深基坑支护技术现状及发展趋势

深基坑支护技术现状及发展趋势李钟（中建一局西诺公司，北京）1基坑工程发展概况基坑工程是一个古老而又有时代特点的岩土工程课题。放坡开挖和简易木桩围护可以追溯到远古时代。人类土木工程活动促进了基坑工程的发展。特别是到了本世纪，随着大量高层、超高层建筑以及地下工程的不断涌现，对基坑工程的要求越来越高，出现的问题也越来越多，促使工程技术人员以新的眼光去审视基坑工程这一古老课题，使许多新的经验和理论的研究方法得以出现与成熟。在本世纪30年代，Terzaghi等人已开始研究基坑工程中的岩土工程问题。在以后的时间里，世界各国的许多学者都投入研究，并不断地在这一领域取得丰硕的成果。基坑工程在我国进行广泛的研究是始于80年代初，那时我国的改革开放方兴未艾，基本建设如火如荼，高层建筑不断涌现，相应地基础埋深不断增加，开挖深度也就不断发展，特别是到了90年代，大多数城市都进入了大规模的旧城改造阶段，在繁华的市区内进行深基坑开挖给这一古老课题提出了的新的内容，那就是如何控制深基坑开挖的环境效应问题，从而进一步促进了深基坑开挖技术的研究与发展，产生了许多先进的设计计算方法，众多新的施工工艺也不断付诸实施，出现了许多技术先进的成功的工程实例。但由于基坑工程的复杂件以及设计、施工的不当，工程事故发生的概率仍然很高。任何一个工程方面的课题的发展都是理论与实践密切结合并不断相互促进的成果。基坑工程的发展往往是一种新的围护型式的出现带动新的分析方法的产生，并遵循实践、认识、再实践、再认识的规律，而走向成熟。早期的开挖常采用放坡的形式，后来随着开挖深度的增加，放坡面空间受到限制，产生了围护开挖。迄今为止，围护型式已经发展至数十种。从基坑围护机理来讲，基坑围护方法的发展最早有放坡开挖，然后有悬臂围护、内撑（或拉锚）围护、组合型围护等。放坡开挖需要有较大的工作面，且开挖土方量较大。在条件允许的情况下，至今仍然不失是基坑围护的好方法。悬臂围护是指不带内撑和拉锚的围护结构，可以通过设置钢板桩或钢筋混凝土桩形成围护结构。它也可以通过对基坑周围土体进行南改良形成，如水泥土重力式挡墙结构。为了改善悬臂式围护结构的受力性能和变形特性，满足较深基坑的支档土体要求，发展了内撑式围护和拉锚式围护结构。为了挖掘围护结构材料的潜在能力，使围护结构形式更加合理，并能适合各种基坑形式，综合利用“空间效应”，发展了组合型围护型式。围护结构最早用木桩，现在常用钢筋混凝土桩、地下连续墙、钢板桩以及通过地基处理方法采用水泥土挡墙、土钉墙等。钢筋混凝土桩设置方法有钻孔灌注桩、人工挖孔桩、沉管灌注桩和预制桩等。2我国深基坑工程的主要特点及存在的主要问题基坑是建筑工程的一部分，其发展与建筑业的发展密切相关，而深基坑是充分利用土地资源的方式之一。由于我国地少人多，人均占有土地还不及全世界人均占有土地的l/10，为节约土地，向空间要住房，向旧房要面积，许多高层建筑拔地而起。据不完全统计，1980~1989年10年间，我国新建高层建筑1000余幢，l990~1999年l0年间，全国新建的高层建筑超过9000幢。适当发展多层和高层，向空中和地下发展，是解决我国土地资源紧张的条重要出路。随着城镇建设中高层及超高层建筑的大量涌现，深基坑工程越来越多。同时，密集的建筑物、大深度的基坑周围复杂的地下设施，使得放坡开挖基坑这一传统技术不再能满足现代城镇建设的需要，因此，深基坑开挖与支护引起了各方面的广泛重视。尤其是90年代以来，基坑开挖与支护问题已经和正在成为我国建筑工程界的热点问题之一。基坑工程数量、规模、分布急剧增加，同时所暴露的问题也很多。总体来看，目前我国基坑开挖与支护状况具有以下特点：a．基坑越挖越深或为了使用方便，或因为地皮珍贵，或为了符合建管规定及人防需要，建筑投资者不得不向地下空间发展。过去，即使在大城市建l~2层地下室，也不普遍，中等城市更为少见。现在在大城市、沿海城市，尤其是特区，地下3~4层已很寻常，5~6层也有。因此。基坑深度多大于10m。b．工程地质条件越来越差城市建设不象水电站、核电站等重要设施那样，可以在广阔地域中选择优越的建设场地，只能根据城市规划需要，随遇而安，因此，地质条件往往较差。这一点在某些沿海经济开发区较为突出。有些开发区位于填海、填湖、淤河、泥塘或沼泽地，工程地质条件十分复杂。c．基坑四周已建或在建高大建筑物密集或紧靠重要市政设施大兴土木不仅要确保本身基坑稳定，更不能殃及池鱼。d．基坑围护方法多诸如人工挖孔桩、预制桩、深层搅拌桩、地下连续墙、钢支撑、木支撑、砂袋堆撑、拉锚、抗滑桩、注浆、喷锚网支护法，各种桩、板、墙、管、撑同锚杆联合支护法以及土钉墙法等等，应有尽有，各显神通。e．基坑工程事故多：此问题目前在建筑工界显得异常突出，以致很难举出哪个地区、哪个大城市或特区已建基坑丁程近年来不出毛病的例子。地质条件较好的地区（如北京）出毛病，地质条件差的地区（如上海、海口、惠州等）更出毛病；坑浅的出毛病；坑深的更出毛病。有的地区基坑工程成功率大体仅为1/3，另有2/3是出了丁程事故的，或多少有毛病的。其结果是，给国家造成巨大经济损失，影响居民安定生活，造成市政交通堵塞，危及四邻安全，投诉四起，新闻跟踪，打不完的官司，址不完的皮，做不完的检查，开不完的事故分析会，使有关勘察、设计、施工、监理工程技术人员及质检、建管部门压力如山；综合起来，目前存在的主要问题有以下几个方面：a．深基坑技术有待尽快发展提高，以适应当前工程的需要当前深基坑开挖支护工程已发展到以深、大、复杂为特点的新时期，特别是沿海地区，地下水位较高，深基坑工程施工工艺的改进等问题，均有待于进一步的研究和尽快发展。b．一些基坑工程设计质量较低，是发生事故的主要原因一些部门误认为深基坑开挖支护工程是施工部门的事，无需设计资质，设计院及岩土工程部门介入较少，设计大多是由施工单位自己完成、由于设计人员的技术水平参差不齐，参数取值、计算方法无章可循，使一些工程设计缺陷多、隐患较大，盲目挖潜，以致造成安全储备过低，发生严重工程事故，或盲目增加安全系数造成严重浪费。c．施工混乱，管理不力，对属于岩土工程的地下施工项目，资质限制不严格，基坑支护工程转手承包较为普遍，少数施工单位不具备技术条件，人力、物力等基本素质较差，为了追求利润或为迁就业主，随意修改工程设计，降低安全度。现场管理混乱，以致出现险情时惊慌失措。d．质量检验方面也有不少问题基坑支护结构的质量检测、验收方法也无章可循，给基坑支护结构的质量监督和质量评价带来困难，没有针对基坑支护工程特点建立竣工验收的质量管理体系，检测部门资质混乱。e．深基坑工程对工程勘察有特殊要求基坑工程勘察工作十分重要，但许多勘察单位常常忽略对基坑环境地质的勘察，专门针对基坑的工程地质及水文地质的勘察重视不够，对各种计算参数的试验方法及取值也缺乏科学性或不符合现场实际情况，对于费时费力的现场试验及原位测试工作较少进行，有些勘察深度和勘察点的布置不符合基坑工程要求，以致给设计、施工带来困难和隐患。f．监理工作的问题：目前监理工作在人力、技术等方面还很不适应深基坑工程的特殊要求，要把对基坑工程的监理作为整个建筑工程监理的一个重点。3深基坑支护的目的与要求a．确保坑壁稳定，施工安全；b．确保邻近建筑物、构筑物和管线安全；c．有利于挖土及地下室的建造；d．支护结构施工方便、经济合理。4基坑支护体系的选择原则支护体系的选用原则是安全、经济、方便施工，选用支护体系要因地制宜。安全不仅指支护体系本身安全，保证基坑开挖、地下结构施工顺利，而且要保证邻近建（构）筑物和市政设施的安全和正常使用。经济不仅是指支护体系的工程费用，而且要考虑工期，考虑挖土是否方便，考虑安全储备是否足够，应采用综合分析，确定该方案是否经济合理。方便施工也应是支护体系的选用原则之一。方便施工可以降低挖土费用，而且可以节省工期、提高支护体系的可靠性。一个优秀的支护体系设计，要做到因地制宜，根据基坑工程周围建（构）筑物对护体系变位的适应能力，选用合理的支护型式，进行支护结构体系设计。相同的地质条件，相同的挖土深度，允许围护结构变位量不同，满足不同变形要求的不同的支护体系的费用相差可能很大。优秀的设计，应能较好地把握支护结构安全变位量，使支护体系安全，周围建筑物不受影响，费用又小。支护体系一般为施工过程中临时构筑物，设计中不宜采用较大的安全系数，但适当的安全储备还是需要的。安全系数取1.0，对一个工程不一定出问题；但宏观地看，对一个地区，工程事故数量就可能不少。从安全与经济两方面考虑，可以在采用较小的安全储备条件下，在施工过程中加强监测，并备有应急措施，以保证在事故苗头出现时，采取措施，确保安全施工。一般讲，软粘土地基中基坑工程要侧重处理支护体系围护结构的稳定性问题，或者说处理好挡土问题；地下水位较高的砂性土地基中基坑工程要侧重处理好水的问题，如何降低地下水位，如何设置好止水帷幕，软粘土地基中基坑工程支护体系失稳往往是支护结构失稳。引起支护结构失稳的原因很多，有设计方面的原因，也有施工方面的原因，也有对地质条件了解不清楚的原因。但原理性错误，也经常遇到。渗透性较大的地基中基坑工程支护体系失败往往是水的问题未处理好。要根据地基土质情况合理选用支护体系。5．深基坑支护结构分类支护结构分挡土（挡水）及支撑拉结两部分，而挡土部分因地质水文情况不同又分透水部分及止水部分。透水部分的挡土结构须在基坑内外设排水降水井，以降低地下水位。止水部分挡土结构主要不使基坑外地下水进人坑内，如作防水帷幕、地下连续墙等，只在坑内设降水井。6．典型支护结构特性及适用条件典型支护结构的特性及适用条件表2（a）序号挡土结构名称特性适宜地质条件防水抗渗施工造价工期较适宜采用条件1钢板桩锁口U形Z钢板桩整体性，刚度较好，一次投入钢材多软土、淤泥及淤泥质土咬口好能止水重重复使用时止水较差难于打入砂卵石及砾石层，拔桩留有孔洞须处理，重复使用要修整，施工有震动噪音如能拔出重复用日造价省，否则用钢量大造价高较长软土、淤泥质土地区且水位较高多用，并能拔出重复使用，如上海各高层建筑深2H型钢桩加横挡板整体性差，如各桩间以型钢拉结，则可克服桩与桩间变形不均，一般与锚杆配合拉结，效果好。粘土、砂土及砂卵石土地下水位高时须降水，抗渗不好打桩有震动噪音砾石层难施工，拔桩留有孔洞需处理。H型钢桩须拔出，造价省，否则浪费大较快适于粘土砂土地区桩要拔出，如天津使用效果好3地下连续墙整体性好，刚度好，可以按平面设计成任何形状，施工较困难，需有泥浆循环处理各种地质、水位条件皆适宜防水抗渗性能好需有大型机械设备，现场筑泥浆循环设施，单元接头要处理好贵慢适宜于任何土质及水位。应发挥挡土、抗渗及承重三种功能为佳，北京、上海、广州皆有实际工程施工实例4桩排式连续墙整体性及刚度较地下连续墙差，但用钻孔机即可施工，简便易行除砾石层外各种土层皆适宜需采用防水抗渗措施，否则止水性差施工机具简单用钻孔机即可，要增加小桩注化学防水剂，以抗渗省较快适宜挡土，抗渗两种功能的各类土层。上海、广东皆有施工实例5间隔钻孔桩加钢丝网水泥墙在桩上必须筑钢筋混凝土连梁以调各桩间的位移变形，并增强整体性能粘土、砂土、粉土及砂卵石、地下水位低的地区地下水位高时须降水，不抗渗施工简单，无震动噪音。基坑浅可按自立(悬臂)，深时可与拉梁，锚杆配伍省快在粘土、砂土、粉土地下水位低地区最适宜，施工简单快速在北京地区大量采用6双排桩前排加钢丝网水泥桩上必须筑钢筋混凝土扁圈梁或单桩斜梁拉结，使双排桩顶形成门式，有位移变形小的效果。粘土、砂土、粉土、砂卵石、地下水位低地区地下水位高时须降水，不抗渗施工简单无震动、噪音很省快由于双排校刚度大，位移小可用在基坑较深时，不用拉结和锚杆，比单排桩既省且快，是北京地区新发展的挡土结构。7桩墙合一半逆作法挡土桩墙须建在建筑物地下室的轴线上，施工时自上向下，利用地下室梁板作为支撑，一层层向下，半逆作方法粘土、砂土、粉土、砂卵石、地下水位较低的地质地下水位高须降水，抗渗不好施工简单易行，桩及地下墙皆须作防水抗渗措施，挖土作业较困难较省较