【摘要】:基坑為房屋建筑、市政工程或地下建筑物在施工時需開挖的地坑。為保證基坑施工、主體地下結(jié)構(gòu)的安全和周圍環(huán)境不受損害而采取的支護結(jié)構(gòu)、降水和土方開挖與回填,包括勘察、設(shè)計、施工和監(jiān)測等,稱為基坑工程,它是地下工程施工中內(nèi)容豐富而富于變化的領(lǐng)域,是一項風(fēng)險工程,是一門綜合性很強的新型學(xué)科,它涉及到工程地質(zhì)、土力學(xué)、基礎(chǔ)工程、結(jié)構(gòu)力學(xué)、原位測試技術(shù)、施工技術(shù)、土與結(jié)構(gòu)相互作用以及環(huán)境巖土工程等多學(xué)科問題。
　　【關(guān)鍵詞】:深基坑，支護
　　1深基坑支護工程的發(fā)展概況
　　由于城市化的快速發(fā)展,城市人口超飽和,地上土地資源已極其有限,建筑空間擁擠和城市綠地減少,導(dǎo)致我國的高層建筑如雨后春筍,拔地而起。為了節(jié)省土地、充分利用地下空間,高層建筑基礎(chǔ)本身要求有一定的埋置深度,高層建筑的停車場、設(shè)備間、儲藏庫等也都設(shè)在地下,從而使基坑深度增加。
　　從發(fā)展趨勢看,我國正在建設(shè)的高層建筑越來越高,向地下發(fā)展越來越深,同時密集的建筑群、超深度的基坑、周圍復(fù)雜的地下設(shè)施都給基坑施工帶來一定的難度,這對基坑工程提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
　　2深基坑工程的特點
　　隨著城市建設(shè)中高層、超高層建筑的大量涌現(xiàn),深基坑工程越來越多,特別是上世紀(jì)90年代以來,基坑工程問題已經(jīng)成為我國建筑工程界的熱點問題之一。基坑工程數(shù)量、規(guī)模、分布急劇增加,主要特點如下:
　　1)基坑工程是與眾多因素相關(guān)的綜合技術(shù),如場地勘察,基坑設(shè)計、施工、監(jiān)測,現(xiàn)場管理,相鄰場地施工的相互影響等。
　　2)建筑趨向高層化,基坑工程正向大深度、大面積方向發(fā)展,有的長度和寬度多達百余米,給支撐系統(tǒng)帶來較大的難度。
　　3)隨著舊城改造的推進,基坑工程經(jīng)常在已建或在建的、密集的或緊靠重要市政設(shè)施的建筑群中施工,場地狹窄,鄰近常有必須保護的永久性建筑和市政公用設(shè)施,不能放坡開挖,對基坑穩(wěn)定和位移控制的要求很嚴(yán)。相鄰場地的基坑施工,其打樁、降水、挖土等各施工環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生相互影響與制約,增加協(xié)調(diào)工作的難度。
　　4)工程地質(zhì)條件越來越差,城市建設(shè)不像水電站、核電站等重要設(shè)施那樣,可以在廣闊地域中選擇優(yōu)越的建設(shè)場地,只能根據(jù)城市規(guī)劃需要,隨遇而安。因此地質(zhì)條件往往較差。在某些沿海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)較尤為突出。在較土、高水位及其他復(fù)雜條件下開挖基坑,很容易產(chǎn)生土體滑移、基坑失穩(wěn)、樁體變位、坑底隆起、支擋結(jié)構(gòu)嚴(yán)重漏水、流土以致破損等病害,對周圍邊建筑物、地下構(gòu)筑物及管線的安全造成很大威脅。
　　5)基坑工程施工周期長,從開挖到完成地面以下的全部隱蔽工程,常需經(jīng)歷多次降雨、周邊堆載、振動等,對基坑穩(wěn)定性不利。
　　6)基坑支護型式具有多樣性,同時也各有其適用范圍和優(yōu)缺點,相同的地質(zhì)條件可以采用幾種不同的支護結(jié)構(gòu)型式,可以從各方面相互比較,從中選取最合適的作為基坑支護。
　　7)基坑工程事故多,無論地質(zhì)條件的優(yōu)劣、無論基坑的深淺,都經(jīng)常發(fā)生事故,給國家造成巨大的經(jīng)濟損失,影響居民安定生活。
　　3基坑支護類型
　　基坑支護包括兩個主要的功能:一是擋土,二是止水。傳統(tǒng)的施工方法是板樁支撐系統(tǒng)或板樁錨拉系統(tǒng),其優(yōu)點是材料可以回收,但卻存在著諸多致命的弱點,比如支撐往往是在開挖之后施加的,拔出板樁時又會引起無法避免的土體進一步變形。目前工程所采用的支護結(jié)構(gòu)型式多樣,通常可分為樁(墻)式支護體系和重力式支護體系兩大類;根據(jù)不同的工程類型和具體情況這兩類又可派生出各種支護結(jié)構(gòu)型式,且其分類方法也有多種。因為支護結(jié)構(gòu)分擋土(擋水)及支撐拉結(jié)兩部分,而擋土部分因地質(zhì)水文情況不同又分透水部分及止水部分,其各部分采用的結(jié)構(gòu)類型分類如下:
　　
　　圖1支護形式分類
　　4基坑支護結(jié)構(gòu)的方案優(yōu)選
　　4.1選擇基坑支護結(jié)構(gòu)類型的基本依據(jù)
　　分析眾多深基坑支護工程事故發(fā)生的原因,其中最主要的還是基坑工程結(jié)構(gòu)選型不合理,考慮的因素不夠全面。基坑支護圍護及撐錨方法較多,為達到同一目的,可以有多種方法,而每一種方法都有其獨特的優(yōu)點,有的速度快,有的經(jīng)濟省,有的噪音小,有的用電用水量小等等。選擇支護結(jié)構(gòu)類型的基本依據(jù)如下:
　　1)基坑的尺寸,基坑場地的形狀、深度和寬度等。
　　2)基坑支護結(jié)構(gòu)所受的荷載:側(cè)向荷載、豎向荷載、地震荷載、風(fēng)載、地面超載等。
　　3)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件:勘探資料內(nèi)容及測試方法;地下水情況及分布、地表水位、承壓水層、承壓氣體等。
　　4)環(huán)境條件:基坑周圍的地區(qū)性質(zhì);基坑周圍建筑物狀況;基坑周圍公用設(shè)施分布及地下構(gòu)筑物、管線狀況;基坑周圍交通狀況及道路狀況;基坑周圍水域(河流)狀況;基坑所處地區(qū)特殊狀況及對基坑施工的特殊要求等。
　　5)建筑物的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及上部結(jié)構(gòu)對支護結(jié)構(gòu)的要求。
　　6)基坑開挖及排水等方法。
　　7)對基坑支護結(jié)構(gòu)施工(噪音、振動、地面污染)的要求。
　　8)基坑場地周圍已有基坑支護結(jié)構(gòu)形式或類似基坑支護結(jié)構(gòu)的形式,在施工中的成功、失敗原因、教訓(xùn)。
　　9)現(xiàn)已應(yīng)用的各種支護技術(shù)的特點與適用范圍。
　　10)相應(yīng)基坑支護設(shè)計規(guī)程規(guī)范指南等。
　　支護結(jié)構(gòu)類型方案的選擇必須遵循支護結(jié)構(gòu)設(shè)計原則,更重要的是根據(jù)具體情況和具體解決的原則,使方案的選擇具有創(chuàng)造性與靈活性。所以方案的選擇應(yīng)從支護工程的總體考慮,例如:
　　1)對于一般高層建筑,往往采用1～2層地下室,灌注樁可作為支護結(jié)構(gòu)的一個滿意的方案。如果可能,可改用地下連續(xù)墻,利用連續(xù)墻的受力性能好、對不利環(huán)境適應(yīng)性強的優(yōu)點,可加深地下室,以發(fā)揮潛在的經(jīng)濟價值,創(chuàng)造更好的綜合效益。
　　2)對于具有多層地下室的高層建筑,當(dāng)采用地下室連續(xù)墻時,可考慮逆作法施工方法。上海、廣州、天津、重慶等地應(yīng)用逆作法施工方法,已收到顯著的效益。
　　3)當(dāng)采用地下連續(xù)墻時,盡可能考慮與地下室外墻合一或和承重墻結(jié)合成為三合一的方案。但要注意在設(shè)計和施工時,要妥善處理梁樓面結(jié)構(gòu)與墻體的連接構(gòu)造,要妥善解決防水和差異沉降問題。
　　4)當(dāng)采用地下連續(xù)墻時,要根據(jù)工地的具體情況,尤其是深寬的基坑,要與其他支護結(jié)構(gòu)形式或施工方法或特殊的要求結(jié)合應(yīng)用。
　　5)當(dāng)超過10m深的基坑,有時可以采用直徑大的灌注樁代替地下連續(xù)墻。例如上海國際航運大樓,剛開始考慮采用地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu),后來,經(jīng)周密分析研究決定選用灌注樁,比地下連續(xù)墻的造價節(jié)省約1000萬元,而且,可縮短工期近兩個月。
　　還要指出,對新技術(shù)的認(rèn)識問題。在幾年前,研究人員根據(jù)國外經(jīng)驗曾經(jīng)提出建議:地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)盡可能加以利用,兩墻合一或三墻合一方案。但是,對新的事物的認(rèn)識要有一個逐步認(rèn)識和實踐過程,需要先行者探索和實踐,把先進科學(xué)技術(shù)早日為工程服務(wù)。
　　4.2深基坑支護結(jié)構(gòu)選型的步驟
　　深基坑支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工不同于上部結(jié)構(gòu)。除地基土類別的不同外,地下水位的高低、土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及周邊環(huán)境等,都直接與支護結(jié)構(gòu)的選型有關(guān)。而且,為達到方案的優(yōu)化,有時根據(jù)地層土質(zhì)的變化以及基坑周圍環(huán)境也可采用更為靈活的組合支護方案。通過對國內(nèi)外大量深基坑支護工程選型的實例總結(jié),深基坑支護設(shè)計方案的優(yōu)選宜遵從如下流程:
　　
　　圖2深基坑支護設(shè)計方案優(yōu)選流程
　　5深基坑支護技術(shù)發(fā)展的展望
　　隨著建筑層數(shù)的增加,基礎(chǔ)埋深也隨之不斷增加。尤其是進入上世紀(jì)90年代后,出現(xiàn)了眾多超高層建筑,地下埋深超過20m,各種深基坑支護的結(jié)構(gòu)型式與施工工藝不斷產(chǎn)生。對于建筑基坑支護結(jié)構(gòu)的選型,建筑物地基土的類別、地下水位的高低、土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及周邊環(huán)境等,都會對其產(chǎn)生不可忽視的影響。支護結(jié)構(gòu)型式選擇合理,就能做到安全可靠,能帶來可觀的經(jīng)濟與社會效益;如果選擇不當(dāng),便會危及周圍環(huán)境,造成嚴(yán)重的后果。可見支護結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化選擇是深基坑支護技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。對大量工程實例的研究發(fā)現(xiàn),深基坑支護工程的發(fā)展方向如下可以概括如下:
　　1)土釘墻方案的大量實施,使得噴射混凝土技術(shù)得以充分運用和發(fā)展。為減少噴射混凝土的回彈量以及保護環(huán)境的需要,濕式噴射混凝土將逐步取代干式噴射混凝土。
　　2)基坑向著深、大、周圍環(huán)境復(fù)雜的方向發(fā)展,使得深基坑開挖與支護的難度愈來愈大。受地下空間的限制,內(nèi)支撐或新型錨桿將逐漸得以推廣運用。
　　3)為減少基坑工程帶來的環(huán)境效應(yīng)問題,或出于保護地下水資源的需要,有時基坑采用帷幕形式進行支護,除地下連續(xù)墻外,一般采用旋噴樁或深層攪拌樁等方法構(gòu)筑止水帷幕。目前,有將水利工程中防滲墻的方法引入到基坑工程的趨勢。
　　4)基坑降水時,為減少因降水引起的地面附加沉降或?qū)εR近建筑物造成的影響,可采用井點回灌技術(shù)。
　　5)在軟土地區(qū),為避免基坑底部隆起、造成支護結(jié)構(gòu)水平位移加大和臨近建筑物下沉,可采用深層攪拌或注漿技術(shù)對基坑底部土體進行加固,即提高支護結(jié)構(gòu)被動區(qū)土體強度的方法。
　　6)為減少坑壁土體的側(cè)向變形,可以通過基坑內(nèi)外雙液快速注漿加固土體;也可以對支撐(或拉結(jié))施加預(yù)應(yīng)力;還可以調(diào)整挖土進度以及支撐的施工程序等措施來限制基坑的側(cè)向變形。
　　6結(jié)語
　　在深基坑工程中,基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計選形必須遵循安全、適用、經(jīng)濟的原則。多種各具特色的深基坑支護類型,它們各有優(yōu)缺點,適用于不同地質(zhì)條件和工程環(huán)境,而地質(zhì)條件是基坑選型的重要因素,可將支護結(jié)構(gòu)的類型按地質(zhì)條件的不同進行分類。為了便于基坑工程支護結(jié)構(gòu)類型應(yīng)用時的選擇,對基坑支護以上各方面進行了分析,現(xiàn)總結(jié)基坑支護結(jié)構(gòu)選型的方法如下:
　　1)對于硬塑土層:當(dāng)基坑開挖深度小于10m、周圍施工場地狹小、鄰近基坑邊無重要建筑物時,可以采用拱圈支護結(jié)構(gòu)。
　　2)對于可塑土層:當(dāng)基坑開挖深度小于8m、基坑周圍不具備放坡或施工重力式擋土墻的寬度、開挖深度不大時,可采用懸臂式排樁支護結(jié)構(gòu)。當(dāng)基坑開挖深度小于10m、基坑周圍場地允許、鄰近基坑邊無重要建筑物或地下管線時,可采用放坡開挖。
　　當(dāng)基坑開挖深度小于12m時,可采用土釘支護結(jié)構(gòu),若土體內(nèi)富含地下水或可塑以下的軟土層,則不宜采用土釘支護結(jié)構(gòu);若坑內(nèi)被動土壓區(qū)土質(zhì)較差或基坑較深,防止基坑支護結(jié)構(gòu)過大變形或坑底土體隆起、滑動等失穩(wěn)時,可采用支護結(jié)構(gòu)與坑內(nèi)土質(zhì)加固的復(fù)合式支擋。當(dāng)基坑開挖深度小于18m、基坑外的地下空間允許錨桿占用、適用無流砂、含水量不高、不是淤泥等流塑土層的基坑支護時,可考慮采用噴錨支護結(jié)構(gòu)。當(dāng)基坑開挖深度小于20m、基坑周邊施工場地狹窄或有相鄰重要建筑(構(gòu))物、基坑尺寸較大、基坑平面尺寸規(guī)則、地基土質(zhì)較軟弱時,可采用大型內(nèi)支撐環(huán)形樁墻支護結(jié)構(gòu)。
　　3)對于軟塑土層:當(dāng)基坑開挖深度小于6m、基坑周圍不具備放坡條件,但具備重力式擋墻的施工寬度、鄰近基坑邊無重要建筑物或地下管線時,可采用水泥土重力式擋土墻。
　　4)還有幾種基坑支護結(jié)構(gòu)形式對土層條件沒有嚴(yán)格的要求:當(dāng)基坑開挖深度小于12m、場地周邊開闊、有條件采用預(yù)應(yīng)力鋼筋或花藍螺絲拉緊時,可采用地面拉結(jié)與支護樁結(jié)構(gòu)。當(dāng)基坑開挖深度小于20m時,若對基坑周邊的變形有嚴(yán)格要求,可采用基坑工程逆作法;若鄰近基坑邊有重要建筑物或地下管線、基坑周圍不具備放坡條件,可采用組合式支護結(jié)構(gòu);若為基坑周圍施工場地狹小、鄰近基坑邊有建筑物或地下管線需要保護,且土體變形控制要求嚴(yán)格的工程,可采用墻式擋土結(jié)構(gòu)(有撐、錨),但在軟土地質(zhì)條件下,優(yōu)先考慮內(nèi)支撐,采用支撐(錨)式排樁支護結(jié)構(gòu),其中錨桿的錨固段要求有較好的土層,其余不限。
　　由于支護結(jié)構(gòu)類型種類繁多,同一基坑工程有多種不同的支護方案可供選擇,對各種方案要進行分析比較,選最合理、最經(jīng)濟的支護方案,并采取綜合性技術(shù)措施,便可以得到最好的效果。支護結(jié)構(gòu)形式選擇合理,就能做到安全可靠、施工順利、縮短工期,能帶來可觀的經(jīng)濟與社會效益。一個支護設(shè)計方案是否合理,決定著基坑工程的成敗。判斷設(shè)計方案是否合理,有兩條標(biāo)準(zhǔn):一是保證基坑及周圍環(huán)境的安全;二是工程造價最低。因此首先要求保證基坑與周圍土體的穩(wěn)定和整體結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性;其次要求支護結(jié)構(gòu)能使施工合理和操作方便;最后要求支護結(jié)構(gòu)在資金和人力投入、材料消耗方面較經(jīng)濟,且保證工期。只要認(rèn)真進行方案優(yōu)選、方案論證,施工工藝不斷完善,我國的深基坑工程將進入蓬勃發(fā)展的時期。     學(xué)術(shù)論文