超高層建筑地下基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析
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【摘要】隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市用地日漸緊張。越來越多的城市建筑不得不向高層發(fā)展，這使得基坑的深度越來越大。深基坑支撐結(jié)構(gòu)能有效保證基坑施工場(chǎng)地與周圍環(huán)境的安全性，減少在施工過程中對(duì)周邊環(huán)境的影響。為探尋更好的深基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，論文綜合對(duì)比了傳統(tǒng)的深基坑支撐結(jié)構(gòu)和與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的深基坑支撐結(jié)構(gòu)，得出在一些特殊的施工情況下，與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的深基坑支撐結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
【關(guān)鍵詞】城市建筑；施工；支撐結(jié)構(gòu)
1超高層建筑地下基坑支撐結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀
隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為緩解城市用地緊張的局面，現(xiàn)在許多新建的民用住宅都選擇采用高層甚至超高層建筑的形式。而一些城市的地標(biāo)性建筑，例如，上海的中心大廈、深圳的平安金融中心、廣州的周大福金融中心等，也選擇采用超高層建筑的形式。而在超高層建筑設(shè)計(jì)中，最基本也最重要的則是超高層建筑地下基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如何既保證基坑與地下結(jié)構(gòu)安全，又保證上層建筑的穩(wěn)定，同時(shí)，兼顧速度、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等多重要求，這成為現(xiàn)階段我國超高層建筑地下基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。針對(duì)不同城市的不同地質(zhì)水文條件等，我國主要采用了放坡開挖、重力式水泥擋土墻、土釘墻支撐結(jié)構(gòu)、排樁圍護(hù)支護(hù)、地下連續(xù)墻等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式來確保基坑施工過程中和今后的日常使用時(shí)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)技術(shù)性。深基坑支撐作為基坑施工中的臨時(shí)工程，施工單位為了節(jié)省施工時(shí)所需要產(chǎn)生的支撐結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)額度，為縮短基坑施工所需要的時(shí)間，往往不夠重視深基坑支撐結(jié)構(gòu)。這就需要施工單位與設(shè)計(jì)單位通力合作，在施工的過程中，提高重視度，樹立安全意識(shí)，在施工的過程中，多與設(shè)計(jì)單位進(jìn)行溝通，了解設(shè)計(jì)目的、施工難點(diǎn)等技術(shù)問題。
2傳統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)存在的問題
目前，在我國支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在考慮土壓力的影響下，多采用放坡開挖、重力式水泥擋土墻、土釘墻支撐結(jié)構(gòu)、排樁圍護(hù)支護(hù)、地下連續(xù)墻等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式。而這些較為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式大多存在著或多或少的缺點(diǎn)。
2.1經(jīng)濟(jì)效益問題
在傳統(tǒng)的深基坑支撐結(jié)構(gòu)中，都需要依靠支撐結(jié)構(gòu)自身材料的強(qiáng)度、剛度等安全維度來對(duì)抗來自側(cè)向的土壓力和來自結(jié)構(gòu)上方的道路和原有的建筑的自重，同時(shí)，還要考慮到道路四周汽車和人所產(chǎn)生的活荷載。這其中的鋼筋用量之大可想而知。大量的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)也被用到這些結(jié)構(gòu)來維持整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性。對(duì)于現(xiàn)代高層居民住房或商場(chǎng)，都需要2～3層地下車庫，這類建筑的設(shè)計(jì)標(biāo)高將達(dá)到16m甚至更大。在基坑四周的防水帷幕或是基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)都需要用到大量的鋼筋混凝土。地鐵是現(xiàn)代人通勤常用的工具之一，在建設(shè)大型地鐵站時(shí)，如2條地鐵線路相交的站，需要開挖的基坑深度更甚前者。地鐵站的施工通常都在城市的繁華地段，對(duì)于人們的出行帶來了困難，也為施工沿路的商鋪帶來經(jīng)濟(jì)損失。所以這些需要大量鋼筋混凝土的基坑，還需進(jìn)行拆除工作，所需要的材料、人工以及對(duì)周邊環(huán)境的經(jīng)濟(jì)影響極大。
2.2時(shí)間問題
施工時(shí)，施工單位需要進(jìn)行基坑的大幅開挖，并按照設(shè)計(jì)圖將土釘、混凝土樁按規(guī)定位置進(jìn)行擺放，在使用外力機(jī)器的作用下，將這些支撐結(jié)構(gòu)嵌入土中。這些傳統(tǒng)的深基坑支撐結(jié)構(gòu)大多采用順做法進(jìn)行施工。應(yīng)用順做法進(jìn)行挖土?xí)r，先挖方至設(shè)計(jì)標(biāo)高，再從下往上依次做底板、墻體和頂板等主體設(shè)施。所以施工無法做到地上地下同時(shí)施工，只能按照次序，由下自上地進(jìn)行施工。這個(gè)問題大幅度降低了施工單位在施工主體結(jié)構(gòu)時(shí)工作平臺(tái)的參與度，從而大幅度增加了施工所需要的時(shí)間。施工單位還需要對(duì)這些臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除，這其中也需要花費(fèi)大量的時(shí)間。對(duì)于基坑的開挖，由于有大量支撐結(jié)構(gòu)的存在，所以開挖受到限制，如大型的開挖設(shè)備進(jìn)場(chǎng)施工受到限制。傳統(tǒng)基坑支撐結(jié)構(gòu)的施工大多暴露在露天環(huán)境下，而混凝土的現(xiàn)場(chǎng)攪拌、基坑的開挖等施工行為會(huì)受到施工場(chǎng)地的氣候影響。在雨天，這些施工行為都要暫停，對(duì)于夏季多雨的南方來說，這些基坑支撐結(jié)構(gòu)所需要的施工時(shí)間也會(huì)因?yàn)榄h(huán)境因素延長(zhǎng)。
2.3剛度問題
作為臨時(shí)支撐的深基坑支撐結(jié)構(gòu)的剛度較小，對(duì)于周邊環(huán)境因開挖深基坑而引起的變形控制能力較弱。如若控制不當(dāng)，則可能對(duì)水管、暖氣管等剛性管道帶來不可逆轉(zhuǎn)的變形。同時(shí)，地面也會(huì)發(fā)生受力不均勻而產(chǎn)生地表沉降，進(jìn)而引起地表隆起，這需要在施工后進(jìn)行基坑所在地附近的管道修復(fù)、地表整平。作為臨時(shí)性的基坑支護(hù)工程，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)建設(shè)完成之后，還需對(duì)這些支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除。這使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)不僅要承受巨大的土壓力、水壓力，還要承受拆除工程所帶來的二次受力和二次變形，在一定程度上降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，可能會(huì)帶來地下室外墻和底板收縮開裂等問題。
2.4施工問題
超高層建筑所需要開挖的基坑深度遠(yuǎn)大于一些普通的高層建筑，而這其中也需要大量的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)。這些基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)所需要的費(fèi)用也隨之大大提升。同時(shí)，如此多且復(fù)雜的深基坑支撐結(jié)構(gòu)也大大提高了施工單位在深基坑施工時(shí)的難度。由于工藝流程的增加、施工工藝參數(shù)之間的相互限制，需減少在市區(qū)施工時(shí)對(duì)于周圍地理環(huán)境的影響，這些要素也都從方方面面提高了施工的難度。這也同時(shí)要求施工單位的施工人員具有一定的施工知識(shí)、讀圖識(shí)圖能力并且熟練地掌握并使用施工工具。
3傳統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)問題的解決辦法
在面對(duì)上述傳統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)的諸多問題時(shí)，近年來出現(xiàn)了一種創(chuàng)新的支撐結(jié)構(gòu)體系，即與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的支撐結(jié)構(gòu)。這種支撐結(jié)構(gòu)利用地下室的外墻，同時(shí)利用地下室的梁板柱等受力構(gòu)件共同對(duì)基坑進(jìn)行支護(hù)，僅在一些施工段上運(yùn)用傳統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)。這無論是對(duì)于鋼筋用量，還是對(duì)于周邊環(huán)境的影響都較小。在一些城市建筑較為密集、臨近建筑物沉降較為敏感的地方一般都優(yōu)先采用這種支撐結(jié)構(gòu)體系。
3.1水平構(gòu)件相結(jié)合
與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的支撐結(jié)構(gòu)體系主要依靠地下主體結(jié)構(gòu)的水平構(gòu)件———梁、板等，這些水平構(gòu)件相比于傳統(tǒng)的基坑支撐結(jié)構(gòu)，在基坑開挖過程中，能提供更大的力，支撐剛度更大，對(duì)于基坑施工時(shí)可能產(chǎn)生的水平位移、變形等都有較高的控制水平。同時(shí)，傳統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)體系在基坑施工完成之后需要進(jìn)行拆除工作，整體結(jié)構(gòu)會(huì)受到二次受力和二次變形。自然對(duì)于土體的支撐剛度變大，所以這種支撐結(jié)構(gòu)有效避免附近道路的隆起，對(duì)地下管線的影響降到最低。這樣不僅減少了施工對(duì)環(huán)境帶來的影響，也使得附近居民生活得到充分的保障。這種與地下主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的支撐結(jié)構(gòu)無需拆除，減少了整體結(jié)構(gòu)受擾動(dòng)的可能性，整體剛度也相較傳統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)更大，穩(wěn)定性得到提高。這種結(jié)構(gòu)體系利用了地下室本本該有的受力構(gòu)件，一個(gè)構(gòu)件有2個(gè)用處：在基坑施工過程中，作為基坑的支撐結(jié)構(gòu)；在整個(gè)工程竣工后，又作為地下室的承力結(jié)構(gòu)。該支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路十分新穎，相比于傳統(tǒng)的受力構(gòu)件，不必進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，這種一舉兩得的支撐結(jié)構(gòu)，大大減少了在基坑施工過程中基坑支護(hù)所需要的鋼筋。因此，在這種設(shè)計(jì)思路下，鋼筋用量也隨之大大減少，隨之而來的則是施工單位經(jīng)濟(jì)效益的提高。
3.2豎直構(gòu)件相結(jié)合
與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的支撐結(jié)構(gòu)體系則主要依靠地下主體結(jié)構(gòu)的豎直構(gòu)件———墻、柱等。在基坑支撐結(jié)構(gòu)體系中，施工完成的地下室外墻也同樣能承受來自水平方向的土壓力。地下室外墻就成為永久性的支撐結(jié)構(gòu)體系，安全性也得到提高。同樣地，這樣的結(jié)構(gòu)體系也減少了施工工程中的鋼筋用量。
4結(jié)語
當(dāng)前，在周圍建筑較多的城市施工時(shí)，越來越多的設(shè)計(jì)方案采用與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案有著費(fèi)用低、施工快、影響小的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)無不契合了城市施工的要求。在超高層建筑的基坑支撐結(jié)構(gòu)施工時(shí)，應(yīng)注重對(duì)施工場(chǎng)地的監(jiān)測(cè)，重視施工時(shí)可能引起的土體偏移等不良現(xiàn)象，對(duì)于產(chǎn)生的不良影響需采取有效的結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)方案。在目前研究技術(shù)水平不斷得到提高的大環(huán)境下，針對(duì)超高層建筑深基坑支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)會(huì)在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)突破。
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作者：田晗緯 單位：同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院