近年來我國深基坑工程技術(shù)的新進(jìn)展
2009-09-28
深基坑工程在國外稱為“深開挖工程”（DeepExcavation），這比稱之為“深基坑”更合適。因?yàn)闉榱嗽O(shè)置建筑物的地下室需開挖深基坑，這只是深基坑開挖的一種類型。深開挖還包括為了埋設(shè)各種地下設(shè)施而必須進(jìn)行的深層開挖。深基坑工程問題在我國隨著城市建設(shè)的迅猛發(fā)展而出現(xiàn)，并且曾造成人們困惑的一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
城市中深基坑工程常處于密集的既有建筑物、道路橋梁、地下管線、地鐵隧道或人防工程的近旁，雖屬臨時(shí)性工程，但其技術(shù)復(fù)雜性卻遠(yuǎn)甚于永久性的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)或上部結(jié)構(gòu)，稍有不慎，不僅將危及基坑本身安全，而且會(huì)殃及臨近的建構(gòu)筑物、道路橋梁和各種地下設(shè)施，造成巨大損失。從另一方面講，深基坑工程設(shè)計(jì)需以開挖施工時(shí)的諸多技術(shù)參數(shù)為依據(jù)，但開挖施工過程中往往會(huì)引起支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移以及基坑內(nèi)外土體變形發(fā)生種種意外變化，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法難以事先設(shè)定或事后處理。有鑒于此，人們不斷總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)深基坑工程，萌發(fā)了信息化設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的新思想，結(jié)合施工監(jiān)測、信息反饋、臨界報(bào)警、應(yīng)變（或應(yīng)急）措施設(shè)計(jì)等一系列理論和技術(shù)，制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、安全等級(jí)、計(jì)算圖式、計(jì)算方法等。
1百花齊放的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)類型
經(jīng)過工程實(shí)踐的篩選，形成了適合于不同地質(zhì)條件和基坑深度的經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系。
水泥土攪拌樁和土釘墻是我國目前的5m以內(nèi)，后者乃至10m以內(nèi)首選的支護(hù)形式，土層條件好時(shí)，15m左右基坑亦經(jīng)常使用。前者既能擋土又能擋水，后者較多地應(yīng)用于地下水位較低或者地下水位能夠被疏干降低的場區(qū)。水泥土攪拌樁有好幾種布置型式：實(shí)體式、空腹式、格構(gòu)式、拱型或拱型加鉆孔灌注樁，既可以漿噴也可以粉噴。土釘墻可以單獨(dú)使用，也可以與其它支護(hù)型式聯(lián)合使用。
對(duì)于5-10m深軟土基坑，常采用鉆（沖、挖）孔樁、沉管灌注樁或鋼筋砼預(yù)制樁等，并可作各種布置，如需防滲止水時(shí)，則輔之以水泥土攪拌樁、化學(xué)灌漿或高壓注漿形成止水帷幕，有時(shí)亦用鋼板樁或H型鋼樁。
當(dāng)基坑深度大于10m時(shí)，可考慮采用地下連續(xù)墻，或SMW工法連續(xù)墻，并根據(jù)需要設(shè)置支撐或錨桿。
遇特殊結(jié)構(gòu)物（如地鐵盾構(gòu)的工作井、排水泵站、取水構(gòu)筑物等）則采用沉井或沉箱。在建筑物基坑中也有用沉箱的。上述基坑支護(hù)體系選型完全是在近二十年中在大量的工程實(shí)踐中逐漸形成的。它與國外及港臺(tái)地區(qū)常傾向于采用地下連續(xù)墻有所不同。誠然，地下連續(xù)墻的優(yōu)越性早已為世界公認(rèn)。在大深度基坑和復(fù)雜的工程環(huán)境下非它莫屬。唯其造價(jià)較高，需綜合考慮。
迄今為止，上海已在高層建筑和地鐵車站等數(shù)十項(xiàng)工程中應(yīng)用地下連續(xù)墻支護(hù)技術(shù)，廣州、北京、深圳、天津、福州、杭州等地都在應(yīng)用中取得了良好效果。為了提高經(jīng)濟(jì)效益，地下連續(xù)墻有時(shí)兼作地下室外墻，甚至可作為主體結(jié)構(gòu)的承重墻，同時(shí)承受豎向與水平向荷載。當(dāng)今中華第一高樓上海金茂大廈（地上88層，地下3層）以及天津的金皇大廈（地上47層，地下3層）等都是按地下連續(xù)墻兼作上部結(jié)構(gòu)承重墻設(shè)計(jì)的。
SMW工法連續(xù)墻在近年應(yīng)用以來，普遍認(rèn)為其性能良好，造價(jià)適宜。但我國尚缺乏自制的能用于大深度的專用機(jī)械。武漢、上海已從日本引進(jìn)SMW工法專用機(jī)械，正在推廣使用。在此基礎(chǔ)上研制了減磨擦劑，能將加勁鋼材拔出后重復(fù)利用，更可以降低造價(jià)。
2逆作法施工技術(shù)
最早的逆作法施工技術(shù)應(yīng)用于上海電信大樓（地下3層），其后如上海特種基礎(chǔ)科研樓（地下2層）、上海人民廣場地下變電站（基坑深23.8m，直徑64m，為我國最大直徑圓筒形地下連續(xù)墻）、上海延安東路隧道1號(hào)風(fēng)塔、福州世界金龍大廈（地下3層）、上海恒積大廈（地下4層）、天津紫金花園商住樓（地下3層）、北京地鐵大北窯車站、上海地鐵黃陂路車站、陜西路車站、常熟路車站等，均以地下連續(xù)墻為擋土墻兼作地下室外墻，采用逆作法施工。也有因地制宜而采用“半逆作法”施工者，如天津勸業(yè)場新大廈等（先明挖一部分土方）。
此外，還有以鉆孔樁作為擋墻而采用逆作法施工的工程，例如：北京地鐵永安里車站、撫順賓館（地下2層）、石家莊站前地下商場（2層）、哈爾濱奮斗路地下商業(yè)街（2層）等。
逆作法施工可縮短基坑開挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)大面積暴露的時(shí)間，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性能，使其剛度大為增強(qiáng)，節(jié)省支撐或錨桿的費(fèi)用，使支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及對(duì)相鄰建筑物的影響大為減少，從而使總造價(jià)降低，一舉多得，是一種先進(jìn)的施工作業(yè)方法。
3一些新的支護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)試用取得成功
例如：“閉合（或非閉合）擋土拱圈”、“拱形水泥土槽壁結(jié)構(gòu)”、“連拱式支護(hù)結(jié)構(gòu)”、“樁---拱圍護(hù)體系”等。
“閉合擋土拱圈”用鋼筋砼就地灌筑，適合于基坑周邊場地允許擋墻在水平向起拱之處。拱圈矢高f%26gt;0.12L（基坑邊長）。拱圈可由幾條二次曲線組成（曲線不連續(xù)），也可以是一個(gè)完整的橢圓或蛋形拱圈（曲線連續(xù)）。作用在拱圈上的土壓力大部分在拱圈內(nèi)自身平衡。
“閉合擋土拱圈”不需要深入至基坑底面以下，也不需要從地面按基坑全深度配置。它可以在坑底以上至地面以下某一高度內(nèi)配置，并可分若干道施工，每道高2m左右。當(dāng)基坑周邊局部因場地限制而不能采用閉合拱圈時(shí)，可采用“非閉合拱圈”，而局部采用排樁或其他支護(hù)結(jié)構(gòu)，組成混合型支護(hù)體系。采用“閉合”或“非閉合”拱圈，需注意驗(yàn)算整體滑移和坑底隆起。
拱圈有時(shí)尚需采用水泥土攪拌樁或化學(xué)灌漿等方法形成止水帷幕。但即使如此，其造價(jià)仍低于一般的樁墻支護(hù)結(jié)構(gòu)。已在廣州、珠海、深圳等地6～12m深基坑中應(yīng)用，比一般樁墻結(jié)構(gòu)降低造價(jià)約50%。
4支撐體系出現(xiàn)了多種型式
目前常用的支撐體系按其受力性能和形狀大致可分為：單跨壓桿式、多跨壓桿式、雙向多跨壓桿式、水平桁架式、水平框架式、豎向斜撐、平面斜角撐、井字撐與斜角撐結(jié)合、大直徑環(huán)梁與輻射狀支撐相結(jié)合，或與周邊桁架相結(jié)合等；同時(shí)可充分發(fā)揮圓形、橢圓形、拋物線形和拱桿的力學(xué)性能，從中采用其中一種或多種形狀相結(jié)合的形式。支撐體系出現(xiàn)了多種型式，可根據(jù)不同的基坑形狀、平面尺寸、開挖深度、施工方法等需要，靈活地進(jìn)行設(shè)計(jì)。
上海虹橋萬都大廈多邊形基坑采用直徑92.3m的環(huán)梁與周邊框架相結(jié)合的支撐體系，是迄今國內(nèi)最大的環(huán)形支撐體系。此類體系能將不均勻的徑向土、水壓力轉(zhuǎn)化為環(huán)向壓應(yīng)力，使支護(hù)結(jié)構(gòu)處于最佳受力狀況，在限制土體變形方面也能獲得最佳效果。為避免整個(gè)體系向上拱起而失穩(wěn)，將整個(gè)體系設(shè)計(jì)成鍋底形，使環(huán)梁的標(biāo)高低于坑周圈梁。同時(shí)，對(duì)支撐體系的溫度應(yīng)力不能忽視。
5錨桿技術(shù)
錨桿技術(shù)以其能為基坑開挖提供較廣闊的空間優(yōu)勢，在我國從北到南相繼獲得應(yīng)用。
自早年北京地鐵西直門車站、北京京廣大廈等及上海太平洋大飯店、上海展覽中心北館等分別在北京粉細(xì)中砂地層和上海飽和軟粘土地層作了系統(tǒng)的測試研究后，各地對(duì)其施工工藝、材料選用，乃至拔除方法等又分別作了深入研究。上海、天津先后提出了二次注漿技術(shù)、干成孔注漿技術(shù)等，有利于在飽和軟土中推廣應(yīng)用。近年施工有許多成功的實(shí)例。
目前錨桿施工工藝領(lǐng)先于其設(shè)計(jì)理論。但因施工不當(dāng)，在東北等地曾發(fā)生了若干起嚴(yán)重事故，應(yīng)予重視。
6土體的加固
對(duì)軟土基坑，特別是深大而周圍環(huán)境條件嚴(yán)峻的基坑，在基坑內(nèi)外一定范圍進(jìn)行土體加固，可取得防止隆起、穩(wěn)定坑壁、減少位移、保護(hù)環(huán)境的良好效果。
工程界已普遍認(rèn)識(shí)到，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)是支擋結(jié)構(gòu)、支撐錨拉體系及土體加固三項(xiàng)技術(shù)綜合運(yùn)用，方可達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的目的。
土體加固除利用常規(guī)的地基處理技術(shù)外還常利用降水技術(shù)，取得了好效果。例如，上海新世界商城在基坑內(nèi)設(shè)置深井泵結(jié)合真空泵降水裝置，進(jìn)行變流量間斷性抽吸地下水。降水后實(shí)測坑底土（原為流塑性粘性土夾薄砂）現(xiàn)場不排水抗剪強(qiáng)度平均達(dá)到30.0kPa，比降水前提高36.4%，使土抗力顯著提高。實(shí)踐證明，在一般情況下加固坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)的效果比加固坑外主動(dòng)區(qū)的效果更好。
7對(duì)地質(zhì)勘察的新要求
支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容擴(kuò)展到了必須考慮基坑變形影響所及的周邊范圍，而不僅是局限于支護(hù)基坑本身而已。為此，在設(shè)計(jì)前常先做好對(duì)基坑以外周邊地區(qū)的地質(zhì)勘察。
勘察范圍一般至少擴(kuò)大至開挖線以外相當(dāng)于預(yù)計(jì)開挖深度1至2倍的范圍；而對(duì)于軟土地區(qū)，尚宜擴(kuò)大?？辈禳c(diǎn)的深度應(yīng)滿足基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，在軟土地區(qū)宜達(dá)到開挖深度的2～3倍。對(duì)于深大基坑，尚應(yīng)按預(yù)估基坑周圍下臥層位移的需要而確定勘察深度?？辈禳c(diǎn)的間距一般取15～30m，對(duì)毗鄰既有建構(gòu)筑物及地下設(shè)施的基坑周邊，應(yīng)特別仔細(xì)勘察。并應(yīng)查明地表和地下水體分布、各含水層和隔水層的位置、埋深、水位及其變幅；各地層的滲透系數(shù)和水壓、流速、流向、補(bǔ)充來源和排泄方向。特別注意流砂和水土流失問題。為探明地下埋設(shè)物、洞穴及地層變化，采用了地震雷達(dá)儀進(jìn)行掃描檢測。
8對(duì)周邊環(huán)境的監(jiān)護(hù)
調(diào)查對(duì)象包括基坑周圍相當(dāng)于基坑開挖深度的2～3倍范圍內(nèi)地上的建筑物、高聳塔桿、輸電線纜、古建文物、道路橋梁，以及地下管線（應(yīng)區(qū)別其屬壓力的或非壓力的）、人防、隧道、地鐵等設(shè)施和障礙物。如發(fā)現(xiàn)既有建筑物等已有裂損傾斜等情況，同時(shí)收集其詳細(xì)資料，并在必要處做出標(biāo)記或攝像、繪圖等。然后對(duì)調(diào)查對(duì)象承受地基變形的性能做出分析鑒定，確定應(yīng)加監(jiān)護(hù)方法。
監(jiān)護(hù)方法有三類：一類是適當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)體系，對(duì)基坑毗鄰監(jiān)護(hù)對(duì)象的部位將擋墻加深或?qū)都娱L以隔斷之；第二類是對(duì)監(jiān)護(hù)對(duì)象采用基礎(chǔ)托換、結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)、地基加固等方法直接加以保護(hù)，使其免受基坑施工影響；第三類是對(duì)基坑底部和周圍土體局部加固，借以把基坑變形控制在容許范圍。這些方法分別根據(jù)工程具體情況經(jīng)分析比較而后采用。
9數(shù)值法和反演分析
對(duì)不同邊界條件下土壓力的分布形式、土參數(shù)的正確取值。支護(hù)結(jié)構(gòu)及基坑周圍土體的位移進(jìn)行實(shí)測研究和理論探討。
已編制了能模擬實(shí)際開挖施工全過程的大型平面有限元程序，除考慮結(jié)構(gòu)和土的受力與變形外，還考慮土與結(jié)構(gòu)的共同作用，進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬計(jì)算，分析了開挖深度、支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、支撐設(shè)置位置、支撐剛度、坑底加固范圍以及超載寬度等各種因素對(duì)基坑開挖性狀的影響，并與工程實(shí)測作了對(duì)比，加深了對(duì)基坑工程性狀的認(rèn)識(shí)。
10設(shè)計(jì)方法的變革
對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)采用按變形控制的設(shè)計(jì)方法，正逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單純驗(yàn)算強(qiáng)度和穩(wěn)定性的方法，并正在完善中。
變形分析方法有經(jīng)驗(yàn)公式法、安全系數(shù)法、數(shù)值分析法，以及根據(jù)控制值反分析法等多種方法。變形控制標(biāo)準(zhǔn)按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)而有不同，并與基坑暴露時(shí)間有關(guān)。此外，還在一些工程中進(jìn)行了離心加載模型試驗(yàn)、預(yù)測支護(hù)結(jié)構(gòu)墻體和土體變形，例如上海人民廣場地下車庫、上海太陽廣場大廈、上海地鐵徐家匯車站、上海延安東路黃浦江隧道1號(hào)豎井等。
11對(duì)土方開挖施工工藝的組織與管理
研究發(fā)現(xiàn)，在軟土深大基坑中精心安排開挖施工分層分區(qū)分塊的部位和時(shí)間要求，以及相應(yīng)的支撐設(shè)置的時(shí)間要求，以有效地控制基坑已開挖部分的無支撐暴露時(shí)間和減少土體被擾動(dòng)的時(shí)間與范圍，將可以利用尚未被挖及的土體尚能在一定程度上控制其自身位移的潛力，而達(dá)到使其協(xié)力控制擋墻位移和坑周土體位移的目的。換言之，在基坑開挖施工（包括支撐設(shè)置過程）同支護(hù)結(jié)構(gòu)及坑周土體位移之間，存在著一定的相關(guān)性。故科學(xué)地安排土方開挖施工順序和控制施工進(jìn)度，將有助于控制擋墻和坑周土體的位移。
此項(xiàng)研究成果被稱為“時(shí)空效應(yīng)”，已在上海地鐵車站和高層建筑的許多基坑中加以運(yùn)用，獲得良好的效益。它極具推廣應(yīng)用的前景。
12對(duì)開挖過程實(shí)施跟蹤監(jiān)測，并將信息及時(shí)反饋
這是為了掌握支護(hù)結(jié)構(gòu)和基坑內(nèi)外土體移動(dòng)，隨時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，或采取相應(yīng)措施，以確保施工安全，順利進(jìn)行。施工監(jiān)測的作用還在于檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性，并有利于積累資料，為今后改進(jìn)設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)提供依據(jù)。
對(duì)深大基坑的監(jiān)測內(nèi)容通常包括：
a.支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力（彎矩）；
b.支撐軸力變化；立柱的水平位移、沉降或隆起；
c.坑周土體位移及土壓力變化；
d.坑底土體隆起；
e.地下水位及孔隙水壓力變化；
f.相鄰建構(gòu)筑物、地下管線、地下工程等保護(hù)對(duì)象的沉降、水平位移與異?，F(xiàn)象。
監(jiān)測手段常采用水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、測斜儀、分層沉降儀、土壓力盒、孔隙水壓力儀、水位觀測儀、鋼筋應(yīng)力計(jì)等。目前在實(shí)際工作中，以水準(zhǔn)儀量測墻頂和地面位移以及以測斜儀量測墻體和土體深層位移較為可靠而且特別重要。其他監(jiān)測手段常被用來進(jìn)行綜合分析。用鋼筋應(yīng)力計(jì)測支撐軸力時(shí)，尚應(yīng)配以溫度計(jì)埋設(shè)在支撐中，以便計(jì)算溫度變化引起的應(yīng)力。實(shí)測表明，由于溫度變化，支撐往往產(chǎn)生較大的附加軸力，對(duì)鋼筋砼支撐，可達(dá)15～20%。這說明設(shè)計(jì)時(shí)不能忽視。鋼支撐的溫度變化應(yīng)力更大。
但目前基坑工程的綜合監(jiān)測水平尚不夠理想。盡管有了計(jì)算機(jī)和遙控等先進(jìn)設(shè)備，而測試元件的質(zhì)量及其標(biāo)定、埋設(shè)、保護(hù)和施工配合等方面存在不少問題，有待改進(jìn)。
監(jiān)測報(bào)警是一個(gè)極其嚴(yán)肅的問題。做好了，可化險(xiǎn)為夷，避免損失；否則，留下隱患，釀成事故。有的工程雖作了報(bào)警，而有關(guān)當(dāng)事人并不警覺，結(jié)果釀成“大禍”，實(shí)踐中不乏經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。反之，如沈陽故宮附近某工程處于回填土和含水量高的粘性土地層，基坑開挖過程中意外地測得了錨桿拉力（它反映土壓力）隨基坑暴露時(shí)間而明顯增長。由于及時(shí)報(bào)警，避免了一起事故。
13全國性規(guī)范的編制
國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》已編制完成并投入使用，這是我國第一部關(guān)于基坑支護(hù)的全國性專業(yè)規(guī)程。與此同時(shí)，上海、深圳、北京、廣州、武漢等地及冶金部建研總院等已分別編制了地方或部門的有關(guān)深基坑支護(hù)的指南、規(guī)范或規(guī)程或征求意見稿。回顧對(duì)照1989年的《上海市標(biāo)準(zhǔn)：地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中與基坑支護(hù)有關(guān)的條文僅十余條（約數(shù)百字），足見我國基坑支護(hù)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作已邁進(jìn)了一大步。
