地下工程深基坑開挖技術分析

劉 飛,劉秀濤,范 杰

(大連日中技研有限公司)

1 概 述

近年來隨著我國建設的發展,越來越多的城市修建地下工程。而地下深基坑工程具有開挖難度大、工期長、費用高及對周圍環境的影響大等問題,它已經成為城市建設中一個亟待攻克的難題,其中的環境保護問題已經成為基坑支護中諸多問題的重中之重。因此地下基坑工程施工的好壞,直接影響到基坑工程的造價和安全,同時,保護鄰近建筑(或管道)的安全并保證其正常使用具有重大的經濟效益和社會效益。

2 基坑開挖引起的環境效應

城市建設地下深基坑工程具有以下特點:(1)深基坑工程施工環境條件比較差。由于高層、超高層建筑都集中在城市中心區及主要街道的兩旁,建筑密度大,人口密集,交通擁擠,施工場地狹小,束縛了工程施工的手腳。(2)基坑開挖越來越深。業主為節約土地,充分利用原有基地面積和地下空間,設置車站、人防、機房及消防設施,故地鐵結構的深度和層數相應增加。(3)必須設置技術可靠可行的支護結構來確保安全,還要考慮到對周圍地下的煤氣、上水、下水、電訊、電纜等管線的影響,盡可能減少對這一系列建筑及設施的損壞性影響。(4)隨著競爭機制的增加,業主對造價、工程進度、工程質量的要求也越來越高,相應增加了施工難度。

2.1 降低地下水引起的環境效應

降低地下水位引起的環境效應表現為:(1)降低地下水位引起的地面沉降;(2)地下水滲透破壞引起的基坑坍塌;(3)基坑突涌導致的基土開裂。

在基坑開挖過程中,通常采用井點降水來達到降低水位、固結土體、穩定邊坡和便于開挖的目的。同時,基坑降水,由于水位降落而引起地面沉降,相應形成以水位漏斗為中心的地面沉降變形區,導致次范圍內的建筑、道路、管網等設施因不均勻沉降而發生斷裂、傾斜,影響其正常使用和安全。

降低地下水位引起的環境變化機理為:(1)水位降低減少了土中地下水對地上建筑物的浮托軟弱土層受到壓縮而沉降;(2)使孔隙水從土中排出。土體固結變形,本身就是壓縮沉降過程,降水過程中,常會隨著抽出的水流帶走土層中部分細微土粒,引起周圍地面沉降。地面沉降與地下水位降落是對應的,地下水位降落的曲面分布必然引起鄰近建筑物的不均勻沉降。當地面沉降達到一定程度時,建筑物就會發生開裂、傾斜甚至倒塌現象;(3)基坑開挖時,基坑內、周邊地下水位存在一定的水頭差,在動水壓力作用下,基坑土會發生流(土)失、潛蝕現象,導致土體結構松動和破壞,引起基坑坍塌。(4)當基坑內、外水位差較大,或基坑下部有承壓水存在,基坑使原有土壓力減少到一定程度時,承壓水的水頭壓力大于基坑底土體浮重力,形成管涌、側涌現象,造成基土開裂。

2.2 支護結構發生變形和位移引起的環境效應

支護結構發生變形和位移引起的環境效應表現為:(1)支護結構本身破壞而導致邊坡失穩;(2)支護結構整體破壞而導致基坑隆起;(3)支護結構發生變形和位移而引起鄰近建筑設施破壞。

支護結構發生變形和位移引起的環境效應的機理為:(1)基坑地基土卸載改變坑底原始應力狀態,在基坑開挖時,土體中自重壓力減小,土體的彈性效應使基坑底面產生一定的回彈變形(隆起),坑底表現為彈性隆起,其特征為坑底中部隆起最高,彈性隆起在基坑開挖停止后很快就停止,基本不會引起坑外土體向坑內移動;隨著開挖深度的增大,坑內外高差所形成的加載和地面各種超載的作用使圍護墻外側土體向坑內移動,使坑底產生向上的塑性變形,其特征為兩邊大中間小的隆起狀態;(2)在基坑周圍產生較大的塑性區,并引起地面沉降;(3)基坑底面暴露時間過長,使基坑積水,一方面使得粘性土的流變性,將增大墻體被動壓力區的土體位移和墻外土體向坑內的位移,從而增加地表的沉降。(4)支撐物受破壞或錨桿體系抗拔力不足,拉桿自身斷裂或拉桿及錨座的連接不牢等引起支護結構體系承載能力喪失支護結構嵌入深度不足引起基坑隆起,并使地基強度降低或喪失。

3 基坑工程中的環境保護

對于基坑周圍環境的保護,人們積累了許多的保護經驗,如選用剛度大的圍護結構、進行基坑內外的地基加固以提高土體的抗變形能力、對基坑近旁的建筑物和構筑物進行地基加固或地基處理、在基坑與建筑物間設置隔斷樁或隔斷墻以及注漿保護、通過少量注漿影響變形傳播的途徑等措施;盡管保護方法千差萬別,但其作用的機理不外乎是減少基坑開挖的影響、提高圍護環境的抗變形能力、切斷影響途徑等 3種。

3.1 基坑工程中的環境保護

時空效應法是為解決深基坑整體穩定和坑周地層位移控制問題、參考新奧法隧道施工中的時空效應理論和大量軟土基坑實踐而提出的一種計算和控制基坑結構變形及周圍地層位移的方法。通過大量的軟土基坑實踐,人們已經意識到:在基坑施工過程中,每個開挖步驟的開挖空間幾何尺寸、圍護墻無支撐暴露面積和時間等施工參數對基坑變形具有明顯的相關性。考慮時空效應的施工步驟的主要特點是:根據基坑規模、幾何尺寸、圍護墻體及支撐結構體系的布置、基坑地基加固和施工條件,按照“分層、分塊、對稱、平衡、限時”的原則確定施工方案。時空效應法強調設計與施工密切配合,一改以往設計工況與施工工況不符的現狀,實踐證明,科學地制定考慮時空效應的開挖和支撐的施工設計方案,能可靠、合理地利用土體本身在開挖過程中控制位移的潛力,達到控制坑周地層位移以及保護環境的目的。從而改變目前基坑中為控制坑周地層位移而不合理地采用昂貴的地基加固做法。

從工程實用性和可靠性出發,在基坑支護結構(擋墻、支撐及擋墻被動區加固土體)的內力及變形計算中,采用彈性計算法所用的較簡單的力學模型和設計參數項目,但對其中反映基坑變形總體效應的最主要的綜合參數— —基坑擋墻被動區的水平抗力系數,按一定的地質和施工條件,做出經驗性的修正。此綜合參數是土的力學性指標和每一步基坑挖土的空間尺寸及暴露時間的函數,其數值是根據在一定施工條件下基坑開挖中所測出的基坑變形數據,經反分析而得出的控制標準及設計外荷等依據的同時,合理地選定施工程序及施工參數,以完善設計依據并提供實施設計的保證,從而有效地解決流變性地層中深大基坑的控制變形設計不符合實際的問題。

根據基坑工程設計所選定的主要施工參數,按基坑規模、幾何尺寸、支撐形式、開挖深度和地基加固條件,提出詳細的可操作的開挖和支撐的施工程序及施工參數。開挖和支撐的施工工序基本是按“分層、分步、對稱、平衡”的原則而制定的,最主要的施工參數是分層開挖的層數。每層開挖深度以及基坑擋墻被動區土體在基坑中間部分地層先開挖的工程中保留成支撐擋墻的土堤,此土堤斷面尺寸按其能抵住擋墻的要求而定,亦為主要設計參數;嚴格按選定的施工程序和施工參數施工,就使復雜多變的施工因素變為較明確而有規律性的施工因素,其引發的時空效應也能較好地符合設計預期的要求。

在長方形基坑中,基坑開挖和支撐的施工技術要點是,按一定長度分段開挖和澆筑結構,在每段開挖中再分層。每層分小段開挖和支撐,隨挖隨撐,施加預應力,每小段的開挖和支撐的施工時間限制在一定限值之內。在不規則的基坑施工中,采用分層盆式開挖法,在每一層開挖中間部分并安裝或澆筑此范圍的支撐,而后將各根支撐兩端支承擋墻的土堤,分步、對稱拆除并即時安裝或澆筑其間頂住擋墻的部分支撐。每個分步的開挖和支撐施工時間,根據支撐方式等具體情況,給定明確的控制值。

在運用基坑開挖中的時空效應規律時,基坑結構特性參數、地基土(包括加固土體)特性參數及施工工藝參數都是相互影響并共同對控制變形發揮作用的基本要素,它們都是控制基坑變形的設計依據,控制變形的設計要素。

3.2 基坑降水

為減少井點降水對周圍建(構)筑造成的影響和危害,通常采取下列措施:(1)采用全封閉形的擋土墻或其他的密封措施,如地下連續墻、鎖口鋼板樁、灌注樁、旋噴樁、水泥土攪拌樁等,將井點設置在坑內,井管深度不超過擋土墻的深度,僅將坑內水位降低,而坑外的水位將維持在原來的水位;(2)根據工程實際情況,適當地調整井點管的埋置深度;一般情況下,井點管的埋設深度應該使基坑內的降水曲面在坑底下 0.5～1.0m;如在沒有密封形擋土墻的情況下,基坑降水不僅使坑內水位下降,也使坑外水位下降。如果在降水影響區范圍內有建(構)筑物、管線等需要保護時,可在確保基坑不發生流砂和地下水不從坑壁滲入的條件下,適當地提高井點管設計標高;(3)井點降水區域隨著降水時間的延長,向外、向下擴張,若在兩排井點的當中,基坑很快形成降水曲面,坑外降水曲面擴張較慢。因此,當井點設置較深時,隨著降水時間的延長,可以適當地控制抽水量和抽吸設備真空度。當水位觀察井的水位達到設計控制值時,調整設備使抽水量和抽吸真空度降低,達到控制坑外降水曲面的目的;(4)采用井點降水與回灌相結合的技術,在井點降水管井與需要保護的建筑、管線間設置回灌井點、回灌砂井或回灌砂溝,持續不斷地用清潔水沖洗,(以免土體發生孔隙堵塞,降低土地滲透性能而影響回灌效果)回灌,形成一道水幕,以減少沉降;(5)井點應連續運轉,盡量避免間隙和反復抽水,因為每次降水都會產生沉降,增加反復抽水的次數,使總的沉降量積累到相當可觀的程度。(6)為減少坑內井點降水,減少降水曲面向外擴張,防止鄰近建筑物基礎下地基土因水位下降、水土流失而產生的沉降,在井點降水前,在需要控制沉降的建筑物基礎周邊,布置注漿孔,控制注漿壓力。

3.3 控制基坑變形的措施

在基坑工程設計時,應考慮有關的影響因素:(1)設計時,應根據環境要求選擇基坑位移的控制等級;(2)基坑的最大的水平位移值,與基坑開挖深度、地質條件及支護結構類型等有關,在基坑支護結構體系的設計滿足要求時,支護結構水平位移最大值與基坑底土層的隆起抗力系數存在一定的統計關系;(3)圍護體系的平面形狀與變形有一定的關系,從受力分析可知,圓形、弧形、拱形比直線形要好;工程實踐經驗表明,在最不利的轉角位置、墻后地面和墻面容易出現裂縫,因此,圍護樁體系的平面形狀不一定非得與底板形狀一致。(4)實踐表明,圍護樁根部插入較好土層中,其圍護體系的變形小,穩定性好。

基坑施工時,應考慮相關因素影響:(1)基坑圍護體系規律,其變形可以分為兩個階段,一是開挖到設計標高時的變形,二是到底板結束時的位移。而第二階段的變形與基坑暴露時間有關,暴露時間越長,風險性越大。(2)基坑工程的受力特點是大面積卸載,坑周圍和坑底應力場從原始條件逐漸降低。基坑暴露后,及時鋪設混凝土墊層對保護坑底土體不受施工擾動、土體應力松弛具有重要作用;(3)基坑周邊超載,增加墻后土體壓力及滑動力矩,降低圍護體系的安全度;(4)由于大量卸荷,坑周圍應力場變化,地面或多或少會產生許多裂紋,降雨或施工用水進入土體會降低土體的強度,并增加土壓力。

施工中設法減少土體中有效應力的變化,提高土的抗剪強度和剛度,為此必須:(1)在基坑周開挖過程中和開挖后,應保證井點降水的正常進行;(2)盡量減少基坑坑底的暴露時間,盡快澆筑墊層和底板混凝土;(3)必要時,在開挖前對坑底土體進行局部加固處理。

4 結束語

地下深基坑開挖引起的環境效應是一個復雜的動態系統,土的特性決定了基坑降水、開挖施工過程中坑內、外土體必定發生變形,但是其變形大小和規律受多種不確定因素影響,因此采用“時空效應法”并根據施工過程中的監測信息反饋不斷修正設計和調整施工方法是比較值得推廣的一種方法。而僅靠理論分析和經驗估計是難以保證工程安全施工的,如何對深基坑開挖引起的環境效應作出一個定量的分析,有待設計及施工人員不斷地探索。