我國基坑工程發(fā)展現(xiàn)狀綜述

孫 靜

(黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150080)

隨著城市建設(shè)的發(fā)展,高層建筑和市政工程大量涌現(xiàn)。有限的城市地面空間已不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的工作和生活的需要,于是人們開始向高空和地下尋求發(fā)展空間。目前,各類地下工程諸如越江隧道、地下商場(chǎng)、地下民防等已隨處可見。國外著名的地下工程有法國巴黎的中央廣場(chǎng),日本東京的八重洲地下街等。這些工程的共同特點(diǎn)是都要進(jìn)行大規(guī)模地下開挖,必然導(dǎo)致大量的基坑工程產(chǎn)生[1]。基坑工程是一個(gè)古老而具有劃時(shí)代特點(diǎn)的綜合性的巖土工程課題,既涉及土力學(xué)中典型的強(qiáng)度和變形問題,又涉及到土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用問題。對(duì)于這些問題的認(rèn)識(shí)及其對(duì)策的研究,將隨著土力學(xué)理論、計(jì)算技術(shù)、測(cè)試技術(shù)以及施工機(jī)械、施工技術(shù)的發(fā)展而逐步完善。

1 基坑工程發(fā)展現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)40年代,Terzaghi和Peck等人就已經(jīng)開始研究基坑工程中的巖土工程問題并提出了預(yù)估挖方穩(wěn)定程度和支撐荷載大小的總應(yīng)力法,這一理論一直沿用至今,只不過有了許多改進(jìn)與修正;50年代Bjeruum和Eide給出了分析深基坑底板隆起的方法;60年代開始在奧斯陸和墨西哥城軟黏土深基坑中使用儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè),此后大量的實(shí)測(cè)資料提高了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,并從70年代起產(chǎn)生了相應(yīng)的指導(dǎo)開挖的法規(guī)。在以后的時(shí)間里,世界各國的許多學(xué)著都投入研究,并不斷地在這一領(lǐng)域取得豐碩成果。90年代以來,隨著城鎮(zhèn)建設(shè)中高層及超高層建筑的大量涌現(xiàn),深基坑工程越來越多,同時(shí)密集的建筑物、復(fù)雜的深坑形式,使得基坑開挖的條件越來越復(fù)雜。因此,對(duì)基坑開挖與支護(hù)的計(jì)算與設(shè)計(jì)理論、施工技術(shù)等的要求也越來越高[2]。

基坑工程在我國出現(xiàn)較晚,20世紀(jì)70年代,國內(nèi)只在少數(shù)大工程項(xiàng)目中有開挖深度達(dá)10 m以上的基坑工程,而且是在較少或者沒有相鄰建筑物和地下結(jié)構(gòu)物的地區(qū)。80年代以來,我國首先在北京、上海、廣州、深圳等大型城市大量興建高層建筑,而高層建筑多數(shù)帶有地下室,基坑支護(hù)工程隨之劇增,基坑支護(hù)設(shè)計(jì)、施工與監(jiān)測(cè)成為基礎(chǔ)工程中的新熱點(diǎn)。90年代以后,大多數(shù)城市都進(jìn)入了大規(guī)模的舊城改造階段,在繁華的市區(qū)內(nèi)進(jìn)行深基坑開挖給這一古老的課題提出了新的內(nèi)容,那就是如何提高深基坑開挖的環(huán)境效應(yīng)問題,從而進(jìn)一步促進(jìn)了深基坑開挖技術(shù)的研究與發(fā)展,產(chǎn)生了許多先進(jìn)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,眾多新的施工工藝也不斷付諸實(shí)施,出現(xiàn)了許多技術(shù)先進(jìn)的成功的工程實(shí)例。但由于基坑工程的復(fù)雜性以及設(shè)計(jì)、施工的不當(dāng),工程事故的概率仍然很高[3-4]。

基坑支護(hù)技術(shù)在我國相對(duì)較年輕,無論是設(shè)計(jì)計(jì)算,還是施工、監(jiān)控等方面都處在不斷進(jìn)步和發(fā)展的過程中。我國基坑工程的特點(diǎn)可以概括為“深、差、密、多 、低”5個(gè)字,亦即我國的基坑越挖越深,工程地質(zhì)條件越來越差,四周已建或在建建筑物密集或緊靠市政公路,基坑支護(hù)方法多,但是支護(hù)的成功率低。因此對(duì)于基坑工程還應(yīng)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)與施工,提高對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的要求,而且在建筑物稠密地區(qū)更應(yīng)注意對(duì)于環(huán)境的保護(hù),這樣一來,雖然工期和施工費(fèi)用均要提升,但是工程質(zhì)量與安全性卻可以得到相當(dāng)?shù)谋ＷC。

基坑工程分類較多,按照施工工藝大體分為放坡開挖及支護(hù)開挖兩大類。放坡開挖既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì),一般在條件具備時(shí)優(yōu)先選用,但目前深基坑工程大多是在市內(nèi)修建,基坑較深而場(chǎng)地往往又比較狹小,不具備放坡開挖條件,通常均采用有支護(hù)開挖。迄今為止,支護(hù)開挖型式已經(jīng)發(fā)展至數(shù)十種,主要包括懸臂支護(hù)、內(nèi)支撐或拉錨支護(hù)、組合型支護(hù)等。支護(hù)結(jié)構(gòu)最早用木樁,現(xiàn)在常用鋼筋混凝土樁、地下連續(xù)墻、鋼板樁以及通過加固改良基坑周圍土體的方法形成水泥土擋墻和土釘墻等[5]。

2 基坑支護(hù)類型

基坑開挖的一個(gè)重要內(nèi)容就是要保護(hù)其周邊構(gòu)筑物的安全使用。如何安全、合理地選擇合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)并根據(jù)基坑工程的特點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)是基坑工程要解決的主要內(nèi)容。基坑支護(hù)類型有很多種,常見的有水泥土墻、土釘墻、錨桿、排樁與地下連續(xù)墻等[6],以下簡(jiǎn)單介紹這幾種常用的支護(hù)類型。

2.1 水泥土墻工程

水泥土墻是重力式支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要形式,主要包括水泥土攪拌樁和高壓噴射注漿法兩種。

水泥土攪拌樁是以水泥作為固化劑的主劑,通過特制的攪拌機(jī)械邊鉆邊往軟土中噴射漿液或霧狀粉體,在地基深處就地將軟土和固化劑強(qiáng)制攪拌,由固化劑和軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理化學(xué)作用,形成抗壓強(qiáng)度比天然土強(qiáng)度高得多,并具有整體性、水穩(wěn)性的水泥加固土樁柱體,由若干根這類加固土樁柱體和樁間土構(gòu)成復(fù)合地基。水泥攪拌樁適用于加固各種成因的軟黏土,能夠增加軟土地基的承載能力,同時(shí)減少沉降量,提高邊坡的穩(wěn)定性。

高壓噴射注漿法是把注漿管放入預(yù)定深度后,通過地面的高壓設(shè)備使裝置在注漿管上的噴嘴噴出20～40 MPa的高壓射流沖擊切割地基土體,與此同時(shí),注入漿液使之與沖下的土強(qiáng)制混合,待凝結(jié)后,在土中形成具有一定強(qiáng)度的固結(jié)體,以達(dá)到加固改良土體的目的,增強(qiáng)地基強(qiáng)度。主要適用于軟弱土層,如第四紀(jì)的沖積層、殘積層以及人工填土等,這些正是建筑物地基常出現(xiàn)病害,需要進(jìn)行地基處理的地層。

2.2 土釘墻

土釘墻技術(shù)是在基坑邊壁土體中放置一定長(zhǎng)度和分布密集的土釘,土釘與周圍土體緊密結(jié)合共同工作,形成復(fù)合土體,提高了土體的整體剛度,彌補(bǔ)了土體自身強(qiáng)度的不足,從而顯著提高基坑邊坡的整體穩(wěn)定性。土釘墻由土釘、混凝土面層和防水系統(tǒng)組成。主要適用于土質(zhì)較好地區(qū),我國華北和華東北部一帶應(yīng)用較多,目前我國南方地區(qū)亦有應(yīng)用,有的已用于坑深10 m以上的基坑,穩(wěn)定可靠、施工簡(jiǎn)便且工期短、效果較好、經(jīng)濟(jì)性好、在土質(zhì)較好地區(qū)應(yīng)積極推廣。

對(duì)于具有高血壓等基礎(chǔ)疾病患者控制好血壓，對(duì)照組患者采取血塞通治療：250ml 5%葡萄糖溶液（無糖尿病患者）或0.9%氯化鈉溶液（糖尿病患者）加入400mg注射用血塞通中，多患者靜脈滴注治療，每日1次。觀察組在此基礎(chǔ)上加入復(fù)方丹參滴丸：10丸/次，3次/d，治療15d為一個(gè)療程。兩組患者均治療一個(gè)療程，治療結(jié)束后比較臨床療效。

2.3 錨桿工程

錨桿支護(hù)是一種較新的深基坑支護(hù)技術(shù),是擋土結(jié)構(gòu)與外拉系統(tǒng)相結(jié)合的一種深基坑組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)。錨桿是一種受拉桿件,它的一端與工程結(jié)構(gòu)物或擋土樁墻聯(lián)結(jié),另一端錨固于地基的土層或巖層中,以承受結(jié)構(gòu)物的上托力、拉拔力、傾側(cè)力或擋土墻的土壓力,它利用地層的錨固力維持結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定,錨桿主要由錨頭、錨拉桿、錨固體3部分組成。目前錨桿的施工長(zhǎng)度可達(dá)50 m以上,在黏性土中抗拔力可達(dá)1000 kN,被錨固的擋土墻可達(dá)40 m以上。錨桿作為一項(xiàng)新技術(shù),它是施工走在前頭,設(shè)計(jì)理論落在后面,即施工工藝領(lǐng)先于其設(shè)計(jì)理論,目前在很多方面主要憑經(jīng)驗(yàn)取得成功,因此它還有待于理論上的完善。

2.4 排樁與地下連續(xù)墻

排樁墻支護(hù)體系,是由樁排式圍護(hù)墻或地下連續(xù)墻組成的圍護(hù)墻、支撐體系、防滲結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的防水擋土體系。支護(hù)墻體的主要形式有:鋼板樁、鋼筋混凝土板樁、H型鋼木擋板、鉆孔灌注樁、SMW支護(hù)結(jié)構(gòu)和地下連續(xù)墻。

鋼板樁是一種施工簡(jiǎn)單,投資經(jīng)濟(jì)的支護(hù)方法,它由鋼板樁、錨拉桿(或內(nèi)支撐、錨碇結(jié)構(gòu)、腰梁等)組成。由于鋼板樁本身柔性較大,如支撐或錨拉系統(tǒng)設(shè)置不當(dāng),其變形會(huì)增大?；由疃? m以上的軟土地層,基坑不宜采用鋼板樁支護(hù),除非設(shè)置多層支撐或錨拉桿。鋼板樁適用于柔軟地基及地下水位較高的深基坑支護(hù),施工簡(jiǎn)便,其優(yōu)點(diǎn)是止水性能好,可以重復(fù)使用。

鋼筋混凝土板樁是一種傳統(tǒng)的支護(hù)結(jié)構(gòu),截面帶企口有一定擋水作用。鋼筋混凝土板樁施工方便,速度快,打樁后可立即開挖,工期短,與地下連續(xù)墻相比較造價(jià)低,經(jīng)濟(jì)效果顯著。其支護(hù)強(qiáng)度高、剛度較大、變形小,打樁時(shí)的振動(dòng),擠土及噪聲對(duì)周圍環(huán)境影響較大,因此不適合在建筑物及地下管線密集的區(qū)域使用。接頭外企口具有一定的防水效果,但在高水位軟土地區(qū),仍需注意防止接頭處漏水所引起的水土流失,在硬土層中打設(shè)施工困難,不適合使用。

H型鋼木擋板是國內(nèi)外常見的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu),能充分發(fā)揮H型鋼抗彎能力強(qiáng)的特點(diǎn),減少所需支撐或拉錨道數(shù)。適用于土質(zhì)較好、不需抗?jié)B止水或是地下水位較低的基坑,如果在含水地層中使用時(shí),需要采用人工降低地下水位或配合明溝排水,保證施工作業(yè)面的干燥環(huán)境,對(duì)水土流失的封閉作用差,需采取隔水降水措施。由于該種支護(hù)墻體形式基底以下無擋板,必要時(shí)需采取措施保證基底穩(wěn)定性。

鉆孔灌注樁將單個(gè)樁體并排連續(xù)起來便可形成排樁式擋墻,施工工藝簡(jiǎn)單、成本低、平面布置靈活,墻身強(qiáng)度高,剛度大,支護(hù)穩(wěn)定性好,變形小,但整體性差,在地下水位較高的地區(qū)不能單獨(dú)起到擋水的作用,需設(shè)置擋水帷幕墻來擋水。適用于軟黏土質(zhì)和砂土地區(qū),在砂礫層和卵石中施工困難,在重要地區(qū)、特殊工程及開挖深度較大的基坑中應(yīng)用時(shí)特別需要慎重。

SMW支護(hù)結(jié)構(gòu)是在水泥攪拌樁內(nèi)插入H型鋼或其它種類的受拉材料,形成支護(hù)和防水的復(fù)合結(jié)構(gòu),在日本稱為SMW工法,同時(shí)具有受力和防滲兩種功能。在日本結(jié)合多道支撐已經(jīng)應(yīng)用于開挖深度達(dá)20m的基坑,近年來我國國內(nèi)開始將其用于開挖深度在6～14 m的基坑支護(hù)。它施工時(shí)噪聲小,對(duì)周圍環(huán)境影響小,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠,凡是適合應(yīng)用水泥攪拌樁的場(chǎng)合都可以使用,特別適合于以黏土和粉細(xì)砂為主的軟土地層,擋水防滲性能好,不必另設(shè)擋水帷幕。如果能夠采取一定施工措施成功收回H型鋼等受拉材料,在費(fèi)用上則大大低于地下連續(xù)墻,具有較廣闊的發(fā)展前景。

3 基坑工程存在的問題

基坑工程與其隸屬的巖土工程學(xué)科一樣,是實(shí)用性,經(jīng)驗(yàn)性極強(qiáng)的學(xué)科,是隨著工程實(shí)踐不斷提高的學(xué)科。近些年的工程實(shí)踐已經(jīng)證明,在基坑工程這一領(lǐng)域,我們?nèi)〉昧嗽S多值得驕傲的成就,但是也必須承認(rèn)同時(shí)出現(xiàn)了很多工程事故。造成基坑事故的原因很復(fù)雜,唐業(yè)清等曾對(duì)103項(xiàng)深基坑工程事故的原因進(jìn)行調(diào)查,統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,其中由于深基坑設(shè)計(jì)失誤、水處理不當(dāng)、結(jié)構(gòu)和基坑失穩(wěn)事故,占總事故的80%,其所造成的經(jīng)濟(jì)損失也相當(dāng)嚴(yán)重[7]。目前基坑存在的問題大體可表現(xiàn)在兩個(gè)方面:①設(shè)計(jì)階段存在的問題;②施工階段存在的問題。

設(shè)計(jì)階段存在的問題主要是基坑工程結(jié)構(gòu)選型不合理。基坑支護(hù)及撐錨方法較多,為了達(dá)到同一目的,可以有多種方法,而每一種方法都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),有的速度快、有的投資少、有的噪音小等[8]。我國土地遼闊,自然地理環(huán)境不同,土質(zhì)各異,地基條件區(qū)域性較強(qiáng),在選擇建筑場(chǎng)地時(shí),應(yīng)盡量選擇地質(zhì)條件良好的場(chǎng)地從事建設(shè)。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)以及周圍環(huán)境條件等,都直接與支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型有關(guān)。

施工階段存在的問題:①基坑施工中地下水的處理不當(dāng)?；邮┕ぶ?地下水的處理是一個(gè)難點(diǎn),因土質(zhì)與地下水位的差異,基坑開挖施工的方法也隨之不同,尤其是在沿海等高水位地區(qū)或者表層滯水很豐富的地區(qū),深基坑工程施工中地下水的處理是整個(gè)工程成敗的關(guān)鍵[8]。降低地下水位可能引起地面沉降,對(duì)環(huán)境造成不良影響,尤以深井降水影響最大,在很多失敗的深基坑工程中,有很多是因?yàn)榛邮┕ぶ械叵滤慕蹬潘疀]有處理好。唐業(yè)清等[7]曾對(duì)103項(xiàng)深基坑工程事故的原因進(jìn)行調(diào)查,其中僅水處理不當(dāng)就占總事故的21.4%;②信息化施工的程度不高。信息化施工是一項(xiàng)很有發(fā)展前途的新技術(shù),具有代價(jià)小成效大的優(yōu)點(diǎn),安全監(jiān)測(cè)是深基坑工程安全的重要保證條件之一,基坑監(jiān)測(cè)與工程的設(shè)計(jì)、施工也被稱為深基坑工程施工的三大基本要素?；庸こ淘诎l(fā)生事故前或多或少都有預(yù)兆,因?yàn)榛庸こ讨ёo(hù)結(jié)構(gòu)的破壞要經(jīng)歷一個(gè)由量變到質(zhì)變的過程,通過信息化施工可以不斷地優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,確保基坑開挖安全可靠而又經(jīng)濟(jì)合理[8]。

我國地域廣闊,土層變化大,同時(shí)建筑物密集、地下管線眾多、交通網(wǎng)絡(luò)縱橫、環(huán)境保護(hù)要求較高,給基坑工程設(shè)計(jì)和施工帶來很多困難。因此,進(jìn)行基坑工程的設(shè)計(jì)和施工要結(jié)合具體情況,因地制宜,不能生搬硬套,否則會(huì)帶來嚴(yán)重后果。

4 基坑工程的展望

基坑工程是巖土工程中一個(gè)新的領(lǐng)域,是一個(gè)很有發(fā)展?jié)摿Φ墓こ?不斷增加的工程數(shù)量,復(fù)雜多變的工程環(huán)境為基坑的發(fā)展提供了一個(gè)廣闊的舞臺(tái)。在今后的發(fā)展中,基坑工程發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

4.1 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)選型

支護(hù)結(jié)構(gòu)型式選擇合理,就能做到安全可靠、施工順利、縮短工期,帶來可觀的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。如型式選擇不恰當(dāng),不但會(huì)危急基坑以及整個(gè)建筑物的安全,還會(huì)影響周邊環(huán)境,所以今后深基坑工程發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)就是如何使支護(hù)結(jié)構(gòu)選型更加恰當(dāng)。

4.2 施工工藝上的發(fā)展

隨著土釘墻方案的大量運(yùn)用,噴射混凝土技術(shù)得到了充分的運(yùn)用和發(fā)展;受地下空間的限制,內(nèi)支撐或新型錨桿逐漸得以推廣和運(yùn)用;防滲技術(shù)也不斷得到發(fā)展;在軟土地區(qū)深層攪拌樁或注漿技術(shù)大量運(yùn)用。因此,隨著基坑支護(hù)新技術(shù)的大量運(yùn)用,必將促進(jìn)施工工藝的不斷發(fā)展。

4.3 信息監(jiān)測(cè)與信息化施工技術(shù)

信息化施工可以對(duì)基坑土層性狀、支護(hù)結(jié)構(gòu)變位和周邊環(huán)境條件的變化,進(jìn)行各種觀測(cè)及分析,并將觀測(cè)結(jié)果及時(shí)反饋,以指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工。為確?；娱_挖安全可靠又經(jīng)濟(jì)合理,信息監(jiān)測(cè)與信息化施工技術(shù)必將成為基坑工程發(fā)展的必然趨勢(shì)。

為了滿足社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的需要,相信在以后的基坑工程實(shí)踐中,隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)高速的發(fā)展和基坑支護(hù)理論與新技術(shù)的不斷發(fā)展,基坑工程技術(shù)水平將會(huì)不斷提高和發(fā)展,深基坑工程必將日益完善。

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