超高层建筑地下基坑支撑结构设计探讨
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【摘要】随着我国经济的快速发展，城市用地日渐紧张。越来越多的城市建筑不得不向高层发展，这使得基坑的深度越来越大。深基坑支撑结构能有效保证基坑施工场地与周围环境的安全性，减少在施工过程中对周边环境的影响。为探寻更好的深基坑支撑结构设计方案，论文综合对比了传统的深基坑支撑结构和与主体结构相结合的深基坑支撑结构，得出在一些特殊的施工情况下，与主体结构相结合的深基坑支撑结构具有明显的优势。
【关键词】城市建筑；施工；支撑结构
随着我国经济的快速发展，为缓解城市用地紧张的局面，现在许多新建的民用住宅都选择采用高层甚至超高层建筑的形式。而一些城市的地标性建筑，例如，上海的中心大厦、深圳的平安金融中心、广州的周大福金融中心等，也选择采用超高层建筑的形式。而在超高层建筑设计中，最基本也最重要的则是超高层建筑地下基坑支撑结构设计。如何既保证基坑与地下结构安全，又保证上层建筑的稳定，同时，兼顾速度、经济、环保等多重要求，这成为现阶段我国超高层建筑地下基坑支撑结构设计的主要目标。针对不同城市的不同地质水文条件等，我国主要采用了放坡开挖、重力式水泥挡土墙、土钉墙支撑结构、排桩围护支护、地下连续墙等结构设计形式来确保基坑施工过程中和今后的日常使用时的基础结构的安全性、适用性和经济技术性。深基坑支撑作为基坑施工中的临时工程，施工单位为了节省施工时所需要产生的支撑结构的经济额度，为缩短基坑施工所需要的时间，往往不够重视深基坑支撑结构。这就需要施工单位与设计单位通力合作，在施工的过程中，提高重视度，树立安全意识，在施工的过程中，多与设计单位进行沟通，了解设计目的、施工难点等技术问题。
2传统支撑结构存在的问题
目前，在我国支撑结构设计中，在考虑土压力的影响下，多采用放坡开挖、重力式水泥挡土墙、土钉墙支撑结构、排桩围护支护、地下连续墙等结构设计形式。而这些较为传统的结构设计形式大多存在着或多或少的缺点。
2.1经济效益问题。在传统的深基坑支撑结构中，都需要依靠支撑结构自身材料的强度、刚度等安全维度来对抗来自侧向的土压力和来自结构上方的道路和原有的建筑的自重，同时，还要考虑到道路四周汽车和人所产生的活荷载。这其中的钢筋用量之大可想而知。大量的内支撑结构也被用到这些结构来维持整个支撑结构的整体性、稳定性。对于现代高层居民住房或商场，都需要2～3层地下车库，这类建筑的设计标高将达到16m甚至更大。在基坑四周的防水帷幕或是基坑围护结构都需要用到大量的钢筋混凝土。地铁是现代人通勤常用的工具之一，在建设大型地铁站时，如2条地铁线路相交的站，需要开挖的基坑深度更甚前者。地铁站的施工通常都在城市的繁华地段，对于人们的出行带来了困难，也为施工沿路的商铺带来经济损失。所以这些需要大量钢筋混凝土的基坑，还需进行拆除工作，所需要的材料、人工以及对周边环境的经济影响极大。
2.2时间问题。施工时，施工单位需要进行基坑的大幅开挖，并按照设计图将土钉、混凝土桩按规定位置进行摆放，在使用外力机器的作用下，将这些支撑结构嵌入土中。这些传统的深基坑支撑结构大多采用顺做法进行施工。应用顺做法进行挖土时，先挖方至设计标高，再从下往上依次做底板、墙体和顶板等主体设施。所以施工无法做到地上地下同时施工，只能按照次序，由下自上地进行施工。这个问题大幅度降低了施工单位在施工主体结构时工作平台的参与度，从而大幅度增加了施工所需要的时间。施工单位还需要对这些临时支撑结构进行拆除，这其中也需要花费大量的时间。对于基坑的开挖，由于有大量支撑结构的存在，所以开挖受到限制，如大型的开挖设备进场施工受到限制。传统基坑支撑结构的施工大多暴露在露天环境下，而混凝土的现场搅拌、基坑的开挖等施工行为会受到施工场地的气候影响。在雨天，这些施工行为都要暂停，对于夏季多雨的南方来说，这些基坑支撑结构所需要的施工时间也会因为环境因素延长。
2.3刚度问题。作为临时支撑的深基坑支撑结构的刚度较小，对于周边环境因开挖深基坑而引起的变形控制能力较弱。如若控制不当，则可能对水管、暖气管等刚性管道带来不可逆转的变形。同时，地面也会发生受力不均匀而产生地表沉降，进而引起地表隆起，这需要在施工后进行基坑所在地附近的管道修复、地表整平。作为临时性的基坑支护工程，在围护结构建设完成之后，还需对这些支撑结构进行拆除。这使得围护结构不仅要承受巨大的土压力、水压力，还要承受拆除工程所带来的二次受力和二次变形，在一定程度上降低围护结构的刚度，可能会带来地下室外墙和底板收缩开裂等问题。
2.4施工问题。超高层建筑所需要开挖的基坑深度远大于一些普通的高层建筑，而这其中也需要大量的内支撑结构。这些基坑围护结构所需要的费用也随之大大提升。同时，如此多且复杂的深基坑支撑结构也大大提高了施工单位在深基坑施工时的难度。由于工艺流程的增加、施工工艺参数之间的相互限制，需减少在市区施工时对于周围地理环境的影响，这些要素也都从方方面面提高了施工的难度。这也同时要求施工单位的施工人员具有一定的施工知识、读图识图能力并且熟练地掌握并使用施工工具。
3传统支撑结构问题的解决办法
在面对上述传统支撑结构的诸多问题时，近年来出现了一种创新的支撑结构体系，即与主体结构相结合的支撑结构。这种支撑结构利用地下室的外墙，同时利用地下室的梁板柱等受力构件共同对基坑进行支护，仅在一些施工段上运用传统的支撑结构。这无论是对于钢筋用量，还是对于周边环境的影响都较小。在一些城市建筑较为密集、临近建筑物沉降较为敏感的地方一般都优先采用这种支撑结构体系。
3.1水平构件相结合。与主体结构相结合的支撑结构体系主要依靠地下主体结构的水平构件———梁、板等，这些水平构件相比于传统的基坑支撑结构，在基坑开挖过程中，能提供更大的力，支撑刚度更大，对于基坑施工时可能产生的水平位移、变形等都有较高的控制水平。同时，传统的支撑结构体系在基坑施工完成之后需要进行拆除工作，整体结构会受到二次受力和二次变形。自然对于土体的支撑刚度变大，所以这种支撑结构有效避免附近道路的隆起，对地下管线的影响降到最低。这样不仅减少了施工对环境带来的影响，也使得附近居民生活得到充分的保障。这种与地下主体结构相结合的支撑结构无需拆除，减少了整体结构受扰动的可能性，整体刚度也相较传统的支撑结构更大，稳定性得到提高。这种结构体系利用了地下室本本该有的受力构件，一个构件有2个用处：在基坑施工过程中，作为基坑的支撑结构；在整个工程竣工后，又作为地下室的承力结构。该支撑结构设计思路十分新颖，相比于传统的受力构件，不必进行临时支护，这种一举两得的支撑结构，大大减少了在基坑施工过程中基坑支护所需要的钢筋。因此，在这种设计思路下，钢筋用量也随之大大减少，随之而来的则是施工单位经济效益的提高。
3.2竖直构件相结合。与主体结构相结合的支撑结构体系则主要依靠地下主体结构的竖直构件———墙、柱等。在基坑支撑结构体系中，施工完成的地下室外墙也同样能承受来自水平方向的土压力。地下室外墙就成为永久性的支撑结构体系，安全性也得到提高。同样地，这样的结构体系也减少了施工工程中的钢筋用量。
4结语
当前，在周围建筑较多的城市施工时，越来越多的设计方案采用与主体结构相结合的支撑结构设计方案。这样的结构设计方案有着费用低、施工快、影响小的特点，这些特点无不契合了城市施工的要求。在超高层建筑的基坑支撑结构施工时，应注重对施工场地的监测，重视施工时可能引起的土体偏移等不良现象，对于产生的不良影响需采取有效的结构弥补方案。在目前研究技术水平不断得到提高的大环境下，针对超高层建筑深基坑支撑结构的设计会在现有的设计基础上实现突破。
【参考文献】
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【3】岳建勇,周春,任臻,等.超高层建筑地下主体结构与深基坑支护结构相结合的设计和实践[J].岩土工程学报,2006(S1):1552-1555.
【4】蔡涛.高层建筑地下结构的设计与施工[J].中华建设,2015(4):132-133.
作者:田晗纬 单位:同济大学浙江学院
