深基坑工程及支護結構分析

吳凱 徐律

0 引言

隨著基坑的不斷變深、變大，近年來工程的事故也頻頻發生，不少事故導致重大經濟損失，建設工期延誤、人員傷亡及不良的社會影響。如何保證深基坑工程的“安全”“可靠”“經濟”“合理”是當前期待解決的重大課題。由于基坑開挖工期長、施工難度大、技術復雜、現場施工條件差、對環境影響控制要求高以及深基坑工程在開挖和圍護過程中所涉及問題的復雜性和不確定性等特點，每年我國均有大量基坑工程事故發生，給國家和社會帶來巨大的經濟損失和不良影響。因此，為了保證深基坑工程的順利實施，對深基坑工程施工前進行風險分析具有重要意義。

1 深基坑工程險情、事故起因分類

這里強調深基坑工程險情、事故起因，即首先是由于什么原因產生異狀，然后由于管理上的不重視或技術上的欠缺，沒有制止或來不及制止，以致這種異狀不斷發展造成最后的嚴重后果。深基坑工程險情、事故起因包括:1)變位(形)過大;2)荷載過大; 3)強度不足;4)水、土流失的原因。

2 深基坑施工要點

2.1 挖土要點

分區、分塊、分層均衡開挖，利用空間效應盡量減少圍護墻變位。當基坑較長時，以20 m～30 m長為一塊進行開挖，每層厚度不宜超過1 m。當基坑較寬時，為盡量推遲圍護墻上土壓力的卸載時間，宜采用“盆式開挖”，即靠近圍護墻邊的土體遲開挖，留土體斜坡;當為大面積的基坑時，宜采用“島式開挖”，即先開挖中心部分的土體，隨后做中心部分的地下結構，以此為支點，然后開挖基坑周邊土體，并及時支撐，這種支撐一面支撐在圍護墻上，一面支撐在已經做好的地下結構上。

2.2 支撐要點

1)開槽設支撐。絕對不允許超挖，盡量做到開槽設支撐，即對鋼支撐而言，盡量開挖到支撐頂面，然后在支撐位置開槽下放支撐。至多開挖到支撐底面就應立即支撐。

2)位置正確。三維坐標正確，以免產生較大次應力。對于鋼管撐，為防止產生較大的偏心彎矩，安裝時的偏心矩應控制在支撐計算長度的1/1 000。

3)鋼管撐安裝完后，應按設計要求預加軸力。

4)鋼管撐應在橫向、豎向附加桿件，以形成剛度較大的支撐體系。

5)在鋼筋混凝土支撐上能否作為挖土時的棧橋，停放挖土機械與設施，需嚴格按設計要求辦理。

6)在底板混凝土澆搗完后的支撐拆除及換撐，需嚴格按設計要求，做好換撐構件，絕對禁止盲目、提前拆除支撐。

7)當開挖至基底后應盡快澆搗混凝土墊層，一大片混凝土墊層對減少圍護墻的變位起著重要作用。

2.3 降水要點

1)降水需提前2周～3周進行，保證坑內水位在基底下0.5 m～1.0 m;2)時刻注意坑外水位觀測井的水位變化，觀測井的水位不能有明顯下降;3)抽出的水應是清澈的;4)什么時候可以停止降水，應由設計決定;5)當必須在坑外降水時，應及時監測周圍環境的變形，否則需在圍護墻外筑一道帷幕(可用旋噴樁等)，然后在帷幕內降水，在帷幕外回灌水。

3 基坑支護結構類型

經過工程實踐的篩選，形成了適合于不同地質條件和基坑深度的經濟合理的支護結構體系。

水泥攪拌樁和土釘墻是我國目前5m以內，后者乃至10m以內首選的支護形式。土層條件好時，15 m左右基坑亦經常使用。前者既能擋土又能擋水，后者則較多地應用于地下水位較低或者地下水位能夠被疏干降低的場區。其中水泥攪拌樁有若干種布置形式:實體式、空腹式、格構式、拱型或拱型加鉆孔灌注樁，既可以漿噴也可以粉噴。土釘墻可以單獨使用，也可以與其他支護形式聯合使用。

對于5 m～10 m深軟土基坑，常采用鉆(沖、挖)孔樁、沉管灌注樁或鋼筋混凝土預制樁等，并可作各種布置。如需防滲止水時，則輔之以水泥土攪拌樁、化學灌漿或高壓注漿形成止水帷幕，有時亦用鋼板樁或H型鋼樁。當基坑深度大于10 m時，可考慮采用地下連續墻，并根據需要設置支撐或錨桿。

遇特殊結構物則可采用沉井或沉箱。上述基坑支護體系選型完全是在近二十年中，在大量的工程實踐中逐漸形成的。它與國外常傾向于采用的地下連續墻有所不同。誠然，地下連續墻的優越性早已被世界公認，在大深度基坑和復雜的工程環境下非它莫屬。唯其造價較高，需綜合考慮。

4 深基坑支護結構的破壞模式及原因

深基坑工程事故可分為兩類:一類是設計、施工、管理及其他原因引起的支護體系的自身破壞;另一類是由于支護體系的自身破壞導致相鄰建(構)筑物及市政設施破壞或深基坑土方開挖引起支護體系變形過大以及降低地下水位造成基坑四周地面產生過大沉降和水平位移，導致影響相鄰建(構)筑物及市政管線的正常使用甚至破壞。支護體系的破壞模式有以下幾類:

1)支護結構整體失穩:設計不合理，土層參數c，φ值取值不當，或支護結構底端插入深度不夠，或撐錨系統失效，或施工時卸載太快，且沒有及時支撐，造成支護結構整體失穩;2)隆起破壞:在軟土地基中，當基坑內土體被不斷挖出，坑內外土體的高差使支護結構外側土體向坑內擠壓，造成基坑土體隆起，導致基坑外地表沉降，坑內側被動土壓力減小，引起支護體系失穩破壞;3)管涌破壞:在粉砂層中開挖基坑，若不打設井點或井點降水失效時，或圍護結構插入深度不夠時，會產生管涌，使被動土壓力減小或喪失，造成支護體系破壞;4)基坑系統失穩:對支撐式支護結構，支撐的設計強度不夠或由于支撐架設偏心較大達不到設計要求，對拉錨式支護結構，拉錨力不夠，均將導致支護結構破壞，有時也伴隨基坑的整體滑動破壞;5)踢腳破壞:對內撐式和拉錨式支護結構，當圍護結構插入深度不夠或坑底土質差，被動土壓力小，造成支護結構踢腳失穩破壞;6)內傾破壞:支撐設計強度不夠，拉錨力不夠，或由于支撐或錨拉系統架設不及時，或由于外力撞擊，或由于基坑外注漿、打樁、偏載造成不對稱變形等等導致圍護墻向坑內傾倒破壞。

5 結語

深基坑工程涉及土力學、基礎工程、結構力學、施工及工程管理等較多學科，是一項綜合的、具有風險性的系統工程。分析表明:

1)誘發基坑支護結構破壞的主要原因可能是一種，也可能有多種，但破壞形式往往是綜合的，不宜簡單歸類于某種破壞形式。

2)模糊綜合評價方法數學模型簡單，易于工程技術人員掌握，適合評價深基坑工程風險。

3)選取穩定和變形指標建立評價指標集對深基坑支護結構本身進行風險分析，可減少基坑事故發生、提高基坑工程的安全性。

基坑工程的設計和施工技術日益進步，不斷涌現出多種符合我國國情的實用的基坑支護方法，而且使得基坑工程的設計理論、計算方法得到不斷改進。基坑支護結構設計是一項復雜的工程，具體工程選擇什么樣的支護形式，需要對具體的基坑環境，地下水情況，場地土質，施工隊工程經驗，工期要求以及技術經濟效果等因素全面考慮而定，在保證施工安全的前提下，綜合考慮技術經濟指標，選擇適合的方案。

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