基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計選型、事故的原因、 預(yù)防和加固處理方法及設(shè)計中的注意事項

陳建梅 孫庭宮 朱凌鋒 潘登

現(xiàn)今國家對基坑工程越來越重視，對設(shè)計人員的素質(zhì)要求越來越高，我國常用的基坑支護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要有重力式水泥土墻、土釘墻、支檔式結(jié)構(gòu)，按施工順序有順作法和逆作法施工?；悠茐牡男问街饕型馏w失穩(wěn)破壞、支護結(jié)構(gòu)強度破壞、土體滲透破壞?；尤藛T應(yīng)加強理解能力，提高施工圖閱讀能力,加強現(xiàn)場各類信息的發(fā)現(xiàn)、分析、判斷歸納能力，以提高信息化施工的執(zhí)行力。

因地下空間開發(fā)利用的需要，基坑工程越來越多，它是臨時性的結(jié)構(gòu)，它與永久性結(jié)構(gòu)相比，安全儲備小，風險較大，因地層、土巖的性質(zhì)、地下水等的差異，使基坑支護工程的區(qū)域性和個案性較強。它與周邊環(huán)境關(guān)系密切，且對其影響較大。

一、基坑結(jié)構(gòu)的選型

基坑施工最簡單、最經(jīng)濟的辦法是放大坡開挖，但經(jīng)常會受到場地條件、周邊環(huán)境的限制，所以需要設(shè)計支護系統(tǒng)以保證施工的順利進行，并能較好地保護周邊環(huán)境。綜合考慮安全等級、基坑深度、土類及地下水條件、環(huán)境條件等各方面的影響因素，目前我國常用的基坑支護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要有以下幾種：

重力式水泥土墻，是一種剛性的擋土結(jié)構(gòu)，多用于軟土，深層攪拌法（雙軸、三軸）或旋噴法施工，通?；娱_挖深度小于等于7米時適用，墻寬為0.7～1.0倍的開挖深度，多采用格柵式布置，計算時作為剛性結(jié)構(gòu)（重力式）來進行計算。土釘墻支護結(jié)構(gòu)適用于地下水位以上，自穩(wěn)性較好的土層，埋深不是很大，土層變形控制的要求不嚴格，有較寬松的施工場地。土釘墻的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)輕，柔性大，有良好的延性，抗震性能好，對凍脹的適應(yīng)性較強。施工設(shè)備簡單，所需場地小，方便靈活，施工速度快。材料用量及工程量小，工程造價低（為其它類型支護三分之二至五分之四）。土釘墻的缺點是：基坑深度有限，土層變形及沉降不易控制。土釘墻可以與樁及止水結(jié)構(gòu)錨索等組合成復(fù)合型土釘墻支護結(jié)構(gòu)。排樁支護結(jié)構(gòu)分為圍護結(jié)構(gòu)（排樁、地下連續(xù)墻）和支錨系統(tǒng)。圍護結(jié)構(gòu)樁的類型分為板樁(鋼，鋼筋混凝土預(yù)制樁)、鋼筋混凝土樁（預(yù)制樁、現(xiàn)場鉆孔灌注樁）、鋼筋混凝土-素混凝土咬合樁、型鋼水泥土攪拌樁（smw）。支錨系統(tǒng)分為內(nèi)撐和外錨，內(nèi)撐又分為水平（單向、雙向、桁架式）、豎向（立柱）、豎向斜撐，及外錨:預(yù)應(yīng)力錨索(錨桿)。它的優(yōu)點是：適用于更深的基坑，能較好地控制土層的變形；較地下連續(xù)墻施工工藝簡單，成本低，平面布置靈活。它的缺點是防滲及整體性不如地下連續(xù)墻。地下連續(xù)墻優(yōu)點是剛度大，支撐能力強，基坑穩(wěn)定性好，土層變形小，墻身防滲性好，坑內(nèi)降水對坑外影響小，可作為地下室的外墻，縮短工期，降低造價。缺點是有廢泥漿處理，粉砂地層中易坍壁，施工技術(shù)要求高，厚度具有固定的模數(shù)，不如灌注樁靈活。

按支護與主體結(jié)構(gòu)的施工順序可分為順作法和逆作法施工，在新材料應(yīng)用方面，目前有幾種非金屬復(fù)合材料，如碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等作為復(fù)合筋在基坑中的應(yīng)用不斷擴大。玄武巖纖維復(fù)合筋的特性是密度小，抗拉強度高，不生銹，耐腐蝕，與水泥混凝土結(jié)合性能好，電絕緣性、非磁性，可預(yù)制形狀、可實現(xiàn)連續(xù)配筋，生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生有害物質(zhì)，環(huán)保性能好，脆性材料、可切斷，價格較鋼筋低。

二、基坑設(shè)計選型的原則

滿足結(jié)構(gòu)強度變形穩(wěn)定性的要求，保證周圍環(huán)境的安全，有較好的技術(shù)經(jīng)濟和環(huán)境效益，施工方便安全。設(shè)計人員可根據(jù)上述提了幾種方案，精心選用或組合使用?；又ёo結(jié)構(gòu)選型時，應(yīng)綜合考慮以下因素：（1）基坑深度；（2）土的性狀及地下水條件；（3）基坑周邊環(huán)境對基坑變形的承受能力及支護結(jié)構(gòu)失效后的后果，有重要保護對象的基坑以變形控制貫穿整個設(shè)計過程；（4）設(shè)計方案需要適當?shù)陌踩?。?）支護結(jié)構(gòu)施工工藝的可行性；（6）施工場地條件及施工季節(jié)；（7）經(jīng)濟指標，環(huán)保性能和施工場地的要求。

三、基坑破壞的形式

主要有土體失穩(wěn)破壞、支護結(jié)構(gòu)強度破壞、土體滲透破壞。土體失穩(wěn)破壞，主要原因是開挖坡度過陡，土釘長度不夠，樁（墻）入土深度偏淺，無法給土體提供足夠的阻力，導(dǎo)致整體失穩(wěn)破壞。支護結(jié)構(gòu)強度破壞，主要是因支護結(jié)構(gòu)強度不夠，在土壓力作用下發(fā)生破壞，進一步導(dǎo)致土體的破壞。土體滲透破壞，主要是因地下水的滲流導(dǎo)致管涌、流沙、承壓水導(dǎo)致突涌等導(dǎo)致基坑土層發(fā)生破壞?；又ёo中土體、圍護結(jié)構(gòu)、降水系統(tǒng)組成了復(fù)雜又相互緊密關(guān)聯(lián)的圍護體系，破壞形式可能是這其中的一種或幾種，隨著時間的推移也會不斷發(fā)生變化，它們相互制約又相互聯(lián)系作用。

四、基坑工程事故的原因常常有以下幾個方面

勘察方面的因素有：（1）巖土層位劃分不細，不精確。預(yù)防措施是：交互層的分布與特征，應(yīng)采用原位測試與鉆探取樣相結(jié)合的方法和手段，連續(xù)貫入的原位測試能準確查清地層縱向上的分布規(guī)律和微小變化準確查明土層的分布規(guī)律和變化，雜填土及碎石類土則采用動力觸探。（2）天然地基土體是各向異性的，分布不均勻，所取的土樣、獲取的土層參數(shù)不能真正代表現(xiàn)場土層的實際情況。（3）土體的區(qū)域性強、對各種土體的土性特點的認識和把握不夠。（4）缺乏具有針對性水文地質(zhì)條件調(diào)查與分析，對因基坑開挖引起的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)問題分析不足，工程建議無針對性甚至不合理。（5）勘察不仔細查明土巖結(jié)合面的部位、各結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系及軟質(zhì)巖開挖暴露后工程性能惡化對基坑穩(wěn)定性的影響。（6）實際工作中很難做到，按照基坑外一倍至兩倍范圍布置勘探點。

設(shè)計計算理論的缺陷：常規(guī)設(shè)計方式法中采用經(jīng)典土力學(xué)理論計算主動土壓力和被動土壓力，《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》砂質(zhì)粉土、碎石土、砂土采用水土分算，粘質(zhì)粉土，粘性土采用水土合算，主動土壓力在開挖面上下均采用三角形分布模式計算，但在基坑土方開挖過程中，由于降水、卸土等導(dǎo)致不同部位土體的應(yīng)力路徑完全不同，在基坑圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中還無法考慮和體現(xiàn)這種變化。采用彈性抗力法，計算與實際符合與否取決于基床系數(shù)的選取，但此值很難定得精確。

施工因素：施工組織設(shè)計施工順序不當，先挖后撐而不是先撐后挖，打樁后即開挖土方，開挖分層過大，施工機械行走振動過大、碰撞支護結(jié)構(gòu)、基坑周圍堆載或作為施工場地，在已完成的基坑內(nèi)施工工人挖孔樁或沖鉆孔樁形成臨空面降低了被動區(qū)的主動土壓力，施工質(zhì)量低劣或方法不當導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)強度不達設(shè)計，或嵌固深度不夠?qū)е率Х€(wěn)破壞。地下連續(xù)墻槽之間聯(lián)結(jié)及垂直度達不到設(shè)計要求，相鄰結(jié)構(gòu)施工對本基坑施工影響因素等都會引起工程事故的發(fā)生。所以設(shè)計人員應(yīng)加強對施工的技術(shù)交底，讓施工人員從意識上重視基坑工程，按規(guī)范和要求施工，確保質(zhì)量。

五、深基坑事故的處理

主要考慮削坡減載或堆載反壓、加固與止水、降水、盡快澆筑混凝土墊層穩(wěn)定周圍地面土體、加強內(nèi)支撐、加設(shè)錨桿土釘?shù)葞讉€方面進行補救。

六、基坑支護設(shè)計中的注意事項

（1）認真研讀勘察報告，認真踏勘，充分了解工程地質(zhì)資料和水文地質(zhì)條件，有條件時可收集臨近基坑的地勘及支護資料，對地勘有疑問處及時反饋給建設(shè)方和地勘單位，特別重視地勘報告中關(guān)于土層抗剪強度指標、承壓含水層及水頭高度等數(shù)據(jù)。（2）充分了解和掌握基坑周邊的環(huán)境條件：主要包括既有建筑物的各項情況、各種既有地下管線、地下構(gòu)筑物、道路、最大車輛荷載等?；娱_挖期內(nèi)施工材料、施工設(shè)備等臨時荷載的要求，雨期時的場地周圍地表水匯流和排泄條件，還應(yīng)注意地形圖可能采用的不同的高程系統(tǒng)。（3）充分了解主體結(jié)構(gòu)設(shè)計條件與施工條件。（4）正確地選用設(shè)計規(guī)范與標準、設(shè)計參數(shù)。（5）設(shè)計中要注意的幾個細節(jié):達到一定深度的坑中坑，應(yīng)設(shè)置針對性的支護結(jié)構(gòu)和止水帷幕，如有必要，還應(yīng)做封底處理。立柱樁應(yīng)結(jié)合坑中坑的實際挖深，施工棧橋及運輸車輛行走路線等進行針對性的設(shè)計。受力不均衡、異常部位、圈梁鋼筋應(yīng)做加強處理。支護結(jié)構(gòu)陽角部位，錨桿（索）、土釘出現(xiàn)交叉，易出現(xiàn)群錨效應(yīng)，應(yīng)在錨桿的長度、角度上采取一定的措施，同時加大陽角外側(cè)拉板的范圍，厚度和配筋，如有必要，可在靠拉板外側(cè)增加適量的支護樁。（6）施工過程中注重技術(shù)服務(wù)：現(xiàn)場巡視，復(fù)核地勘資料、復(fù)核現(xiàn)場土方運輸通道、出口位置等、把握圍護體系、止降水體系施工質(zhì)量等，不符合立即采取措施。

七、結(jié)語

作為基坑從業(yè)人員應(yīng)加強理解能力，仔細研讀勘察報告分析現(xiàn)場情況，排除潛在隱患。加強信息化施工的執(zhí)行力，加強設(shè)計現(xiàn)場服務(wù)能力，加強施工現(xiàn)場各工序及施工條件的驗收工作。扎實做好分內(nèi)工作，并以更寬和更遠的視野思考和理解基坑工程，穩(wěn)步提高基坑工程認知與工作能力。