高层建筑基坑工程设计的探讨

高层建筑基坑工程设计的探讨

摘要：随着我国城市化的快速发展使得城市建设用地越来越紧张，周边环境越来越严峻。城市规模日益增大，深基坑工程也急剧增加。。深基坑工程设计施工的影响因素较多，与其他工程相比，难度比较大。深基坑工程作为当前工程建设研究的重难点之一，直接影响我国工程建设整体的发展。本文结合工程实际，对高层建筑基坑工程设计进行探讨，以供类似工程参考。

关键词：高层建筑；基坑工程设计

1 工程概况

该项目地上部分为5栋30～35 层高层住宅、办公楼及 4～6 层商业，地下部分一般为三层，中间局部地下四层，总建筑面积约 29. 2万m2。其主楼主要为框剪、框筒、框架结构形式，采用桩筏基础；地库为框架结构形式，采用抗拔桩基础。该项目基坑呈不规则多边形，周长约 700m，开挖面积约 28000m2。地下三层部分基坑挖深 13. 2m（局部 15. 1m），中间地下四层部分挖深 16. 8m；地下四层与三层间高差 3. 6m。

2 工程地质条件

建筑场地位于相对稳定地带。根据岩土工程勘察报告，基坑涉及到的土层以软粘土和粉土为主，场地土层分布及物理力学指标如表 1 所示。

表 1 场地土层分布及物理力学指标

图1 地质分区示意图

场地内潜水赋存于第①层中，由大气降水、市河及生活用水等补给，以蒸发、渗流等方式排泄，水位随季节变化；勘察期间测得潜水稳定水位一般为地面下0. 2 ～ 1. 8m，相当于黄海标高 2. 6m 左右，水位变化幅度约为 ±1. 0m。承压水分为第Ⅰ层和第Ⅱ层承压水，其中第Ⅰ层埋藏于第④～⑥及⑧、⑨1层粉土、粉砂中，第Ⅱ层主要埋藏于深度 70m 以下的第（11）层砂土中。第Ⅰ层水头埋深为1. 7m 左右，综合渗透系数 K =1. 83m / d，经计算本基坑工程需考虑第Ⅰ层承压水的影响。基坑的设计与施工中应针对上述地质条件采取针对性的措施。

3 周边环境

本项目拟建场地主要位于市中心老城区，原有建筑及民宅较多，场地内有大量的旧基础及大块建筑垃圾。市河从场地中间穿过，位于本场地范围内的市河在建设施工期间将截断，待工程建成后再贯通（利用地下二层空间建设一个涵管）。场地四周均为城市主次干道，交通繁忙，环境相当复杂，地下管线众多。

4 总体设计方案

4. 1 基坑特点

从基坑工程的规模、主体结构的特点、周围环境条件及土层地质条件等分析，本工程基坑特点显著。

（1）场地位于闹市区，周边分布较多的建构筑物，路下管线众多，周围环境复杂，即整个施工过程中，需保护的对象较多。

（2）场地内填土厚度较大，局部存在地下障碍物，给围护结构施工前的清障工作带来很多困难，为确保围护桩的施工质量，前期清障需到位。

（3）场地地层条件复杂，土层分布不均匀。好土区域分布有较厚的粉土层，基坑止水体系至关重要；差土区域分布较厚的淤泥质粉质粘土，土性较差，对控制基坑变形不利；同时基坑设计与施工需考虑承压含水层的影响。

（4）基坑开挖面积大，影响范围广，开挖深度深，需严格控制基坑开挖引起围护及周边环境的变形。

（5）基坑在中心市区，开挖出土速度难以得到有效保证，故施工周期控制比较困难，

同时该基坑土方量十分可观，而且工程工期目标苛刻，应选取一种适合加快施工速度的基坑

支护方案。

（6）基坑中部市河穿过，河道在施工前的处理问题也是本基坑工程设计中需重点考虑

的因素。

4. 2 总体设计

图3 基坑围护剖面图一（差土区）

根据本基坑工程上述的几个特点分析，结合长三角地区类似工程的实践经验，经与业主方、施工方及其他各相关参建方的讨论，最终确定本基坑工程采用钻孔灌注桩挡土，三轴水

泥土搅拌桩止水，同时竖向设置二道钢筋混凝土圆环水平支撑。

根据场地浅层土分布及基坑深度，好土区采用 850、950 灌注桩，插入比 1：0. 62；差

土区采用 1000、1100 灌注桩，插入比 1：1. 03；基坑外圈采用单排 850@ 1200 三轴水泥土搅拌桩作止水帷幕。坑内地下三、四层高差部分（高差 3. 8m）采用了竖向结合水平土钉的支

护结构，剖面图见图 2、3。

4. 3 承压水处理

对承压水的处理对策一般有隔断和降压两种选择，考虑到本基坑对变形控制的要求较为

严格，设计对此处承压水采取了三轴水泥土搅拌桩止水帷幕隔断、坑内疏干的处理措施。该

场地内第Ⅰ承压含水层相对较浅，相对隔水层第⑦层粉质粘土、第⑨层粉质粘土普遍较薄，隔断止水帷幕的平面范围及深度需根据承压水层及隔水层的具体分布确定，止水帷幕深度以

穿透承压水层进入相对不透水层（具有一定厚度且稳定）为原则。由于局部区域的承压水层

层底埋深较深，故止水帷幕最深需达到 37m。

4. 4 大直径圆环支撑设计

对于该基坑工程，合理采用圆环支撑体系，可确保整个工程的综合效益，本工程圆环支

撑内圆直径122m，外圆直径 142m。

（1）结构受力性能合理。该基坑面积较大，单边边长约 210m。采用以水平受压为主的

圆环支撑形式，一方面可有效避免其他支撑布置形式中超长支撑杆件的出现，另一方面可充

分发挥混凝土材料优越的受压特性，而且具有刚度大和变形小的特点。

（2）加快土方开挖速度。采用圆环支撑布置形式，基坑内无支撑面积大，便于土方开挖，可有效缩短施工工期。

（3）经济效益十分显著。大量工程实践表明，采用圆环支撑体系，用料节省，与各类

支撑结构相比有较大幅度的下降。

（4）设计施工需具有丰富和完善的经验。大直径圆环支撑体系平面外失稳也是必须重

点考虑的问题，圆环支撑对不均匀荷载比较敏感，由于圆环结构的固有受力特性，分布分区

开挖又必然引起圆环的不均匀受荷，使支撑受力处于不利状态。故对于设计，适当加深立柱

桩的长度，同时选择较好的桩端持力层，从而达到更为严格地控制基坑实施过程中立柱竖向

沉降量或隆起量；对于施工，要求土方开挖流程应确保圆环支撑受力的均匀性，圆环四周坑

边应土方均匀、对称开挖，同时要求土方开挖必须在上道支撑完全形成后进行，因此对施工

单位的管理与技术能力要求相对更高。

图4 第一道支撑平面布置图

4. 5 场地内部市河处理

由于场地内市河南北贯通，故施工前需在两端隔断河水，且隔断位置要与围护体保持一

定的距离，隔断区内河道需将河水抽净、河道两边驳岸体拆除，同时采用物理力学性质较好

的土进行回填；为防止市河两端处支护结构外侧临空，使支撑体系受力均匀，保证基坑围护

安全，坑外市河回填区一定要严格确保回填范围及回填土质量。

5 施工主要问题处理

基坑围护施工应从施工图设计、围护结构施工到基坑开挖实行全过程风险控制，规避工

程风险。本工程在施工过程中遇到几个特殊问题及处理方法如下。

（1）南侧围护桩施工时遇原有建筑物 6 根预制方桩，无法清除。采用围护桩位调整，增