过程中和隔壁体校正常的使用和游泳馆正常使用(排水)取得合理的平衡。
2)、任何基础与结构的变更设计都可能引起基坑安全系数的变化，当主体结构设计变更时应通知基坑支护设计单位进行复核。
2.2基坑监测
基坑监测的内容有：基坑坡顶位移及沉降观测，基坑周边道路和和建筑物沉降观测，周边地下水位观测。基坑监测布置图见图5。有关监测数据见表6及表7。
1、观测要求：
(1)基坑坡顶设置12个位移兼沉降观测点，布置间距约15M；基坑周边地面、道路和建筑物拐角处(单栋建筑物不少于3点)共布设17个沉降观测点;于基坑周边设置6个地下水水位观测井；另外通过其他的目测、巡查等多种形式对基坑变形进行全面的了解和监控。
(2)变形观测精度要求不低于三等精度。
(3)基准点应在基坑开挖前观测一次，沉降和位移观测从基坑开挖开始，开挖过程中每1～3日观测一次，挖至坑底30日后若变形稳定可每5～7日测量一次，基坑回填至±0.00时因工程特殊性，继续观测工作2周。
图5
表6
表7
根据规范，本工程支护结构水平位移要求控制在±0.004H之内，且不大于50mm，周围地面沉降变形要求控制在±0.003H之內，且不大于30mm。从有关数据的反映，开挖没有对建筑结构产生结构性的影响。
3、结束语
随着我国经济的高速发展，工程建设领域投资额度的不断增加，各类高层建筑也是逐年增加，随之而来的是各种深基坑的不断涌现，那么做为一名工程工作人员，必须采用科学的设计、施工技术及质量控制措施来保证深基坑支护的安全可靠性。为国家节约每一分钱，为祖国的经济可持续发展做出我们应有的贡献。