近年來我國深基坑工程技術的新進展
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。因為為了設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各種地下設施而必須進行的深層開挖。深基坑工程問題在我國隨著城市建設的迅猛發(fā)展而出現(xiàn)，并且曾造成人們困惑的一個技術熱點和難點。
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，雖屬臨時性工程，但其技術復雜性卻遠甚于永久性的基礎結構或上部結構，稍有不慎，不僅將危及基坑本身安全，而且會殃及臨近的建構筑物、道路橋梁和各種地下設施，造成巨大損失。從另一方面講，深基坑工程設計需以開挖施工時的諸多技術參數(shù)為依據(jù)，但開挖施工過程中往往會引起支護結構內(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)的設計方法難以事先設定或事后處理。有鑒于此，人們不斷總結實踐經(jīng)驗，針對深基坑工程，萌發(fā)了信息化設計和動態(tài)設計的新思想，結合施工監(jiān)測、信息反饋、臨界報警、應變（或應急）措施設計等一系列理論和技術，制定相應的設計標準、安全等級、計算圖式、計算方法等。
1百花齊放的基坑支護結構類型
經(jīng)過工程實踐的篩選，形成了適合于不同地質(zhì)條件和基坑深度的經(jīng)濟合理的支護結構體系。
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)首選的支護形式，土層條件好時，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：實體式、空腹式、格構式、拱型或拱型加鉆孔灌注樁，既可以漿噴也可以粉噴。土釘墻可以單獨使用，也可以與其它支護型式聯(lián)合使用。
對于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制樁等，并可作各種布置，如需防滲止水時，則輔之以水泥土攪拌樁、化學灌漿或高壓注漿形成止水帷幕，有時亦用鋼板樁或H型鋼樁。
當基坑深度大于10m時，可考慮采用地下連續(xù)墻，或SMW工法連續(xù)墻，并根據(jù)需要設置支撐或錨桿。
遇特殊結構物（如地鐵盾構的工作井、排水泵站、取水構筑物等）則采用沉井或沉箱。在建筑物基坑中也有用沉箱的。上述基坑支護體系選型完全是在近二十年中在大量的工程實踐中逐漸形成的。它與國外及港臺地區(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。在大深度基坑和復雜的工程環(huán)境下非它莫屬。唯其造價較高，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)十項工程中應用地下連續(xù)墻支護技術，廣州、北京、深圳、天津、福州、杭州等地都在應用中取得了良好效果。為了提高經(jīng)濟效益，地下連續(xù)墻有時兼作地下室外墻，甚至可作為主體結構的承重墻，同時承受豎向與水平向荷載。當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)墻兼作上部結構承重墻設計的。
SMW工法連續(xù)墻在近年應用以來，普遍認為其性能良好，造價適宜。但我國尚缺乏自制的能用于大深度的專用機械。武漢、上海已從日本引進SMW工法專用機械，正在推廣使用。在此基礎上研制了減磨擦劑，能將加勁鋼材拔出后重復利用，更可以降低造價。
2逆作法施工技術
最早的逆作法施工技術應用于上海電信大樓（地下3層），其后如上海特種基礎科研樓（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號風塔、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結構大面積暴露的時間，改善支護結構受力性能，使其剛度大為增強，節(jié)省支撐或錨桿的費用，使支護結構的變形及對相鄰建筑物的影響大為減少，從而使總造價降低，一舉多得，是一種先進的施工作業(yè)方法。
3一些新的支護結構經(jīng)試用取得成功
例如：“閉合（或非閉合）擋土拱圈”、“拱形水泥土槽壁結構”、“連拱式支護結構”、“樁---拱圍護體系”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。當基坑周邊局部因場地限制而不能采用閉合拱圈時，可采用“非閉合拱圈”，而局部采用排樁或其他支護結構，組成混合型支護體系。采用“閉合”或“非閉合”拱圈，需注意驗算整體滑移和坑底隆起。
拱圈有時尚需采用水泥土攪拌樁或化學灌漿等方法形成止水帷幕。但即使如此，其造價仍低于一般的樁墻支護結構。已在廣州、珠海、深圳等地6～12m深基坑中應用，比一般樁墻結構降低造價約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、井字撐與斜角撐結合、大直徑環(huán)梁與輻射狀支撐相結合，或與周邊桁架相結合等；同時可充分發(fā)揮圓形、橢圓形、拋物線形和拱桿的力學性能，從中采用其中一種或多種形狀相結合的形式。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，靈活地進行設計。
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、水壓力轉化為環(huán)向壓應力，使支護結構處于最佳受力狀況，在限制土體變形方面也能獲得最佳效果。為避免整個體系向上拱起而失穩(wěn)，將整個體系設計成鍋底形，使環(huán)梁的標高低于坑周圈梁。同時，對支撐體系的溫度應力不能忽視。
5錨桿技術
錨桿技術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、干成孔注漿技術等，有利于在飽和軟土中推廣應用。近年施工有許多成功的實例。
目前錨桿施工工藝領先于其設計理論。但因施工不當，在東北等地曾發(fā)生了若干起嚴重事故，應予重視。
6土體的加固
對軟土基坑，特別是深大而周圍環(huán)境條件嚴峻的基坑，在基坑內(nèi)外一定范圍進行土體加固，可取得防止隆起、穩(wěn)定坑壁、減少位移、保護環(huán)境的良好效果。
工程界已普遍認識到，基坑支護設計應是支擋結構、支撐錨拉體系及土體加固三項技術綜合運用，方可達到安全、經(jīng)濟的目的。
土體加固除利用常規(guī)的地基處理技術外還常利用降水技術，取得了好效果。例如，上海新世界商城在基坑內(nèi)設置深井泵結合真空泵降水裝置，進行變流量間斷性抽吸地下水。降水后實測坑底土（原為流塑性粘性土夾薄砂）現(xiàn)場不排水抗剪強度平均達到30.0kPa，比降水前提高36.4%，使土抗力顯著提高。實踐證明，在一般情況下加固坑內(nèi)被動區(qū)的效果比加固坑外主動區(qū)的效果更好。
7對地質(zhì)勘察的新要求
支護結構設計的內(nèi)容擴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基坑本身而已。為此，在設計前常先做好對基坑以外周邊地區(qū)的地質(zhì)勘察。
勘察范圍一般至少擴大至開挖線以外相當于預計開挖深度1至2倍的范圍；而對于軟土地區(qū)，尚宜擴大?？辈禳c的深度應滿足基坑支護結構設計要求，在軟土地區(qū)宜達到開挖深度的2～3倍。對于深大基坑，尚應按預估基坑周圍下臥層位移的需要而確定勘察深度?？辈禳c的間距一般取15～30m，對毗鄰既有建構筑物及地下設施的基坑周邊，應特別仔細勘察。并應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。為探明地下埋設物、洞穴及地層變化，采用了地震雷達儀進行掃描檢測。
8對周邊環(huán)境的監(jiān)護
調(diào)查對象包括基坑周圍相當于基坑開挖深度的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（應區(qū)別其屬壓力的或非壓力的）、人防、隧道、地鐵等設施和障礙物。如發(fā)現(xiàn)既有建筑物等已有裂損傾斜等情況，同時收集其詳細資料，并在必要處做出標記或攝像、繪圖等。然后對調(diào)查對象承受地基變形的性能做出分析鑒定，確定應加監(jiān)護方法。
監(jiān)護方法有三類：一類是適當加強支護體系，對基坑毗鄰監(jiān)護對象的部位將擋墻加深或將樁加長以隔斷之；第二類是對監(jiān)護對象采用基礎托換、結構補強、地基加固等方法直接加以保護，使其免受基坑施工影響；第三類是對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。支護結構及基坑周圍土體的位移進行實測研究和理論探討。
已編制了能模擬實際開挖施工全過程的大型平面有限元程序，除考慮結構和土的受力與變形外，還考慮土與結構的共同作用，進行了大量的數(shù)值模擬計算，分析了開挖深度、支護結構剛度、支撐設置位置、支撐剛度、坑底加固范圍以及超載寬度等各種因素對基坑開挖性狀的影響，并與工程實測作了對比，加深了對基坑工程性狀的認識。
10設計方法的變革
對支護結構采用按變形控制的設計方法，正逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單純驗算強度和穩(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。變形控制標準按地區(qū)經(jīng)驗而有不同，并與基坑暴露時間有關。此外，還在一些工程中進行了離心加載模型試驗、預測支護結構墻體和土體變形，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號豎井等。
11對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)分塊的部位和時間要求，以及相應的支撐設置的時間要求，以有效地控制基坑已開挖部分的無支撐暴露時間和減少土體被擾動的時間與范圍，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（包括支撐設置過程）同支護結構及坑周土體位移之間，存在著一定的相關性。故科學地安排土方開挖施工順序和控制施工進度，將有助于控制擋墻和坑周土體的位移。
此項研究成果被稱為“時空效應”，已在上海地鐵車站和高層建筑的許多基坑中加以運用，獲得良好的效益。它極具推廣應用的前景。
12對開挖過程實施跟蹤監(jiān)測，并將信息及時反饋
這是為了掌握支護結構和基坑內(nèi)外土體移動，隨時調(diào)整施工參數(shù)，優(yōu)化設計，或采取相應措施，以確保施工安全，順利進行。施工監(jiān)測的作用還在于檢驗設計的正確性，并有利于積累資料，為今后改進設計理論和施工技術提供依據(jù)。
對深大基坑的監(jiān)測內(nèi)容通常包括：
a.支護結構的位移和內(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.相鄰建構筑物、地下管線、地下工程等保護對象的沉降、水平位移與異常現(xiàn)象。
監(jiān)測手段常采用水準儀、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、鋼筋應力計等。目前在實際工作中，以水準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)測手段常被用來進行綜合分析。用鋼筋應力計測支撐軸力時，尚應配以溫度計埋設在支撐中，以便計算溫度變化引起的應力。實測表明，由于溫度變化，支撐往往產(chǎn)生較大的附加軸力，對鋼筋砼支撐，可達15～20%。這說明設計時不能忽視。鋼支撐的溫度變化應力更大。
但目前基坑工程的綜合監(jiān)測水平尚不夠理想。盡管有了計算機和遙控等先進設備，而測試元件的質(zhì)量及其標定、埋設、保護和施工配合等方面存在不少問題，有待改進。
監(jiān)測報警是一個極其嚴肅的問題。做好了，可化險為夷，避免損失；否則，留下隱患，釀成事故。有的工程雖作了報警，而有關當事人并不警覺，結果釀成“大禍”，實踐中不乏經(jīng)驗和教訓。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）隨基坑暴露時間而明顯增長。由于及時報警，避免了一起事故。
13全國性規(guī)范的編制
國家行業(yè)標準《建筑基坑支護技術規(guī)程》已編制完成并投入使用，這是我國第一部關于基坑支護的全國性專業(yè)規(guī)程。與此同時，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深基坑支護的指南、規(guī)范或規(guī)程或征求意見稿。回顧對照1989年的《上海市標準：地基基礎設計規(guī)范》中與基坑支護有關的條文僅十余條（約數(shù)百字），足見我國基坑支護技術的標準化工作已邁進了一大步。
