论述建筑工程深基坑支护的施工技术

胡思宪

摘要：随着城市建设快速发展，建筑密度随着城市现代化的推进而增大，随着高层建筑、超高层建筑的不断兴建，高层建筑的深基坑开挖支护问题日益突出，如何解决深基础施工中的安全问题也越来越突出。基坑开挖深度越来越深，开挖环境日益复杂，深基坑开挖与支护不当，极易引起群死群伤，设计及施工人员经常遇到新的问题及新的挑战。本文结合工程实例，对深基坑支护技术问题进行论述。

关键词: 基坑支护 支护结构施工工艺

中图分类号：TU74

前言

目前，建筑领域中，不管是房屋建筑，市政隧道，地铁工程，还是地下防空掩体，都涉及到深基坑的施工，深基坑的安全管理贯穿于项目规划、项目设计、施工、运营的全过程，它是一个系统工程，必须引起管理者的高度重视。本文着重对建筑工程基础施工中深基坑支护的重要性进行了阐述, 并提出了深基坑支护过程中各个施工阶段的控制要点及解决的措施。

1. 深基坑工程的主要特点

随着城市建设中高层、超高层建筑的大量涌现,深基坑工程越来越多。同时，密集的建筑物大深度的基坑周围复杂的地下设施,使得放坡开挖这一传统技术不再能满足现代城镇建设的需要,因此,深基坑开挖与支护引起了各方面的广泛重视。尤其是90年代以来,基坑开挖与支护问题已经成为我国建筑工程界的热点问题之一,基坑工程数量、规模、分布急剧增加。经过十几年的发展,目前我国深基坑工程具有以下特点:

(1)建筑趋向高层化,基坑向大深度方向发展;

(2)基坑开挖面积大,长度与宽度有的达数百米,给支撑系统带来较大的难度;

(3)在软弱的土层中,基坑开挖会产生较大的位移和沉降,对周围建筑物、市政设施和地下管线产生严重威胁;

(4)深基坑施工工期长、场地狭窄,降雨、重物堆放等对基坑稳定性不利;

(5)在相邻场地的施工中,打桩、降水、挖土及基础浇注混凝土等工序会相互制约与影响,增加协调工作的难度;

(6)支护型式的多样性。迄今为止,支护型式有数十种。

2、基坑支护类型

深基坑支护的传统施工方法是板桩支撑系统或板桩锚拉系统,其优点是材料可以回收,缺点是支撑往往是在开挖之后施加的,拔出板桩时又会引起土体的进一步变形。目前工程所采用的支护结构型式多样,按其受力性能大致可分为四大类,即悬臂式支护结构、单(多)支点混合结构、重力式挡土结构及拱式支护结构,其主要型式如图1所示。

3、基坑支护结构的设计计算

3.1静力平衡法与等值梁法

利用墙前后土压力的极限平衡条件来求插入深度、结构内力等。从理论上说,首先,支护结构前后土压力是否达到极限状态,很难确定,尤其是被动土压力情况,有很大的盲目性,实际工程测试已证明了这一点。其次该类方法未考虑结构与土体变形,而变形对土压力的重分布及结构内力有很大影响,故该类方法正逐渐失去它原有的地位。但对于简单基坑开挖,静力平衡法中一些简化使计算较为简单,可以凭经验使用。

3.2弹性地基梁的m法及弹塑有限元法

m法优点是考虑了支护结构与土体的变形,但各自仍有一些问题有待解决。m法计算时,参数m一般工程难以通过试验确定,现有文献提供的取值范围,各地区差别大,这个参数虽然按弹性体来计算变形,物理意义明确,但实际参数m是一个反映弹性的综合指标;工程实践表明,在软土中的悬臂桩支护采用m法计算位移与实测位移有很大差异。实测位移是计算值的好几倍。这说明桩后土体变形已不再属于弹性范围(参看表1)。另外,m法无法直接确定支护结构的插入深度,通常假定试算有很大的随意性,有时桩底落在软弱土层中,还须经验来修正。

有限单元法作为今后基坑支护设计计算的发展方向,它的优点不但考虑了土体与支护结构的变形,而且可以得出塑性区的分布,从而判断支护结构的整体稳定性。但选取合理的结构模型与计算参数,以及塑性区范围与稳定性之间的定量关系均缺乏经验。在结构计算方面,建立了能考虑基坑围护结构和土压力的空间非线性共同作用理论及其计算方法,并编成程序,方便高效地完成基坑维护工程的计算。在设计理论方面,采用动态反演和预报方法,通过将现场量测信息、优化反演参数、围护结构体系变形与稳定性分析有机结合,可以对基坑支护位移和安全性预测建立动态预报体系。基坑开挖动态预报框图（见图2）。

4、深基坑技术的发展趋势

4.1深基坑支护结构方案优选

深基坑支护结构的设计与施工不同于上部结构。除地基土类别的不同外,地下水位的高低、土的物理力学性质指标及周边环境等,都直接与支护结构的选型有关。支护结构型式选择合理,就能做到安全可靠、施工顺利、缩短工期,带来可观的经济与社会效益,可见支护结构形式的优化选择是深基坑支护技术发展的必然趋势。一般而言,深基坑支护设计方案的优选宜遵从图3流程进行

图2基坑开挖动态预报框图

此外,为达到方案的最优化,有时根据地层土质的变化、基坑周围环境,也可采用更为灵活的组合支护方案。

4.2施工工艺发展趋势

(1)土钉墙方案的大量实施,使得喷射混凝土技术得以充分运用和发展。为减少喷射混凝土的回弹量以及保护环境的需要,湿式喷射混凝土将逐步取代干式喷射混凝土。

(2)基坑向着深、大、周围环境复杂的方向发展,使得深基坑开挖与支护的难度愈来愈大。受地下空间的限制,内支撑或新型锚杆(如可拆式锚杆、抗拔力较大的全程应力复合型锚杆)将逐渐得以推广运用。

(3)为减少基坑工程对带来的环境效应(如因降水引起的地面沉降),或出于保护地下水资源的需要,有时基坑采用帷幕型式进行支护,除地下连续墙外,一般采用旋喷桩或深层搅拌桩等工法构筑止水帷幕。目前,有将水利工程中防渗墙的工法引入到基坑工程中的趋势。

(4)基坑降水时,为减少因降水引起的地面附加沉降或对临近建(构)筑物造成的影响,可采用井点回灌技术。

(5)在软土地区,为避免基坑底部隆起、造成支护结构水平位移加大和临近建(构)筑物下沉,可采用深层搅拌桩或注浆技术对基坑底部土体进行加固,即提高支护结构被动区土体强度的方法。

(6)为减少坑壁土体的侧向变形,可以通过基坑内外双液快速注浆加固土体;也可以对支撑(或拉结)施加预应力;还可以调整挖土进度以及支撑的施工程序等措施来限制基坑的侧向变形。

4.3信息监测与信息化施工技术

为了保护环境而加强监测。现已用计算机监测,可以提供施工过程中支护体系及环境的受力状态及变形数据。由于信息技术及加固技术的提高,已经可以实现毫米级的变形控制。

5、深基坑支护当前存在的问题

5.1支护结构设计计算与实际受力不符

目前,深基坑支护结构的设计计算仍基于极限平衡理论,但支护结构的实际受力并不那么简单。工程实践证明,有的支护结构的按极限平衡理论计算的安全系数,从理论上讲是绝对安全的,但却发生破坏;有的支护结构却恰恰相反,即安全系数虽然比较小,甚至达不到规范的要求,但在实际工程中获得成功。极限平衡理论是深基坑支护结构的一种静态设计,而实际上开挖的土体是一种动态平衡状态,也是一个松弛过程,随着时间的延长,土体强度逐渐下降,并产生一定的变形。这说明在设计中必须给予充分的考虑,但在目前的设计计算中却常被忽视。

5.2 设计中土体的物理力学参数选择不当

深基坑支护结构所承担的土压力大小直接影响其安全度,但要精确地计算土压力目前还十分困难,至今仍在采用库仑公式或郎肯公式。关于土体物理力学参数的选择是一个十分复杂的问题,尤其在深基坑开挖后,三参数是可变值,很难准确计算出支护结构的实际受力。

在支护结构设计中,如果对地基土体的物理力学参数取值不准,将对设计的结果产生很大的影响。试验数据表明:内摩擦角ψ值相差50,主动土压力P就会相差10;原土体的Ca值与开挖后土体的Cb值,则差别更大。施工工艺和支护结构形式不同,对土体的物理力学参数的选择是支护结构设计中的关键。

5.3深基坑开挖存在的空间效应考虑不周

深基坑开挖中大量的实测资料表明:基坑周边向基坑内发生的水平位移是中间大两边小。深基坑边坡失稳常常以长边的居中位置发生。这说明深基坑开挖是一个空间问题。

传统的深基坑支护结构的设计是按平面应变问题处理的。对一些细长条基坑来讲,这种平面应变假设比较符合实际,而对近似方形或长方形深基坑则差别比较大。所以,在未能进行空间问题处理前而需按平面应变假设设计时,支护结构的构造要适当调整,以适应开挖空间效应的要求。

5.4深基坑土体的取样具有不完全性

在支护结构设计前,必须对地基土层进行取样分析试验,以取得土体比较合理的物理力学指标,为支护结构的设计提供依据。一般在深基坑开挖区域内,按照国家规范的要求进行钻探取样。为减少勘探的工作量和降低工程造价,不可能钻孔过密。因此,所取得的土样具有一定的随机性。但是,地质构造是极其复杂、多变的,取得的土样不可能全面反映地基土层的真实性。因此,支护结构的设计也就不一定完全符合实际。

6、结束语

深基坑工程的施工是一个循序渐进的过程, 施工单位应按先设计、后施工的程序施工, 并尽量做到边施工、边监测, 还要遵循“分层开挖, 先撑后挖, 随挖随撑, 对称均衡, 限时限量”的原则, 杜绝盲目施工和野蛮施工的现象, 加强对整个深基坑施工过程的控制, 保证工程顺利、安全地完成。

参考文献

[1]黄强编著.深基坑支护工程设计技术[M].北京:中国建材工业出版社,2008

[2]高大钊主编.深基坑工程[M].北京:机械工业出版社,2009

[3]叶朝良,岳祖润,谢开仲.深基坑支护设计中的若干问题及新进展[J].石家庄铁道学院学报,2006

[4]李继业,李树枫.深基坑支护存在的问题与研究方向[J].建筑技术开发,2009

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。