深基坑支護結構施工中的安全度和變形控制

原俊杰

(中鋁國際(天津)建設有限公司山西鋁基地分公司，山西河津 044000)

0 引言

深基坑支護結構施工早期考慮的僅是深基坑本身施工的安全，也就是它在施工過程中的設計安全度控制;隨著基坑范圍和深度的擴大，深基坑對周邊環境的影響越來越明顯，周邊建(構)筑物、管線、道路沉降、斷裂造成的損失也越來越大，保護周邊環境設施的變形控制越來越重要，深基坑的特殊性和事故突發性，使得設計和施工過程均需從不同角度進行支護結構的安全度控制和變形控制。

1 深基坑支護結構在施工過程中的控制要求

基坑支護結構應滿足的功能要求是:1)保證基坑周邊建(構)筑物、地下管線、道路的安全和正常使用。2)保證主體地下結構的施工空間。基坑支護結構工作的極限狀態有兩種:一種是超過承載能力(包括抗剪切、抗傾覆、抗滑移、抗彎矩能力)極限狀態的破壞狀態;另一種是超過正常使用極限狀態的失效狀態。分別對應安全度控制和變形控制。在深基坑工程中，支護結構變形超過一定程度，即超過規定的正常使用極限狀態，安全度控制是防止超過承載能力極限狀態的基坑支護結構斷裂、傾覆、滑移、垮塌失穩;變形控制是防止超過正常使用極限狀態時導致基坑周邊建(構)筑物的不均勻沉降、地下管線斷裂、道路塌陷等，一般情況，超過承載能力極限狀態所造成的后果比超過正常使用極限狀態更嚴重。在土質較好時，保護周邊環境的允許變形較大，使得正常使用極限取值可以較大，深基坑支護結構以安全度控制為主，而在軟土地區變形要求往往占主導地位，正常使用極限取值較小，設計和施工過程中不但要分清基坑支護結構控制的關鍵因素，對支護結構及周圍環境的變形關系作出準確預測，而且有必要建立設計安全度控制與設計變形控制之間的關系，以便更好的進行施工過程的安全度控制和變形控制。

設計方案的安全度控制是設計計算的承載能力極限狀態，即支護結構的抗剪切破壞、抗傾覆破壞、抗滑移破壞、抗彎破壞的極限狀態值乘以一定的安全系數，使支護結構有一定的安全儲備而達到安全的目的。而在施工過程中如何確保設計要求的安全度，滿足設計要求、開挖支護時確保設計工況和根據實際基坑開挖后的狀況同設計進行設計方案的循環改進，也就是協同設計實現動態設計，實現對設計安全度的驗證、反饋和修改，使設計方案更加安全、經濟合理、方便施工，是施工過程安全度控制的主要內容。支護結構的施工過程安全度控制和設計過程安全度控制從不同角度對支護結構安全可靠性進行了控制，施工過程安全度控制是以設計過程安全度控制為基礎的，反映了設計的要求和工況，滿足了設計循環改進需求，施工過程安全度控制使得設計過程安全度更加符合實際，更好的滿足地下主體部分的施工、保護周邊環境和降低基坑事故率。

設計和施工過程安全度控制的主要目的均是防止支護結構失穩，保證主體地下結構的施工有安全的空間，施工過程安全度控制可分為兩個部分:一部分是支護結構強度控制，也就是支護結構本身施工質量控制，防止因其強度、剛度達不到設計要求而折斷;另一部分是支護結構穩定性控制，主要控制周圍環境地質、水文條件以及周邊環境條件變化對支護結構穩定度的影響，涉及支護結構的平衡問題，以排除事故隱患，防止支護結構傾覆和滑移造成的失穩為控制目標。基坑的安全等級越高，如確定為一級時，就越需要更嚴格的控制。

早期的深基坑設計方案是以安全度為目的進行控制的，但由于城市內的深基坑周邊緊鄰建(構)筑物、市政管線、道路等，對周邊環境影響越來越大，支護結構還沒有產生失穩前，周邊環境設施已因超過允許變形而損壞，造成了很大的損失;周邊環境設施的損壞反過來造成了支護結構的更大變形或失穩，如周邊上水、排水、污水管線的破裂;因而現在的設計方案更注重保護周邊環境設施，施工過程同樣需要重視周邊環境設施的保護。

施工過程的變形控制主要以保證基坑周邊建(構)筑物、地下管線、道路的安全和正常使用為主要目的，可分為兩個部分:一部分是深基坑支護結構的變形控制，當然這個變形必須是在支護結構允許的變形范圍內;另一部分是周圍環境的變形控制，如周圍建筑物、地下管線、道路等的允許變形控制，在施工過程中突出對周圍環境變形的主動控制，減少單獨對支護結構的變形進行被動控制的壓力。這兩部分變形量控制是一個相互影響的過程，一般情況下，設計確定的基坑安全等級越高時，周圍建筑物、地下管線、道路等允許最低變形量越小，支護結構的變形量控制范圍也越小，反之則較大;有時為了減小支護結構的變形控制難度，即增大支護結構的變形量控制范圍，常采用隔離和加固的方法提高周圍建筑物、地下管線、道路等允許的最低變形量范圍。施工過程中根據現場實際對周邊環境進行主動變形控制是減少深基坑風險和事故損失，較為經濟實用的一種控制途徑。

2 深基坑支護結構的安全度控制

2.1 支護結構強度控制

1)支護結構強度和剛度在設計方案中已初步確定，施工過程中支護結構的強度控制主要是進行支護結構的施工質量控制，防止因支護結構(包括樁、墻、支撐、錨固系統等)的強度、剛度不足引起支護結構破壞而造成基坑倒塌。

2)支護結構雖是臨時設施，但其施工質量很重要，特別是關鍵部位的強度和剛度，是安全度和變形控制的基礎。在動態設計中，設計方案最初確定的支護結構安全度一般較小，如果支護結構本身存在質量問題，控制過程的難度會加大，后期補救所需費用會成倍增加，即使在設計工況下嚴格控制開挖過程也將難以保證支護結構的安全度和變形要求，一旦因支護結構本身出現質量事故，不僅損失很大，事后糾正和補救比較困難;因而在施工過程中要重視支護結構本身的施工質量，確保支護結構施工質量也是深基坑施工過程預防控制措施的重要部分。

施工過程應按批準的專項施工方案進行施工，必須要有相應的地下連續墻、鉆孔灌注樁、水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁、噴錨支護、樁錨支護、土釘墻等專項施工方案和相應的質量控制程序，確保按設計方案要求進行施工過程控制，施工質量的控制以支護結構施工過程中的質量通病為關鍵點進行控制，以減少質量通病，確保施工質量。

2.2 支護結構穩定性控制

支護結構穩定性控制指的是在實際工程地質、水文地質在基坑開挖產生變化的條件下支護結構的安全有效性控制，不僅與支護結構本身強度有關，還與支護結構外圍工程地質、水文地質情況及其在施工過程中的變化有關，如因基坑土體的強度不足、地下水滲流作用而造成基坑失穩，包括基坑內外側土體的整體滑動失穩;基坑底土因承載力不足而隆起;地層因承壓水作用、管涌、滲漏等，導致基坑工程失穩破壞。因而支護結構穩定性控制是施工過程控制的重中之重。

目前，深基坑支護結構的設計的強度計算仍基于極限平衡理論，但支護結構的實際受力并不那么簡單。工程實踐證明，有的支護結構按極限平衡理論設計計算的安全系數，從理論上講是絕對安全的，但有時卻發生破壞;有的支護結構安全系數雖然比較小，甚至達不到規范的要求，但在實際工程中卻滿足要求。這與周圍環境的影響是分不開的，這實際是基坑的穩定性控制問題沒有處理好，不僅設計過程中要考慮支護結構的穩定性，施工過程中更要在獲得實際開挖地質數據后協同設計考慮和處理好支護結構的穩定性，如果設計過程中沒有處理好支護結構穩定性控制問題，存在的問題延續至施工過程中，就增加了在施工過程中進行穩定性控制的責任，對設計方案的動態設計需要認真配合，慎重對待。

雖然設計方案對支護結構的傾覆和滑移進行了充分考慮和驗算，但在深基坑實際開挖過程中，實際的地質條件可能與原設計假定的地質條件有出入，開挖過程中改變了土體和周圍地下水的狀況，坑邊堆載、動載的影響、外部雨水的影響，使基坑周邊環境存在時空效應，基坑支護結構處于不斷的動態平衡過程中，由于現場監測過程的滯后和不能獲得反映實際狀況較為全面的監測數值，在施工過程中不僅僅是按圖施工，還必須強調和堅持程序施工、有針對性的預測預防、信息施工，根據開挖情況及時進行穩定性預測、實時監測，及時合理調整施工步驟，及時向設計反饋開挖實際狀況，發現實際情況與原設計假設條件不一致、出現新的問題時，要及時與設計共同研究處理方案，較大的方案變化還要提交專家組討論審查通過，以確保實際支護結構的安全有效性，即支護結構穩定性控制要確保支護結構體系不能留有后期難以補救的重大隱患和相應的防范措施不能缺失，對于在后期能及時補救和所需費用相對較小的實際問題，可以共同商定留置觀察控制處理。在施工過程中盡量通過實際監測數據和施工觀察經驗的反饋為基坑支護的動態設計提供充分的依據，從而能優化設計，使支護結構設計達到安全、經濟合理、施工便利的目的。

3 深基坑的變形控制

基坑開挖勢必引起周圍地基中地下水的變化和壓力場的改變，導致周圍地基土體的變形，對相鄰建筑物、構筑物及地下管線產生影響，嚴重時危及到安全和使用，與此同時，大量土方運輸、周邊堆載、雨水浸入也會產生較大影響，深基坑變形控制的目的雖能保證基坑周邊建(構)筑物、地下管線、道路的安全和正常使用，但在目前情況下，考慮經濟原因，一般主要是控制基坑支護結構的變形控制，只有在周邊環境變形處理能較節省費用或相關設施重要程度較高時，才考慮對周邊環境設施進行隔離或加固處理。

一般情況下，深基坑的允許變形控制量是根據基坑的深度和周圍建(構)筑物、地下管線、道路等承受變形能力的情況，由設計確定深基坑的安全等級和支護結構的變形量;而在施工過程中不僅需要按設計要求控制支護結構的變形量，而且要同設計確定周圍建(構)筑物、地下管線、道路的允許變形量并隨時監控。施工前不但要對圍護墻體及周圍環境的變形作出準確預測，而且有必要建立支護結構變形控制與周邊環境變形控制之間的關系，通過提前預測和及時監控，進行積極主動的控制。

一般情況下，變形控制是在支護結構安全度控制的基礎上進行的變形量控制，如果周邊環境預測的允許最低變形量大于支護結構的實際變形量，可在對周邊環境進行一定程度的監控情況下，實施深基坑的安全度控制即可。如果基坑較深或開挖面積較大，周邊環境允許最低變形量較小，支護結構變形量難以滿足要求時，或支護結構變形控制較難時，則需要對周邊環境內的最低允許變形量的建(構)筑物或地下管線或道路采取加固、隔離措施，提高周邊環境內的最低允許變形量，以降低深基坑變形控制的難度。

在深基坑開挖過程中，土體的含水率、內摩擦角和粘聚力三個參數是可變值，需要采用原位測試手段進行現場測試，如現場十字板剪切試驗，協同設計共同確定現場的實際土體參數，進行支護結構參數的反分析計算，如發現問題應及時進行修正，以防止因支護設計方案問題使支護結構產生較大的變形。

一般深基坑周圍環境復雜，場地條件差，隨著基坑深度和面積不斷加大，深基坑的變形控制越來越難。實際上開挖后的土體是一種動態平衡狀態，也是一個土體逐漸松弛的過程，隨著時間的增長，土體強度逐漸下降，并產生一定的變形，水的影響使深基坑的變形控制更加復雜。變形控制過程需要特別注重減輕水的危害性，把水的問題處理好，特別是高地下水位、砂質土地基，由于止水、截水、降水、排水不當或失效，造成周圍地面、建筑物、管網等沉陷、變形、開裂等，處理好水的問題是變形控制的重中之重。

加強施工過程的監測控制，減少施工的盲目性，及時發現施工過程中的異常并預警，預測基坑及結構的穩定性和安全性及變形趨勢，提出工序施工的調整意見及應采取的安全措施，保證整個工程安全、可靠推進。施工過程中變形監測的重點是:支護結構的測斜位移、鄰近建筑物的沉降、傾斜和裂縫及發生時間和發展過程的監測;鄰近構筑物、道路、地下管網設施的沉降和變形監測;基坑開挖后的基底隆起觀測;地下水位監測;裂縫觀測。目前的基坑監測還不能滿足現場要求，可靠性低，要注意采用多項監測手段，利用發生事故前支護結構位移、受力、周邊環境沉降、裂縫等都有變化的特點，使其監測結果能互相驗證。同時需要有經驗的工程師每天進行肉眼巡視，主要對地圈梁(帽梁)、鄰近建筑物及鄰近地面的裂縫、沉降和支護結構工作位移、流土、滲漏或局部管涌等不良現象的發生和發展進行檢查、記錄和分析，形成有效的監測系統，使工程設計和施工設計緊密結合，以達到保證工程和周圍環境安全和及時調整優化設計及施工的目的。

解決好基坑周邊堆載的問題，施工過程中基坑周邊可利用的空間較小，迫不得已在基坑周邊堆載，但設計方案沒有考慮這些荷載，使得周邊堆載常常不符合設計要求的工況，特別是有較大的動荷載時，更容易造成基坑支護結構的變形過大。解決這個問題需要將施工方案和設計方案相結合，或在設計方案階段考慮施工過程中的實際堆載，或施工方案中控制周邊堆載，滿足設計要求和工況，總之設計和施工要緊密配合，及時在設計方案或施工方案確定前解決此類問題，不留隱患。

4 結語

深基坑支護結構安全度和變形控制是一個系統工程，施工過程的控制是實施、驗證、修改設計方案，并優化設計的過程，也是判斷施工方案是否合理、施工過程能否按設計工況實施、改進循環的過程，提前預測、預防、動態設計、信息施工是深基坑支護結構安全度和變形控制經濟實用的方法，并且實施過程需要通過不斷的循環改進才能降低深基坑風險，確保最終的施工質量。