不同深基坑圍護(hù)方法穩(wěn)定性分析

趙忠營

（上海建工二建集團(tuán)有限公司，上海 200080）

目前，大型高層建筑和深層地下建筑的數(shù)量不斷增加，這些建筑項(xiàng)目均采用了深基坑技術(shù)。在施工過程中，深基坑的安全穩(wěn)定關(guān)系到工程項(xiàng)目的安全和工期[1]。考慮到地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，即便是同一區(qū)域的地下土層也存在很多差異，需要更有效的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和圍護(hù)方法來確保深基坑的安全與穩(wěn)定[2]。在深基坑技術(shù)不斷發(fā)展的過程中出現(xiàn)了很多圍護(hù)結(jié)構(gòu)和圍護(hù)方法，這些方法有不同的原理、特點(diǎn)和適用區(qū)域[3]。該文將對(duì)比分析3種常用的深基坑圍護(hù)方法，針對(duì)華域汽車技術(shù)研發(fā)中心建筑工程項(xiàng)目和徐匯喬高綜合體開發(fā)項(xiàng)目深基坑的實(shí)際問題找出更具穩(wěn)定性的解決方案。

1 深基坑的界定及面臨的主要問題

1.1 深基坑的界定

對(duì)高層和深層建筑來說，深基坑均具有十分重要的工程意義，它是項(xiàng)目正常施工和按時(shí)完工的重要保證。深基坑的安全性既和與其相鄰的周邊土壤和土層結(jié)構(gòu)有關(guān)，也和承擔(dān)安全保護(hù)和穩(wěn)定性提升的圍護(hù)結(jié)構(gòu)有關(guān)。

一般滿足以下3種情況之一的基坑為深基坑：1）從絕對(duì)深度上看，基坑的挖掘深度超過5m的為深基坑；2）基坑的挖掘深度小于5m，但基層挖掘區(qū)域的土層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件和地下管線情況復(fù)雜且存在很多隱患的為深基坑；3）基坑的挖掘深度小于5m，但對(duì)周圍臨近的建筑物和工程項(xiàng)目存在直接安全影響的為深基坑。

1.2 深基坑面臨的主要問題

深基坑面臨的主要問題主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段和施工階段。

在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員的技術(shù)水平和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)會(huì)對(duì)深基坑產(chǎn)生重大影響。如果設(shè)計(jì)人員的技術(shù)水平較差、實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)不足，會(huì)導(dǎo)致在設(shè)計(jì)過程中考慮問題不夠全面、設(shè)計(jì)結(jié)果與工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況不符和設(shè)計(jì)圖紙無法在施工現(xiàn)場(chǎng)有效轉(zhuǎn)化的問題。

在施工階段，施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性、非預(yù)期問題的突發(fā)性和施工人員的工程經(jīng)驗(yàn)均會(huì)對(duì)深基坑產(chǎn)生重大影響。如果地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地下管網(wǎng)過于復(fù)雜會(huì)導(dǎo)致施工困難，例如滲流等非預(yù)期問題的出現(xiàn)會(huì)對(duì)深基坑的進(jìn)一步作業(yè)產(chǎn)生重大影響。如果施工人員的工程經(jīng)驗(yàn)不足，可能會(huì)導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安裝和配置不合理，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)基坑出現(xiàn)坍塌。

2 3種深基坑圍護(hù)方法的原理和特點(diǎn)

2.1 基于鉆孔灌注樁的深基坑圍護(hù)方法

該方法的思路為根據(jù)不同的土層結(jié)構(gòu)來針對(duì)性地鉆孔，在達(dá)到預(yù)定的孔徑大小和孔長高度以后，將鋼筋等樁芯植入孔中，再通過水泥和混凝土等材料的澆筑形成樁基。該方法的主要施工流程如下：1）樁位放樣。根據(jù)施工要求的控制點(diǎn)位，設(shè)定關(guān)鍵軸線并形成控制網(wǎng)格，在這些位置放置標(biāo)志物。確定樁位后，再借助水準(zhǔn)儀等儀器測(cè)定樁高；2）植入護(hù)筒。通過護(hù)筒的植入可以確保樁位準(zhǔn)確和孔口位置正確。該步驟的關(guān)鍵在于護(hù)筒的中心和樁位中心須一致；3）成孔清孔。該步驟在護(hù)筒內(nèi)完成，利用鉆孔機(jī)具完成鉆孔。在確?？讖酱笮『涂讖礁叨确弦蟮那闆r下，清除孔內(nèi)殘土；4）植入鋼筋和澆筑混凝土。該步驟是整個(gè)方法的最后一步，也最關(guān)鍵。鋼筋植入的位置須準(zhǔn)確，如果鋼筋和孔壁發(fā)生碰撞，不能強(qiáng)行植入，須試探下放?；炷翝仓毚_保不出現(xiàn)大孔隙，澆筑速度須均勻。

在基于鉆孔灌注樁的深基坑圍護(hù)方法中，鋼筋植入的示意圖如圖1所示。

圖1 鋼筋植入的示意圖

2.2 基于地下連續(xù)墻的深基坑圍護(hù)方法

該方法先采用泥漿制作護(hù)壁，然后沿著護(hù)壁方向、遵循設(shè)計(jì)基準(zhǔn)軸線采用開槽機(jī)進(jìn)行開槽。開出的槽須長且深，開槽完畢后須將槽內(nèi)雜物清理干凈，在槽內(nèi)植入鋼筋籠，再澆筑混凝土即可形成地下連續(xù)墻。連續(xù)墻可以防水和防滲，具有較好的承重功能。

從施工流程上看，地下連續(xù)墻圍護(hù)方法須先準(zhǔn)備施工現(xiàn)場(chǎng)，施工場(chǎng)地須通暢平整。其后在平整的土地上放線定標(biāo)，在關(guān)鍵點(diǎn)位和軸線位置放置標(biāo)志物，形成連續(xù)前制作的基準(zhǔn)。護(hù)壁制作是地下連續(xù)墻圍護(hù)方法的重要工序，護(hù)壁材料主要是泥漿。泥漿的制作流程如圖2所示。

圖2 泥漿的制作流程

開槽是地下連續(xù)墻圍護(hù)方法的另一個(gè)重要步驟，基本原則是從槽端開始逐漸深入中間，在確保槽形的基礎(chǔ)上達(dá)到尺寸要求。植入鋼筋籠為該方法的核心步驟，須特別注意的是，鋼筋籠要有足夠的強(qiáng)度，鋼筋橫縱交匯處須通過焊接技術(shù)焊實(shí)，不能用簡單的方法連接。

2.3 基于水泥原土連續(xù)墻的深基坑圍護(hù)方法

該方法的思路為采用切割機(jī)械和鉆頭等深入土層內(nèi)部，在到達(dá)預(yù)定深度后開始水平移動(dòng)。在水平移動(dòng)過程中，機(jī)械繼續(xù)動(dòng)作，邊攪拌邊輸出水泥，使水泥和土層中的原有土質(zhì)形成混合固化。最終沿著施工機(jī)械水平移動(dòng)的線路可以形成一道連續(xù)墻。

從施工流程上看，基于水泥原土連續(xù)墻的圍護(hù)方法首先須平整施工現(xiàn)場(chǎng)的土地，清理地下土層中可能埋設(shè)的管線。其后，在平整的場(chǎng)地上定制基準(zhǔn)，形成施工關(guān)鍵點(diǎn)位和施工路線網(wǎng)格。最后，在起始位置挖出預(yù)埋穴，將切割機(jī)和鉆頭等放入預(yù)埋穴中。在施工機(jī)械連續(xù)的水平運(yùn)動(dòng)過程中，殘土和廢棄物被排除，水泥同步注入并和原土形成混合物，加入固化劑使水泥原土混合材料具有更高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

3 3種深基坑圍護(hù)方法的穩(wěn)定性分析

為了對(duì)比3種深基坑圍護(hù)方法的穩(wěn)定性，該文在上海市某項(xiàng)目的施工前期分別采用這3種方法進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇最適合該項(xiàng)目的圍護(hù)方法。試驗(yàn)過程中，采用有限元分析方法對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的土質(zhì)結(jié)構(gòu)和3種方法構(gòu)建的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真。

在模擬仿真的過程中，為了能夠形成3種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的等價(jià)對(duì)比，需要對(duì)3種圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行等高度轉(zhuǎn)換。因?yàn)榛诘叵逻B續(xù)墻的深基坑圍護(hù)方法和基于水泥原土連續(xù)墻的深基坑圍護(hù)方法最后形成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)均為地下連續(xù)墻，所以為了方便比較，將基于鉆孔灌注樁的深基坑圍護(hù)方法形成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)也轉(zhuǎn)換成等剛度的連續(xù)墻。

在轉(zhuǎn)換過程中，假定鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的樁直徑為D，樁間距離的大小為t，轉(zhuǎn)換后連續(xù)墻的高度為h，在轉(zhuǎn)換為連續(xù)墻的過程中，應(yīng)滿足如公式（1）和式（2）所示的關(guān)系。

3.1 基于鉆孔灌注樁的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析

為了對(duì)比3種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在有限元仿真環(huán)境下，分別繪制3種圍護(hù)結(jié)構(gòu)隨著基坑深度增加水平位移發(fā)生的變化?；阢@孔灌注樁的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的“基坑深度-圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移”曲線如圖3所示。

圖3 基于鉆孔灌注樁的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的“基坑深度-圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移”曲線

圖3中，水平軸線為基坑深度，單位是m，可見仿真試驗(yàn)中設(shè)定基坑深度最大值為20m；垂直軸線為圍護(hù)結(jié)構(gòu)隨基坑深度變化產(chǎn)生的水平位移，單位是m。試驗(yàn)過程中將基坑作業(yè)分為3個(gè)施工階段，圖中的3條曲線分別是施工第一階段的曲線、施工第二階段的曲線和施工第三階段的曲線。

從圖3中可以看出如下信息：1）在3個(gè)施工階段中，基于鉆孔灌注樁的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的“基坑深度-圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移”曲線是不同的。其中，施工第一階段產(chǎn)生的水平位移最小，施工第二階段產(chǎn)生的水平位移排位中間，施工第一階段產(chǎn)生的水平位移最大；2）在施工的第一階段，基于鉆孔灌注樁的圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移在0.8mm～2mm線性變化，水平位移最大值出現(xiàn)在基坑深度6m位置處，達(dá)到了2.01mm；3）在施工的第二階段，基于鉆孔灌注樁的圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移在0.4mm～5mm線性變化，水平位移最大值出現(xiàn)在基坑深度8m位置處，達(dá)到了5.13mm；4）在施工的第三階段，基于鉆孔灌注樁的圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移在0mm～7.6mm線性變化，水平位移最大值出現(xiàn)在基坑深度10m位置處，達(dá)到了7.56mm。

3.2 基于地下連續(xù)墻的深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析

基于地下連續(xù)墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的“基坑深度-圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移”曲線如圖4所示。

圖4 基于地下連續(xù)墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的“基坑深度-圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移”曲線

在圖4中，水平軸線為基坑深度，單位是m；垂直軸線為圍護(hù)結(jié)構(gòu)隨基坑深度變化產(chǎn)生的水平位移，單位是m。

從圖4中可以看出如下信息：1）在施工的第一階段，基于地下連續(xù)墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移在0.2mm～1.75mm線性變化，水平位移最大值出現(xiàn)在基坑深度6m位置處，達(dá)到了1.75mm；2）在施工的第二階段，基于地下連續(xù)墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移在0mm～4.2mm線性變化，水平位移最大值出現(xiàn)在基坑深度8m位置處，達(dá)到了4.2mm；3）在施工的第三階段，基于地下連續(xù)墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移在0mm～6.18mm線性變化，水平位移最大值出現(xiàn)在基坑深度12m位置處，達(dá)到了6.18mm；4）與基于鉆孔灌注樁的圍護(hù)結(jié)構(gòu)相比，基于地下連續(xù)墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更好，隨著基坑深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移減少。

3.3 基于水泥原土連續(xù)墻的深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析

基于水泥原土連續(xù)墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的“基坑深度-圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移”曲線如圖5所示。

圖5 基于水泥原土連續(xù)墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的“基坑深度-圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移”曲線

從圖4中可以看出如下信息：1）在施工的第一階段，基于水泥原土連續(xù)墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移在0.2mm～1.69mm線性變化，水平位移最大值出現(xiàn)在基坑深度6m位置處，達(dá)到了1.69mm；2）在施工的第二階段，基于水泥原土連續(xù)墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移在0mm～4.1mm線性變化，水平位移最大值出現(xiàn)在基坑深度8m位置處，達(dá)到了4.1mm；3）在施工的第三階段，基于水泥原土連續(xù)墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移在0mm～6.03mm線性變化，水平位移最大值出現(xiàn)在基坑深度12m位置處，達(dá)到了6.03mm；4）與另外兩種方法獲得的圍護(hù)結(jié)構(gòu)相比，基于水泥原土連續(xù)墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最好，隨著基坑深度的增加，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移最小。

4 結(jié)論

該文研究了高層建筑和深層建筑的深基坑穩(wěn)定性問題。在研究過程中，提出3種獲得深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的方法，分別是基于鉆孔灌注樁的深基坑圍護(hù)方法、基于地下連續(xù)墻的深基坑圍護(hù)方法和基于水泥原土連續(xù)墻的深基坑圍護(hù)方法。采用有限元軟件進(jìn)行了3種方法獲得圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析，結(jié)果顯示基于水泥原土連續(xù)墻的深基坑圍護(hù)方法獲得的圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有最高的穩(wěn)定性，在3個(gè)施工階段，隨著基坑深度的增加，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移均為最小。