超高層建筑地下基坑支撐結構設計分析
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【摘要】隨著我國經(jīng)濟的快速發(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。深基坑支撐結構能有效保證基坑施工場地與周圍環(huán)境的安全性，減少在施工過程中對周邊環(huán)境的影響。為探尋更好的深基坑支撐結構設計方案，論文綜合對比了傳統(tǒng)的深基坑支撐結構和與主體結構相結合的深基坑支撐結構，得出在一些特殊的施工情況下，與主體結構相結合的深基坑支撐結構具有明顯的優(yōu)勢。
【關鍵詞】城市建筑；施工；支撐結構
隨著我國經(jīng)濟的快速發(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。而在超高層建筑設計中，最基本也最重要的則是超高層建筑地下基坑支撐結構設計。如何既保證基坑與地下結構安全，又保證上層建筑的穩(wěn)定，同時，兼顧速度、經(jīng)濟、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構設計的主要目標。針對不同城市的不同地質水文條件等，我國主要采用了放坡開挖、重力式水泥擋土墻、土釘墻支撐結構、排樁圍護支護、地下連續(xù)墻等結構設計形式來確?；邮┕み^程中和今后的日常使用時的基礎結構的安全性、適用性和經(jīng)濟技術性。深基坑支撐作為基坑施工中的臨時工程，施工單位為了節(jié)省施工時所需要產(chǎn)生的支撐結構的經(jīng)濟額度，為縮短基坑施工所需要的時間，往往不夠重視深基坑支撐結構。這就需要施工單位與設計單位通力合作，在施工的過程中，提高重視度，樹立安全意識，在施工的過程中，多與設計單位進行溝通，了解設計目的、施工難點等技術問題。
2傳統(tǒng)支撐結構存在的問題
目前，在我國支撐結構設計中，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、土釘墻支撐結構、排樁圍護支護、地下連續(xù)墻等結構設計形式。而這些較為傳統(tǒng)的結構設計形式大多存在著或多或少的缺點。
2.1經(jīng)濟效益問題
在傳統(tǒng)的深基坑支撐結構中，都需要依靠支撐結構自身材料的強度、剛度等安全維度來對抗來自側向的土壓力和來自結構上方的道路和原有的建筑的自重，同時，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。大量的內支撐結構也被用到這些結構來維持整個支撐結構的整體性、穩(wěn)定性。對于現(xiàn)代高層居民住房或商場，都需要2～3層地下車庫，這類建筑的設計標高將達到16m甚至更大。在基坑四周的防水帷幕或是基坑圍護結構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，在建設大型地鐵站時，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)濟損失。所以這些需要大量鋼筋混凝土的基坑，還需進行拆除工作，所需要的材料、人工以及對周邊環(huán)境的經(jīng)濟影響極大。
2.2時間問題
施工時，施工單位需要進行基坑的大幅開挖，并按照設計圖將土釘、混凝土樁按規(guī)定位置進行擺放，在使用外力機器的作用下，將這些支撐結構嵌入土中。這些傳統(tǒng)的深基坑支撐結構大多采用順做法進行施工。應用順做法進行挖土時，先挖方至設計標高，再從下往上依次做底板、墻體和頂板等主體設施。所以施工無法做到地上地下同時施工，只能按照次序，由下自上地進行施工。這個問題大幅度降低了施工單位在施工主體結構時工作平臺的參與度，從而大幅度增加了施工所需要的時間。施工單位還需要對這些臨時支撐結構進行拆除，這其中也需要花費大量的時間。對于基坑的開挖，由于有大量支撐結構的存在，所以開挖受到限制，如大型的開挖設備進場施工受到限制。傳統(tǒng)基坑支撐結構的施工大多暴露在露天環(huán)境下，而混凝土的現(xiàn)場攪拌、基坑的開挖等施工行為會受到施工場地的氣候影響。在雨天，這些施工行為都要暫停，對于夏季多雨的南方來說，這些基坑支撐結構所需要的施工時間也會因為環(huán)境因素延長。
2.3剛度問題
作為臨時支撐的深基坑支撐結構的剛度較小，對于周邊環(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，則可能對水管、暖氣管等剛性管道帶來不可逆轉的變形。同時，地面也會發(fā)生受力不均勻而產(chǎn)生地表沉降，進而引起地表隆起，這需要在施工后進行基坑所在地附近的管道修復、地表整平。作為臨時性的基坑支護工程，在圍護結構建設完成之后，還需對這些支撐結構進行拆除。這使得圍護結構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結構的剛度，可能會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大于一些普通的高層建筑，而這其中也需要大量的內支撐結構。這些基坑圍護結構所需要的費用也隨之大大提升。同時，如此多且復雜的深基坑支撐結構也大大提高了施工單位在深基坑施工時的難度。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)施工時對于周圍地理環(huán)境的影響，這些要素也都從方方面面提高了施工的難度。這也同時要求施工單位的施工人員具有一定的施工知識、讀圖識圖能力并且熟練地掌握并使用施工工具。
3傳統(tǒng)支撐結構問題的解決辦法
在面對上述傳統(tǒng)支撐結構的諸多問題時，近年來出現(xiàn)了一種創(chuàng)新的支撐結構體系，即與主體結構相結合的支撐結構。這種支撐結構利用地下室的外墻，同時利用地下室的梁板柱等受力構件共同對基坑進行支護，僅在一些施工段上運用傳統(tǒng)的支撐結構。這無論是對于鋼筋用量，還是對于周邊環(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)先采用這種支撐結構體系。
3.1水平構件相結合
與主體結構相結合的支撐結構體系主要依靠地下主體結構的水平構件———梁、板等，這些水平構件相比于傳統(tǒng)的基坑支撐結構，在基坑開挖過程中，能提供更大的力，支撐剛度更大，對于基坑施工時可能產(chǎn)生的水平位移、變形等都有較高的控制水平。同時，傳統(tǒng)的支撐結構體系在基坑施工完成之后需要進行拆除工作，整體結構會受到二次受力和二次變形。自然對于土體的支撐剛度變大，所以這種支撐結構有效避免附近道路的隆起，對地下管線的影響降到最低。這樣不僅減少了施工對環(huán)境帶來的影響，也使得附近居民生活得到充分的保障。這種與地下主體結構相結合的支撐結構無需拆除，減少了整體結構受擾動的可能性，整體剛度也相較傳統(tǒng)的支撐結構更大，穩(wěn)定性得到提高。這種結構體系利用了地下室本本該有的受力構件，一個構件有2個用處：在基坑施工過程中，作為基坑的支撐結構；在整個工程竣工后，又作為地下室的承力結構。該支撐結構設計思路十分新穎，相比于傳統(tǒng)的受力構件，不必進行臨時支護，這種一舉兩得的支撐結構，大大減少了在基坑施工過程中基坑支護所需要的鋼筋。因此，在這種設計思路下，鋼筋用量也隨之大大減少，隨之而來的則是施工單位經(jīng)濟效益的提高。
3.2豎直構件相結合
與主體結構相結合的支撐結構體系則主要依靠地下主體結構的豎直構件———墻、柱等。在基坑支撐結構體系中，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構體系，安全性也得到提高。同樣地，這樣的結構體系也減少了施工工程中的鋼筋用量。
4結語
當前，在周圍建筑較多的城市施工時，越來越多的設計方案采用與主體結構相結合的支撐結構設計方案。這樣的結構設計方案有著費用低、施工快、影響小的特點，這些特點無不契合了城市施工的要求。在超高層建筑的基坑支撐結構施工時，應注重對施工場地的監(jiān)測，重視施工時可能引起的土體偏移等不良現(xiàn)象，對于產(chǎn)生的不良影響需采取有效的結構彌補方案。在目前研究技術水平不斷得到提高的大環(huán)境下，針對超高層建筑深基坑支撐結構的設計會在現(xiàn)有的設計基礎上實現(xiàn)突破。
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作者：田晗緯 單位：同濟大學浙江學院