浅议深基坑支护技术及发展趋势

　　【摘要】:基坑为房屋建筑、市政工程或地下建筑物在施工时需开挖的地坑。为保证基坑施工、主体地下结构的安全和周围环境不受损害而采取的支护结构、降水和土方开挖与回填,包括勘察、设计、施工和监测等,称为基坑工程,它是地下工程施工中内容丰富而富于变化的领域,是一项风险工程,是一门综合性很强的新型学科,它涉及到工程地质、土力学、基础工程、结构力学、原位测试技术、施工技术、土与结构相互作用以及环境岩土工程等多学科问题。
　　【关键词】:深基坑，支护
　　1深基坑支护工程的发展概况
　　由于城市化的快速发展,城市人口超饱和,地上土地资源已极其有限,建筑空间拥挤和城市绿地减少,导致我国的高层建筑如雨后春笋,拔地而起。为了节省土地、充分利用地下空间,高层建筑基础本身要求有一定的埋置深度,高层建筑的停车场、设备间、储藏库等也都设在地下,从而使基坑深度增加。
　　从发展趋势看,我国正在建设的高层建筑越来越高,向地下发展越来越深,同时密集的建筑群、超深度的基坑、周围复杂的地下设施都给基坑施工带来一定的难度,这对基坑工程提出了严峻的挑战。
　　2深基坑工程的特点
　　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,特别是上世纪90年代以来,基坑工程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,主要特点如下:
　　1)基坑工程是与众多因素相关的综合技术,如场地勘察,基坑设计、施工、监测,现场管理,相邻场地施工的相互影响等。
　　2)建筑趋向高层化,基坑工程正向大深度、大面积方向发展,有的长度和宽度多达百余米,给支撑系统带来较大的难度。
　　3)随着旧城改造的推进,基坑工程经常在已建或在建的、密集的或紧靠重要市政设施的建筑群中施工,场地狭窄,邻近常有必须保护的永久性建筑和市政公用设施,不能放坡开挖,对基坑稳定和位移控制的要求很严。相邻场地的基坑施工,其打桩、降水、挖土等各施工环节都会产生相互影响与制约,增加协调工作的难度。
　　4)工程地质条件越来越差,城市建设不像水电站、核电站等重要设施那样,可以在广阔地域中选择优越的建设场地,只能根据城市规划需要,随遇而安。因此地质条件往往较差。在某些沿海经济开发区较尤为突出。在较土、高水位及其他复杂条件下开挖基坑,很容易产生土体滑移、基坑失稳、桩体变位、坑底隆起、支挡结构严重漏水、流土以致破损等病害,对周围边建筑物、地下构筑物及管线的安全造成很大威胁。
　　5)基坑工程施工周期长,从开挖到完成地面以下的全部隐蔽工程,常需经历多次降雨、周边堆载、振动等,对基坑稳定性不利。
　　6)基坑支护型式具有多样性,同时也各有其适用范围和优缺点,相同的地质条件可以采用几种不同的支护结构型式,可以从各方面相互比较,从中选取最合适的作为基坑支护。
　　7)基坑工程事故多,无论地质条件的优劣、无论基坑的深浅,都经常发生事故,给国家造成巨大的经济损失,影响居民安定生活。
　　3基坑支护类型
　　基坑支护包括两个主要的功能:一是挡土,二是止水。传统的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,但却存在着诸多致命的弱点,比如支撑往往是在开挖之后施加的,拔出板桩时又会引起无法避免的土体进一步变形。目前工程所采用的支护结构型式多样,通常可分为桩(墙)式支护体系和重力式支护体系两大类;根据不同的工程类型和具体情况这两类又可派生出各种支护结构型式,且其分类方法也有多种。因为支护结构分挡土(挡水)及支撑拉结两部分,而挡土部分因地质水文情况不同又分透水部分及止水部分,其各部分采用的结构类型分类如下:
　　
　　图1支护形式分类
　　4基坑支护结构的方案优选
　　4.1选择基坑支护结构类型的基本依据
　　分析众多深基坑支护工程事故发生的原因,其中最主要的还是基坑工程结构选型不合理,考虑的因素不够全面。基坑支护围护及撑锚方法较多,为达到同一目的,可以有多种方法,而每一种方法都有其独特的优点,有的速度快,有的经济省,有的噪音小,有的用电用水量小等等。选择支护结构类型的基本依据如下:
　　1)基坑的尺寸,基坑场地的形状、深度和宽度等。
　　2)基坑支护结构所受的荷载:侧向荷载、竖向荷载、地震荷载、风载、地面超载等。
　　3)工程地质及水文地质条件:勘探资料内容及测试方法;地下水情况及分布、地表水位、承压水层、承压气体等。
　　4)环境条件:基坑周围的地区性质;基坑周围建筑物状况;基坑周围公用设施分布及地下构筑物、管线状况;基坑周围交通状况及道路状况;基坑周围水域(河流)状况;基坑所处地区特殊状况及对基坑施工的特殊要求等。
　　5)建筑物的基础结构及上部结构对支护结构的要求。
　　6)基坑开挖及排水等方法。
　　7)对基坑支护结构施工(噪音、振动、地面污染)的要求。
　　8)基坑场地周围已有基坑支护结构形式或类似基坑支护结构的形式,在施工中的成功、失败原因、教训。
　　9)现已应用的各种支护技术的特点与适用范围。
　　10)相应基坑支护设计规程规范指南等。
　　支护结构类型方案的选择必须遵循支护结构设计原则,更重要的是根据具体情况和具体解决的原则,使方案的选择具有创造性与灵活性。所以方案的选择应从支护工程的总体考虑,例如:
　　1)对于一般高层建筑,往往采用1～2层地下室,灌注桩可作为支护结构的一个满意的方案。如果可能,可改用地下连续墙,利用连续墙的受力性能好、对不利环境适应性强的优点,可加深地下室,以发挥潜在的经济价值,创造更好的综合效益。
　　2)对于具有多层地下室的高层建筑,当采用地下室连续墙时,可考虑逆作法施工方法。上海、广州、天津、重庆等地应用逆作法施工方法,已收到显著的效益。
　　3)当采用地下连续墙时,尽可能考虑与地下室外墙合一或和承重墙结合成为三合一的方案。但要注意在设计和施工时,要妥善处理梁楼面结构与墙体的连接构造,要妥善解决防水和差异沉降问题。
　　4)当采用地下连续墙时,要根据工地的具体情况,尤其是深宽的基坑,要与其他支护结构形式或施工方法或特殊的要求结合应用。
　　5)当超过10m深的基坑,有时可以采用直径大的灌注桩代替地下连续墙。例如上海国际航运大楼,刚开始考虑采用地下连续墙结构,后来,经周密分析研究决定选用灌注桩,比地下连续墙的造价节省约1000万元,而且,可缩短工期近两个月。
　　还要指出,对新技术的认识问题。在几年前,研究人员根据国外经验曾经提出建议:地下连续墙结构尽可能加以利用,两墙合一或三墙合一方案。但是,对新的事物的认识要有一个逐步认识和实践过程,需要先行者探索和实践,把先进科学技术早日为工程服务。
　　4.2深基坑支护结构选型的步骤
　　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。而且,为达到方案的优化,有时根据地层土质的变化以及基坑周围环境也可采用更为灵活的组合支护方案。通过对国内外大量深基坑支护工程选型的实例总结,深基坑支护设计方案的优选宜遵从如下流程:
　　
　　图2深基坑支护设计方案优选流程
　　5深基坑支护技术发展的展望
　　随着建筑层数的增加,基础埋深也随之不断增加。尤其是进入上世纪90年代后,出现了众多超高层建筑,地下埋深超过20m,各种深基坑支护的结构型式与施工工艺不断产生。对于建筑基坑支护结构的选型,建筑物地基土的类别、地下水位的高低、土的物理力学性质指标及周边环境等,都会对其产生不可忽视的影响。支护结构型式选择合理,就能做到安全可靠,能带来可观的经济与社会效益;如果选择不当,便会危及周围环境,造成严重的后果。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。对大量工程实例的研究发现,深基坑支护工程的发展方向如下可以概括如下:
　　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,内支撑或新型锚杆将逐渐得以推广运用。
　　3)为减少基坑工程带来的环境效应问题,或出于保护地下水资源的需要,有时基坑采用帷幕形式进行支护,除地下连续墙外,一般采用旋喷桩或深层搅拌桩等方法构筑止水帷幕。目前,有将水利工程中防渗墙的方法引入到基坑工程的趋势。
　　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筑物下沉,可采用深层搅拌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。
　　6结语
　　在深基坑工程中,基坑支护结构设计选形必须遵循安全、适用、经济的原则。多种各具特色的深基坑支护类型,它们各有优缺点,适用于不同地质条件和工程环境,而地质条件是基坑选型的重要因素,可将支护结构的类型按地质条件的不同进行分类。为了便于基坑工程支护结构类型应用时的选择,对基坑支护以上各方面进行了分析,现总结基坑支护结构选型的方法如下:
　　1)对于硬塑土层:当基坑开挖深度小于10m、周围施工场地狭小、邻近基坑边无重要建筑物时,可以采用拱圈支护结构。
　　2)对于可塑土层:当基坑开挖深度小于8m、基坑周围不具备放坡或施工重力式挡土墙的宽度、开挖深度不大时,可采用悬臂式排桩支护结构。当基坑开挖深度小于10m、基坑周围场地允许、邻近基坑边无重要建筑物或地下管线时,可采用放坡开挖。
　　当基坑开挖深度小于12m时,可采用土钉支护结构,若土体内富含地下水或可塑以下的软土层,则不宜采用土钉支护结构;若坑内被动土压区土质较差或基坑较深,防止基坑支护结构过大变形或坑底土体隆起、滑动等失稳时,可采用支护结构与坑内土质加固的复合式支挡。当基坑开挖深度小于18m、基坑外的地下空间允许锚杆占用、适用无流砂、含水量不高、不是淤泥等流塑土层的基坑支护时,可考虑采用喷锚支护结构。当基坑开挖深度小于20m、基坑周边施工场地狭窄或有相邻重要建筑(构)物、基坑尺寸较大、基坑平面尺寸规则、地基土质较软弱时,可采用大型内支撑环形桩墙支护结构。
　　3)对于软塑土层:当基坑开挖深度小于6m、基坑周围不具备放坡条件,但具备重力式挡墙的施工宽度、邻近基坑边无重要建筑物或地下管线时,可采用水泥土重力式挡土墙。
　　4)还有几种基坑支护结构形式对土层条件没有严格的要求:当基坑开挖深度小于12m、场地周边开阔、有条件采用预应力钢筋或花蓝螺丝拉紧时,可采用地面拉结与支护桩结构。当基坑开挖深度小于20m时,若对基坑周边的变形有严格要求,可采用基坑工程逆作法;若邻近基坑边有重要建筑物或地下管线、基坑周围不具备放坡条件,可采用组合式支护结构;若为基坑周围施工场地狭小、邻近基坑边有建筑物或地下管线需要保护,且土体变形控制要求严格的工程,可采用墙式挡土结构(有撑、锚),但在软土地质条件下,优先考虑内支撑,采用支撑(锚)式排桩支护结构,其中锚杆的锚固段要求有较好的土层,其余不限。
　　由于支护结构类型种类繁多,同一基坑工程有多种不同的支护方案可供选择,对各种方案要进行分析比较,选最合理、最经济的支护方案,并采取综合性技术措施,便可以得到最好的效果。支护结构形式选择合理,就能做到安全可靠、施工顺利、缩短工期,能带来可观的经济与社会效益。一个支护设计方案是否合理,决定着基坑工程的成败。判断设计方案是否合理,有两条标准:一是保证基坑及周围环境的安全;二是工程造价最低。因此首先要求保证基坑与周围土体的稳定和整体结构的强度、刚度和稳定性;其次要求支护结构能使施工合理和操作方便;最后要求支护结构在资金和人力投入、材料消耗方面较经济,且保证工期。只要认真进行方案优选、方案论证,施工工艺不断完善,我国的深基坑工程将进入蓬勃发展的时期。     学术论文