城市房屋密集区超限高层深基坑支护方案的选择分析与探讨

　　摘要:深基坑支护方案的优化与选择是一项内涵丰富的系统性工作。本文结合超限高层施工组织的特点，对城市建筑密集区某超限高层深基坑支护方案选择进行了初步分析与探讨，为完善深基坑支护方案的优化提出了思路。

　　关键词:城市房屋密集区，超限高层施工组织，深基坑支护，支护系统选择分析，施工全周期价值评价

　　前言：

　　随着大中城市规划的不断改造升级，超限高层的开发建设速度已逐步加快，这必然对深基坑设计提出了更高的要求，也使城市建筑密集区新建超限高层深基坑支护设计方案合理选择与优化的问题显得日益突出。

　　深基坑支护设计方案的合理选择与优化，对基坑围护结构乃至于实体结构的施工以及周边工程与环境都将产生深远的影响。

　　对于受多因素影响的基坑支护方案的优化方法，已经逐渐发展成为一门较成熟的技术，如王永祥，黄澄等[1](2004)采用层次化分析方法建立了深基坑支护评价体系，运用模糊化理论达到优化选择支护方案，又如王广月[2](2004)结合应用模糊物元、信息论、层次分析理论，建立了深基坑支护决策信息熵模糊层次分析模型，解决了众多模糊性和不确定性因素影响的深基坑支护方案的多目标优化决策问题等。各种理论的基本原理核心都是运用系统工程、模糊数学和集值统计等原理建立评价目标体系，确定各目标在决策中的相对重要程度或目标权重，量化定性目标、选择决策方法，从而归结出合理而又有效的解决方法。

　　对于具体分析理论的应用方法与技巧，在此不多描述，本文仅结合具体工程实例，针对应用于分析理论的个别基础条件参数进行不同角度的分析，将城市房屋密集区超限高层施工组织特色与深基坑支护设计方案优化有机结合起来，以期建立具有工程施工全周期价值评价的综合思维方法，将基坑支护工程与房屋建筑工程设计施工有机结合起来，提升整体经济效益。

　　1、工程情况简介

　　1.1、工程概况

　　工程位于房屋密集市区，占地面积约8000m2，总建筑面积约为170000m2，其中地下室面积约37000m2。该工程分主体塔楼、裙楼和纯地下室三部分，地上75层，地下5层，建筑最大高度约330m，主体塔楼为型钢混凝土框架核心筒结构。工程基础采用人工挖孔桩，基坑开挖深度约20～23.7m，基坑工程安全等级为一级，基坑南北长度约70.0m，东西向最长110m，基坑底线周长约350m。

　　1.2、地质及水文条件

　　场地原始地貌属冲洪积阶地，分布的地层有人工填土层(平均厚度4.43m)、第四系冲洪积层(淤泥质砂及粗砾砂层，平均厚度1.58m及2.62m)、残积层(砾质粘性土，平均厚度8.88m)，下伏基岩为燕山晚期花岗岩(含全、强、中、微风化四带，分别层厚9.99m、9.13m、8.45m、4.92m)。

　　地下水主要赋存于人工填土、第四系砂层及基岩裂隙中，属潜水及基岩裂隙水类型，受大气降水及地下径流补给，水位变化因季节而异。第四系冲洪积淤泥质砂土及粗砾砂为强透水性地层，其他均为弱透水性地层，地下水混合稳定水位埋藏深度为0.41～2.80m。

　　1.3、周边环境条件

　　工程处于市中心城区，周边均为建筑物与道路，建筑外墙线距离红线2.5m，局部1.89m。地下管线密集，环境复杂。

　　场地西南侧距用地红线约16.74m，为多层公共建筑老楼，其基础形式为沉管灌注桩;西北侧为高层建筑(高约为120m)，地下室(3层深12.0m)外墙线距工程用地红线约14.0m;南侧距用地红线约16.86m～19.27m处为高层建筑(38层高130m)，其地下室外墙距用地红线约7.9m。

　　2、方案比较与选择

　　本基坑深度20～26.0m，周边建筑物及地下管线密集且临近城市干道，对变形控制要求高，基坑南侧、西侧有多层和高层重要公共建筑，两侧无法打设锚索。位于场地东北侧的主体塔楼采用型钢混凝土框架核心筒结构体系，地下室施工期间内支撑应避开塔楼核心筒位置。经过以上分析，基坑总体采用排桩+局部内支撑或排桩+局部锚索形式的支护。

　　进行支护方案比选，首先进行围护桩的比选，再考虑整体开挖支护方案和分区开挖分区支护方案的比选，最后进行分区开挖支护方案的比选。

　　2.1.围护桩方案比选

　　结合工程概况，可选取以下两种常见的围护桩型进行比选。

　　方案1：钻孔灌注桩作围护桩，桩间做三管旋喷桩止水。排桩、旋喷桩搭接200mm。由于旋喷桩垂直度较难控制，按照1%垂直度计算，在坑底水平偏差至少达到200mm，排桩、旋喷桩在坑底易形成分叉，对止水帷幕封闭形成不利影响。况且旋喷桩止水效果及造价也不是很经济，因此，该方案非最优。

　　方案2：钻孔咬合桩围护兼作止水帷幕，支护桩(荤桩)与素混凝土桩(素桩)搭接200mm。咬合桩垂直度能够很好的控制，按照垂直度3‰控制，在坑底位置，桩水平偏差最大仅为90mm，可以形成密闭止水帷幕，止水效果好

　　因此，本基坑外围采用钻孔咬合桩围护兼作止水帷幕较方案1效果好。

　　2.2.整体开挖支护和分区开挖分区支护比选

　　方案1：整体开挖支护

　　采用整体开挖支护，西南两侧不能打设锚索，整体上采用排桩+内支撑支护方式。内支撑在塔楼位置采用环撑，其他位置采用对撑和角撑。由于核心筒处于场地东北部位，支撑布置形式将不均匀对撑，对支撑的受力不利。为满足钢结构等施工材料的现场堆放与转运的需求，如在环撑以外的支撑上做临时施工场地，必然加重支撑受力的不均匀。如场外在城市主干道边租用路边绿化用地解决临时周转材料堆场，一方面租金昂贵、不利于市容，同时占地申请难批。而且采用大面积内支撑方式，不利于土方施工，支护结构完成后才能做上部结构，工期要求相对较长。

　　塔楼位置采用环撑的整体开挖内支撑布置图

　　方案2：分区开挖分区支护

　　工程北靠城市主干道，其余三面基坑红线离周边已有的建筑距离较近，施工场地非常狭窄。结合工程场地现状、地勘资料以及该超限高层施工组织的工艺要求，按照平面、空间与时间有机结合的部署原则，“分区支护，主楼优先”复合深基坑支护方案能较好地协调密集建筑区超限高层超深基坑施工组织，立足紧凑性和可移换性，合理布置施工临时设施，优先施工塔楼所在区域的地下室，使塔楼区域形成“不等高同步攀升均衡”立体流水施工组织，为二次结构、装修、机电安装及幕墙工程的及早插入创造条件。同时因地制宜地分区域组织非塔楼部分地下室穿插施工，以便充分利用工作面，最大限度地减小临设占地对后期工程施工的影响，做到投入最低，收效最大，经济适用。具有“突出关键线路、立体化交叉施工组织、缩短整体工期和灵活解决施工临建场地”等诸多优点。

　　总体施工区域划分及顺序示意图分区支护主楼优先施工组织效果图

　　基坑施工采取“分区开挖、分区支护”的原则，整个基坑分为三个区，分区独立开挖支护。首先进行塔楼部分(Ⅰ区)基坑施工，接着进行场地西侧纯地下室部分(Ⅱ区)的基坑施工，最后进行裙房部分(Ⅲ区)基坑施工。

　　在塔楼基坑开挖支护和结构施工过程中，Ⅱ区和Ⅲ区未开挖，能为(Ⅰ区)施工提供有利的施工场地。塔楼(Ⅰ区)施工到地上十层时开始进行Ⅱ区基坑的施工，期间Ⅲ区及Ⅰ区东侧纯地下室部分可作为塔楼主体施工的场地。纯地下室(Ⅱ区)施工到±0.000，即进行Ⅲ区施工，此时Ⅱ区纯地下室顶板区域可做为塔楼主体结构施工场地。

　　综上所述，该基坑开挖宜首选分区开挖支护方案。

　　Ⅰ、Ⅱ区开挖分区支护内支撑布置图Ⅲ区开挖分区支护内支撑布置图

　　2.3.各区支护方案比选

　　(1)Ⅰ区基坑支护方案比选

　　Ⅰ区基坑东北两侧为道路，无建筑物，只存在管线，南侧、西侧为Ⅲ、Ⅱ区场地，具备打设锚索的条件。

　　由于有核心筒的存在，若采用排桩+内支撑，只能采用砼环撑和角撑的结合，会影响土方开挖，同时拆撑麻烦。若采用排桩+锚索支护方案，可节省坑内空间，利于基坑开挖和后期的基础及地下室施工。因此，一区基坑的支护选用排桩+锚索支护结构。

　　第一层土方开挖平面示意图Ⅰ区各层锚索及开挖标高位置示意图

　　(2)Ⅱ区基坑支护方案比选

　　Ⅱ区基坑西南侧为多层公共建筑，西北侧为高层公共建筑，锚索无法打设，因此排除排桩+锚索方案，虽然排桩+支撑方案会影响Ⅱ区地下室的施工，但是它不延误总工期。

　　第一层内支撑及土方开挖平面示意图Ⅱ区各层开挖标高位置示意图

　　(3)Ⅲ区基坑支护方案比选

　　Ⅲ区施工时，基坑西、北两侧地下室均已建成故不需支护，基坑东侧只有20m的宽度，而基坑南侧为高层建筑，无法打设锚索，因此排除排桩+锚索方案，选用排桩+砼角撑支护结构。同时，由于塔楼已形成对撑条件，考虑拆撑方便，三期基坑南侧采用排桩+钢支撑支护结构。

　　第一层内支撑及土方开挖平面示意图Ⅲ区各层开挖标高位置示意图

　　3、分区开挖支护结构方案设计

　　3.1分区开挖支护结构方案设计概述

　　本基坑分三区进行设计。首先沿整个基坑外围做好咬合桩形成封闭的止水帷幕后，再分区开挖分区支护。Ⅰ区基坑采用排桩+锚索支护结构。Ⅱ区基坑采用排桩+砼支撑支护结构。Ⅲ区基坑采用排桩+支撑支护结构，角撑采用砼支撑，对撑采用钢支撑。

　　3.1.1Ⅰ区基坑的支护结构设计

　　Ⅰ区基坑采用桩锚支护，西北角采用排桩+角撑支护。

　　Ⅰ区基坑东北两侧支护桩为咬合桩，设置6道锚索，一桩一锚，间距为1.6m;

　　Ⅰ区基坑西南两侧支护桩为灌注桩，西侧设置5道锚索，基坑南侧冠梁顶部设置一道拉梁与外围咬合桩连接在一起，并设置6道锚索;一桩一锚，间距为1.6m;一期基坑西北角支护桩为咬合桩，设置4道砼角撑。

　　3.1.2Ⅱ区基坑的支护结构设计

　　Ⅱ区基坑北西南三侧采用排桩+砼支撑支护结构，设置4道砼角撑和对撑，基坑西南角圆角处采用排桩+锚索支护，设置5道锚索;支护桩均为咬合桩。

　　Ⅱ区基坑东侧采用悬臂桩+拉梁支护，支护桩为灌注桩。

　　3.1.3三期(Ⅲ区)基坑的支护结构设计

　　Ⅲ区基坑东南角采用排桩+砼角撑支护，设置4道砼角撑;基坑南侧中部采用排桩+钢支护，设置4道钢支撑;基坑南侧西段采用桩锚支护，设置5道锚索;支护桩均为咬合桩。

　　3.2支护结构参数

　　1、咬合桩荤桩选用φ1200@1600，砼强度C30;素桩选用φ800@1600，砼强度C15;荤桩和素桩搭接200mm。

　　2、预应力锚索：采用多束钢绞线，强度等级1860MPa。

　　3、钢筋保护层厚度：桩≥70mm，冠腰梁≥40mm。

　　4、挂网喷砼：Ф6@200×200钢丝网，砼喷面80mm厚。

　　5、锚杆：Ф22钢筋及Ф48δ3.5钢管。

　　6、砼支撑(宽×高)：1000×1200，联梁(宽×高)：800×600，砼强度等级C30。

　　7、钢支撑采用4角钢焊接而成的475×475钢构立柱。

　　4、排水处理及主要施工技术要求

　　4.1排水处理

　　本基坑四周采用咬合桩做止水帷幕，咬合桩素桩深入坑底不少于2.0m。在坑顶设置排水沟以汇集地面积水，避免雨水流入坑内，同时分期在坑底修砌排水沟、基坑底每隔约50m设置一口集水井，在坑顶每侧设置沉砂池，及时将集水汇入沉砂池，经沉淀后再排入市政排水管网。

　　4.2主要施工技术要求

　　咬合桩、灌注桩、立柱桩、土方开挖、砼支撑、冠梁、腰梁、钢支撑施工、拆撑、换撑施工工艺及技术要求，锚索、锚杆或钢花管锚杆、挂网喷射砼、水位观测井、监测设计施工技术要求，常规材料、注浆体强度检测、喷射砼强度及其厚度检验、锚索抗拔检测及咬合桩、灌注桩、冠梁、腰梁、和支撑腰梁的砼强度检测、应急措施等未尽事宜，严格按照《建筑深基坑支护技术规范》SJG05-96和《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99及相关规范施工，篇幅有限，本文不再赘述。

　　结束语

　　基坑支护方案的选择,不仅应与基坑围护工程设计直接相关联的地质与水文、荷载、周边环境等条件相结合,还应遵循整体思维的观念，结合整个工程的施工工艺组织要求，客观全面地分析对比，综合考量技术、工期、成本、环保与绿色施工等各项指标，合理设计、精心优化，片面追求局部或一时的所谓最优或廉价，往往会带来最终更大的成本累加。

　　参考文献

　　[1]王永祥，陈进，黄澄。层次分析法在深基坑支护方案优选中的应用。华东交通大学学报，2004,21(2)：31～34.

　　[2]王广月.深基坑支护决策信息熵模糊层次分析模型，2004,25(5)：737～739.

《城市房屋密集区超限高层深基坑支护方案的选择分析与探讨》

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