淺談深基坑支護技術(shù)在工程中的應(yīng)用

徐承明 徐成賢

（1天水建筑設(shè)計院，甘肅 天水 741000；2甘肅能源化工職業(yè)學院，甘肅 蘭州 730046）

隨著我國科學技術(shù)的發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高，我國城市化的進程不斷加快，為了滿足人們精神以及物質(zhì)方面的需求，同時為了節(jié)省地上公共土地、充分利用地下空間，大量的地下工程以及高層、超高層建筑應(yīng)用而生。這意味著與之相應(yīng)的基坑開挖越來越深、越來越復雜。對超高層建筑而言，建筑高度越大時，對基坑的要求也越高，其埋置深度也就越深，對基坑支護的要求也越來越高[1]。隨著要求和難度的增加，隨之出現(xiàn)的問題也就越來越多、越來越突出，給人們的生命和財產(chǎn)安全帶來嚴重的威脅，因此在工程建設(shè)過程中應(yīng)予以重視[2]。

為保證建筑基礎(chǔ)在開挖過程中形成的地下空間在結(jié)構(gòu)施工過程中的安全性和穩(wěn)定性做需要的擋土結(jié)構(gòu)及施工過程中的地下水控制等措施稱為基坑工程，它是一門很強的綜合性學科，涉及土力學、結(jié)構(gòu)力學、基礎(chǔ)工程、巖土工程以及監(jiān)控、檢測等多學科問題[3]。基坑支護工程是一個很強的系統(tǒng)性工程，由擋土、支護、降水、挖土等許多緊密相關(guān)的子系統(tǒng)工程構(gòu)成，是為了保證基坑施工以及周邊環(huán)境的安全，對基坑側(cè)壁及周邊環(huán)境采用的支擋、加固與保護措施，主要起到保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定以及防止地下水的作用。它與基坑周邊的土體形成一個相互影響的支護系統(tǒng)，常常對周邊的建筑物、市政工程等產(chǎn)生一定的影響。這就要求在施工過程中除了對支護結(jié)構(gòu)自身的變形進行監(jiān)控外，還應(yīng)對基坑周邊的建筑進行位移監(jiān)控，以確保周邊建筑及地下相關(guān)建筑的安全可靠。

基坑支護還是一個風險很大的工程，隨著基坑開挖深度的增加，開挖的技術(shù)難度也越來越大，意味著所面對的風險也就越大[4]。近幾年，由于基坑支護形式設(shè)計不合理，基坑開挖過程中的違規(guī)操作和不當處理，造成了很多事故（見圖1），并造成了很大的損失。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，基坑支護工程事故發(fā)生率較高，發(fā)生事故的基坑數(shù)量竟占基坑總數(shù)的1/4以上[5]。在基坑實際開挖過程中，如何防止基坑不出現(xiàn)坍塌等問題，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)，已成為當前基坑工程有待解決的問題。因此，基坑支護問題已成為土木工程界的主要研究問題，有必要對基坑工程中的基坑支護技術(shù)進行分析與討論。

圖1 基坑坍塌實例圖

1 深基坑支護的特點

為了保證建筑的穩(wěn)定性以及地下空間能夠充分利用，基礎(chǔ)都必須滿足一定的地下埋深嵌固要求。埋置深度往往與建筑高度成正比，即建筑物建筑高度越高，埋置深度越深。這已成為我國工程和高校研究人員研究的熱點問題，具有以下幾個特點[4，6]。

1.1 區(qū)域性

近年來，隨著我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，深基坑工程也得到了快速發(fā)展。深基坑工程是一個綜合性很強的巖土工程，不光涉及強度和變形問題，同時還涉及基坑支護結(jié)構(gòu)與土體之間的相互作用問題。由于巖土工程本身具有很強的區(qū)域性，所以深基坑工程同樣也具有很強的差異性。隨著地基中巖土性質(zhì)千變?nèi)f化，地質(zhì)條件和水文條件的不確定性、復雜性和不均勻性，基坑工程表現(xiàn)出的差異性也很大，這將大大增加地質(zhì)勘測的難度，不能得到具體的地質(zhì)資料，難以代表地基中各土層的分布情況。因此，深基坑開挖與支護必須因地制宜，根據(jù)具體的基礎(chǔ)地質(zhì)資料，具體問題具體分析。

1.2 復雜性

對于高層建筑結(jié)構(gòu)而言，一般大多數(shù)都位于城市中心，建筑物眾多，交通基礎(chǔ)設(shè)施比較密集，且城市地下管線設(shè)施也比較復雜，這將給深基坑工程的施工帶來很大的難度，使得深基坑工程變得更加復雜，給基坑工程支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工變得更加困難，不能形成統(tǒng)一的設(shè)計方法和施工技術(shù)。除此之外，隨著基坑所屬區(qū)域的不同，周圍的建筑、基礎(chǔ)設(shè)施以及地下管道各不相同，有時就是在同一區(qū)域，基坑內(nèi)土層以及地下水的分布隨著深度的變化各不相同，對于地質(zhì)情況較好的區(qū)域，由于承載能力等條件較好，其基坑支護的要求相對簡單一些，但如果所在地區(qū)地基承載能力較低，甚至還有地下水存在，這對基坑工程的支護體系的要求也更加嚴格，不僅要考慮支護結(jié)構(gòu)與周圍土體之間的強度、穩(wěn)定性等問題，還要考慮防滲等特殊問題。因此，在深基坑支護工程的設(shè)計和施工過程中，需要我們根據(jù)不同區(qū)域的不同地質(zhì)特征，能夠具體問題具體分析，找到合理的解決辦法，以保證深基坑支護工程能夠順利有序地進行。

1.3 不確定性

深基坑支護工程是一個很強的系統(tǒng)性工程，涉及擋土、支護、降水、挖土等許多緊密相關(guān)的環(huán)節(jié)，凡是對各個環(huán)節(jié)有影響的因素都會對深基坑支護工程產(chǎn)生影響。除此之外，在深基坑支護機構(gòu)施工過程中，作用與深基坑支護結(jié)構(gòu)上的各種因素不是一成不變的，而是多種多樣，種類較多。主要歸結(jié)為以下幾個方面：一是基坑支護結(jié)構(gòu)在施工過程中所受的外力不確定，隨著施工階段施工場地、條件、技術(shù)等因素的變化而發(fā)生變化。二是在深基坑開挖過程中，隨著開挖深度以及位置的不同，基坑周圍土體的土層往往不是均勻的，而是隨著深度的變化，土層的性質(zhì)是逐漸變化的，這就使得基坑周圍土體對基坑支護的作用也不是一成不變的，而是隨著巖土性質(zhì)的變化處于一個變化的狀態(tài)。除了上述兩種影響因素外，還有一些在施工過程中的突發(fā)情況，如施工環(huán)境的突然改變以及由于前期地質(zhì)勘探不全面而發(fā)生的特變等，這些突發(fā)的情況都會對深基坑支護工程帶來一定的影響。

1.4 綜合性

深基坑支護工程是一個綜合性很強的系統(tǒng)工程，涉及很多的學科，例如巖土工程、結(jié)構(gòu)工程、土力學、滲流理論、施工技術(shù)等，是多種復雜因素相互影響的系統(tǒng)工程。這就要求我們在深基坑支護工程中不僅要處理好巖土工程中強度、變形和滲流三者之間的關(guān)系，還要考慮支護結(jié)構(gòu)在土層發(fā)生變形后對支護結(jié)構(gòu)自身的影響。此外，影響深基坑支護結(jié)構(gòu)施工和使用過程中的影響因素也是多種多樣的，例如地下水位、地質(zhì)災(zāi)害等。因此，在深基坑工程的施工和使用過程中，我們應(yīng)綜合考慮各影響因素對基坑工程的影響，以免事故的發(fā)生。

1.5 多樣性

深基坑支護方式具有多樣性，對于同一基坑而言，即使基坑在地質(zhì)情況相同的情況下也可以采用幾種不同的支護形式。根據(jù)既有研究發(fā)現(xiàn)，對于每一種深基坑支護方式而言，都有其特定的使用條件和使用范圍，且都具有一定的優(yōu)缺點。在深基坑支護設(shè)計中如何選擇一種最合適的基坑支護形式成為工程設(shè)計人員重點考慮的問題，因為深基坑支護形式的合理選擇與準確計算不僅關(guān)系到支護結(jié)構(gòu)自身的安全，還對深基坑周邊的建筑物也有很大的影響。因此，對深基坑支護技術(shù)在工程中的應(yīng)用與研究是很有必要的。

2 深基坑支護技術(shù)在工程中的應(yīng)用

近年來，隨著我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的鋼板樁加井點降水的支護方式已無法滿足深基坑支護技術(shù)的要求，深基坑支護方式也得到了快速的發(fā)展，種類也變得多種多樣的。目前，工程中采用的深基坑支護方式主要有重力式擋土墻支護、土釘支護、排樁支護、地下連續(xù)墻支護、內(nèi)支撐支護以及預(yù)應(yīng)力錨桿支護6種，各支護技術(shù)分別如下[4，7]：

2.1 重力式擋土墻支護技術(shù)

圖2 重力式擋土墻的應(yīng)用

圖3 土釘墻支護技術(shù)的應(yīng)用

重力式擋土墻是以擋土墻自身重力來維持支護結(jié)構(gòu)在墻后土壓力作用下的平衡和穩(wěn)定。重力式擋土墻可用塊石、片石混凝土、混凝土預(yù)制塊或混凝土來進行整體砌筑，使其墻后的土體保持穩(wěn)定，不需要設(shè)置其他的基坑支護結(jié)構(gòu)來滿足基坑的平衡和穩(wěn)定。由于是一次性整體澆筑，所以具有較強的穩(wěn)定性和整體性，且取材方便，施工簡單，因此，在國內(nèi)外深基坑工程中得到了廣泛應(yīng)用（見圖2）。由于重力式水泥土墻在施工過程中所需材料單一，取材方便，直接可以利用地基土和水泥來進行施工，對施工場地周邊的建筑和環(huán)境影響較小，施工過程不會產(chǎn)生噪音和空氣污染。在擋土墻中加入水泥不僅可以起到支護作用，同時還可以起到止水的作用。

根據(jù)大量實際工程經(jīng)驗和研究表明，重力式水泥土墻的應(yīng)用范圍比較廣泛，很適合用于較軟的淤泥和淤泥質(zhì)土的基坑和開挖深度較淺的基坑工程，且對基坑的地基承載力有一定的要求。重力式水泥土墻在墻后土壓力的作用下，必須具有足夠的強度和穩(wěn)定性。在設(shè)計時應(yīng)驗算擋土墻在荷載作用下的滑動穩(wěn)定性、傾覆穩(wěn)定性以及地基承載力。且在承載力較小時，還應(yīng)采用相應(yīng)的工程措施，以此來保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.2 土釘支護技術(shù)

土釘在深基坑支護中的應(yīng)用主要是在基坑側(cè)壁通過鉆孔，然后在孔內(nèi)放入鋼筋，并沿孔道注入混凝土，待混凝土達到一定強度后，使鋼筋、混凝土以及土體之間形成一個整體，形成符合土體從而起到支護作用，從而形成支護體系。與其他深基坑支護方式相比，土釘支護技術(shù)具有操作簡單，施工方便，成本較低等優(yōu)點。

由于土釘形式的種類較多，使其在深基坑支護中的應(yīng)用較為廣泛（見圖3），對粘性土、粉土等地區(qū)的基坑支護均可使用。將土釘支護方式運用于深基坑支護時，應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)情況和施工需求以及地下水的情況來選擇合適的土釘形式。不足之處在于土釘支護技術(shù)不適合在含水率較高的砂層、軟弱土層中使用。此外，對于變形有嚴格要求的基坑一般也不予使用。

2.3 排樁支護技術(shù)

排樁支護結(jié)構(gòu)是將某種樁型按一定的布置方式組成的基坑支護結(jié)構(gòu)，應(yīng)用如圖4所示。根據(jù)排樁的成樁工藝和樁型，常用的樁型主要有鋼筋混凝土鉆孔灌注樁、挖孔樁、鋼型樁和鋼管樁等。在實際工程應(yīng)用中，首先應(yīng)根據(jù)具體工程的地質(zhì)情況、施工方法以及環(huán)境保護等要求進行綜合分析，然后再確定采用何種樁型。此外，按照基坑開挖的深度以及支護結(jié)構(gòu)的受力情況，排樁支護又可分為無支撐結(jié)構(gòu)、單支撐結(jié)構(gòu)、多支撐結(jié)構(gòu)等。當基坑周圍建筑物較多而且較近時，應(yīng)采用對土體擾動較少的排樁支護方案，且在施工過程中應(yīng)嚴格控制土體的水平位移和沉降要求。在地下水位較低且土質(zhì)較好的基坑支護過程中，可利用土拱作用，采用稀疏的鉆孔灌注樁或挖孔樁作為基坑的支護結(jié)構(gòu)。在地下水位較高且土質(zhì)較差的軟土地區(qū)，盡量不要采用挖空樁，可采用承載能力較好的鉆孔灌注樁，且應(yīng)做好防水工作。

圖4 排樁支護技術(shù)的應(yīng)用

圖5 地下連續(xù)墻支護技術(shù)的應(yīng)用

2.4 地下連續(xù)墻支護技術(shù)

與其他深基坑支護技術(shù)相比，地下連續(xù)墻具有承載力好、整體剛度大、強度大、整體性好、對基坑施工場地的空間利用率較高以及防止水效果突出等優(yōu)點，在深基坑工程中得到了廣泛的應(yīng)用（見圖5）。目前，深基坑工程中采用的地下連續(xù)墻支護技術(shù)通常分為現(xiàn)澆地下連續(xù)墻和預(yù)制地下連續(xù)墻兩種。其中現(xiàn)澆地下連續(xù)墻是指采用專用機械設(shè)備現(xiàn)場成槽、現(xiàn)場制作鋼筋籠，并澆筑混凝土而形成的支護結(jié)構(gòu)。預(yù)制地下連續(xù)墻通常采用工廠預(yù)制，現(xiàn)場裝配的施工方法來進行施工。與現(xiàn)澆地下連續(xù)墻相比，其大大節(jié)省了施工周期，不需要進行現(xiàn)場養(yǎng)護。

地下連續(xù)墻作為深基坑支護方式的一種，其優(yōu)勢較為突出，除了可以承受較大的水平荷載，例如土壓力、水壓力等，還可以起到兩墻合一的作用，具有較高的經(jīng)濟效益，即除了用作基坑開挖時基坑的支護結(jié)構(gòu)，同時還可以作為地下結(jié)構(gòu)的外墻。當基坑開挖深度過大時，一般的支護結(jié)構(gòu)往往不能滿足要求，此時選用地下連續(xù)墻不僅可以滿足結(jié)構(gòu)的安全性，還具有較高的經(jīng)濟效益。此外，地下連續(xù)墻還具有很好的防止水效果，當開挖深度較大且遇到地下水滲流問題時，可優(yōu)先采用地下連續(xù)墻作為基坑的支護結(jié)構(gòu)。不足之處是地下連續(xù)墻支護體系所需的施工設(shè)備龐大，墻身厚度較大，造價昂貴。

2.5 內(nèi)支撐支護技術(shù)

除上述幾種基坑支護方式外，內(nèi)支撐支護技術(shù)在深基坑支護方式的一種，常和其他支護方式配合使用（見圖6，排樁+內(nèi)支撐）。內(nèi)支撐支護體系通常有內(nèi)支撐系統(tǒng)和擋土結(jié)構(gòu)兩部分構(gòu)成，擋土結(jié)構(gòu)通常用來承受背后土體的土壓力和水壓力，內(nèi)支撐系統(tǒng)則是用來傳遞兩側(cè)擋土結(jié)構(gòu)所受到的側(cè)向壓力。具有自重輕、施工方便、工期短和可以重復利用等優(yōu)點。且在安裝后能立即發(fā)揮支撐作用，能有效地減少由于時間效應(yīng)而引起的基坑變形。

圖6 內(nèi)支撐支護技術(shù)的應(yīng)用

2.6 預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護技術(shù)

圖7 組成部分示意圖

圖8 預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護技術(shù)的應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護體系作為深基坑支護方式的一種，是通過沿著基坑深度方向，設(shè)置一定間距的預(yù)應(yīng)力錨桿來錨固基坑周圍的土體的一種支護方式，其組成部分如圖7所示，在工程中的應(yīng)用如圖8所示。由于對錨桿施加了預(yù)應(yīng)力，使得錨下承載結(jié)構(gòu)和支護面層在基坑側(cè)壁形成強大的壓力場，減小了巖土沿潛在下滑面滑動的下滑力，從而實現(xiàn)了主動約束，增強了基坑的變形能力，提高了基坑的整體穩(wěn)定性。具有工期短、支護深度大、安全性好、施工簡單等優(yōu)點。不足之處是預(yù)應(yīng)力錨桿需要地下施工場地外部的地下空間作為錨固區(qū)域，不適合基坑周邊地下建筑或地下管道較多的基坑工程。

3 深基坑支護類型的選擇

3.1 選擇依據(jù)

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，基坑支護工程事故發(fā)生率較高，發(fā)生事故的基坑數(shù)量竟占基坑總數(shù)的1/4以上。通過對發(fā)生的事故進行調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)導致事故的最主要原因是因為基坑支護形式的選擇不合理造成的。支護方式的選擇不僅關(guān)系到邊坡的穩(wěn)定，而且還必須滿足變形控制的要求。除此之外還必須保證基坑周圍建筑物、地下管道以及基礎(chǔ)設(shè)施等的安全?；又ёo最重要的首先是要保證周邊建筑等的安全，然后再充分考慮建筑物自身的安全。

如何從眾多的基坑支護方式中選擇有效、合理的支護方式是基坑支護設(shè)計的首要工作。應(yīng)根據(jù)基坑開挖地段的地質(zhì)條件、周邊環(huán)境的要求、經(jīng)濟性、各個支護形式的特點以及相應(yīng)的規(guī)范要求等，通過綜合評判來加以選擇，選擇的基本依據(jù)如下[8]：明確各個支護技術(shù)的優(yōu)缺點和使用范圍；明確基坑的基本參數(shù)，例如尺寸、形狀、深度等；明確基坑支護結(jié)構(gòu)承受的荷載，例如側(cè)向荷載、地面超載等；明確基坑開挖地段的工程地質(zhì)資料，了解地下水分布情況等；明確基坑周邊地上和地下建筑、管道線路的分布情況以及其對變形等控制因素的要求等；明確基坑開挖以及排水等的方式；了解周圍已有基坑工程的地質(zhì)情況和施工方法和施工經(jīng)驗等；準確理解相應(yīng)的規(guī)范要求等。

深基坑支護方式的選擇必須按照上述依據(jù)嚴格執(zhí)行，在選擇時，還應(yīng)根據(jù)具體的地質(zhì)情況、施工條件和突發(fā)情況隨時變通，使最終的方案更加貼合實際工程?；拥刭|(zhì)情況較好且周圍建筑物較少時，可采用擋土墻或土釘墻支護形式。當周圍建筑物較多，對基坑的要求較高時，則應(yīng)采用排樁或地下連續(xù)墻等支護形式。此外，當基坑開挖深度過大且地質(zhì)條件特別差時，可選擇采用地下連續(xù)墻這種最強的支護方式。

3.2 選擇步驟

從深基坑工程的眾多特點中可以看出，深基坑支護工程是一個復雜的系統(tǒng)工程。在深基坑支護結(jié)構(gòu)的選型過程中，需要我們根據(jù)不同區(qū)域的不同地質(zhì)特征和基坑周圍環(huán)境的變化，能夠具體問題具體分析，找到合理的結(jié)構(gòu)形式，以保證深基坑支護工程能夠順利有序的進行。甚至為了使深基坑支護方案達到最優(yōu)，有時也會采用更為靈活的組合支護方案。通過國內(nèi)外大量研究者對國內(nèi)外基坑工程的研究[9]，發(fā)現(xiàn)深基坑支護方案的選擇應(yīng)遵從以下流程(圖9)。

圖9 深基坑支護方式選擇步驟

4 結(jié)語

本文首先對深基坑支護工程進行了簡單的介紹與論述，指出了深基坑支護工程的工程特點。對各個深基坑支護方式進行了論述，并對每種支護方式的優(yōu)缺點以及適用范圍進行了簡單的介紹。最后針對如何從眾多的基坑支護方式中選擇有效、合理的支護方式進行了討論，給出了深基坑支護類型選擇的依據(jù)和選擇步驟，為以后對深基坑支護選型提供一定的參考。