砂性土地基超深基坑支護技術研究

王紅偉

河南省昊鼎建筑基礎工程有限公司

砂性土地基超深基坑支護技術研究

王紅偉

河南省昊鼎建筑基礎工程有限公司

隨著我國城市化進程的不斷加快，城市土地資源問題日益突出，人們越來越重視城市地下空間的利用，因此推動了基坑開挖深度的加大，促使了超深基坑工程的產生。這些超深基坑往往位于城市的中心位置，附近環境較為復雜，也有較高的保護要求，所以受到了學術界與工程界的重視。就砂性土地基超深基坑來說，下臥承壓水可能會將上覆土層沖進基坑之中，導致基坑突涌破壞，對周邊環境造成嚴重的影響，因此，一定要重視砂性土地基超深基坑支護技術的研究工作。

砂性土地基；基坑；支護技術；圍護結構

1.緒論

1.1砂性土地基超深基坑支護技術研究概述

最近幾年來，隨著我國經濟社會的發展，我國的城市化進程也不斷加快，城市土地資源緊張問題日益嚴重，為了使得城市土地利用率得以有效提升，確保城市可持續發展，開始不斷提升城市地下空間的利用率，比如說：高層建筑多層地下室、軌道交通地下車站等，基坑挖掘的深度逐漸增加，推動了超深基坑的產生，比如說杭州地鐵一號線之中的富春路站基坑的挖掘深度最高達至25.31米等。與此同時，這些超深基坑往往處于城市的中心，附近都是各種各樣密集的建筑，而且密集分布著各種地鐵隧道、交通干道以及地下管線等構筑物，附近環境條件較為復雜，基坑的施工場地較為緊張，施工條件較為惡劣，而且在施工中還需要考慮其對附近環境產生的影響，要確保對附近人們的城市生活不會造成過大的影響。除此之外，基坑深度的加大也提高了對工程建設的要求，尤其是在地下水位較高的砂性土地基施工中，所以，對地下水的控制變成了基坑工程施工安全的一個重要環節。

1.2砂性土地基超深基坑支護的關鍵問題分析

通常而言，砂性土地基超深基坑支護主要有兩個方面的關鍵問題，分別是：基坑變形控制與地下水控制。下面分別對其進行簡要介紹：（1）基坑變形主要內容有：基坑周邊土體位移、坑底隆起以及維護結構體的變形。其中基坑周邊土體位移主要是由于受到坑底土體隆起與維護結構變形的影響而產生的；坑底隆起是由坑外土體荷載與坑底土體卸荷回彈而導致的；圍護體的水平變形是由維護結構兩邊之間的壓力差所導致的。除此之外，基坑過度變形還會對附近道路燈、管線以及建筑物等產生一定的危害，其兩者間并非是純粹的影響和被影響的關系，在基坑變形對附近建筑物產生危害的同時，附近建筑物所產生的附加符合也會在一定程度上影響附近土體應力場，進而對基坑變形產生一定的影響。（2）砂性土地基地下水豐富而且水位較高，因此砂性土地基超深基坑支護關鍵問題不僅是基坑變形控制，而且還包括地下水的控制。地下水的控制主要包括兩方面內容：潛水控制與承壓水控制，地下水控制可以采用降水或止水等措施。所謂的止水措施就是通常而言的布置止水帷幕，也就是在開挖基坑時，為了避免地下水橫向滲流而采用豎向止水措施，或為了避免突涌而采用水平措施，這一措施對確?；訚B流穩定具有非常重要的作用?，F在止水措施中，主要應用豎向止水帷幕，包括懸掛式與落底式兩種。懸掛式由于含水層過厚無法徹底穿通含水層而用于隔開上層滯水、潛水與帷幕深度中承壓水平向滲流，拓展了承壓水的滲徑；而落底式則直接穿透透水層從而深入下臥層的一定深度，將基坑內外水之間的聯系予以直接切斷，雖然能夠取得較好的效果，但是僅僅適合于較淺的基坑。對于砂性土地基超深基坑而言，承壓水控制是非常重要的內容，超深基坑的挖掘深度常?？梢赃_至數十米，而砂性土地基下臥承壓含水層的含水量往往較為豐富，承壓水頭較高，往往開挖基坑時承壓水壓力會超過覆層的自重，容易導致基坑突涌現象的產生。而基坑突涌具有突發性，可能會致使基坑圍護結構出現嚴重損毀甚至倒塌、坑外出現大面積地面沉陷、破壞附近地下管道與建筑物，更甚者會致使施工工作者傷亡。除此之外，承壓水降水導致的基坑附近地表沉降也會對附近建筑物的正常使用造成一定的影響，也是需要重視的一個問題。

2.常用基坑圍護結構類型與分析方法

2.1常用基坑圍護結構類型

經過長時間的發展，基坑工程已經積累了許多的經驗，當前圍護結構應用已經比較成熟了?；訃o主要包括：放坡開挖、水泥土重力式擋墻、土釘墻與復合土釘墻、拉錨式圍護結構、懸臂式圍護結構等。

2.1.1放坡開挖

一般而言，放坡開挖通常用于淺基坑，而且還應用于一些深基坑上層開挖之中。放坡開挖屬于開敞式開挖施工，其具有施工進度快、造價經濟以及工藝簡單等優點，不過也具有要求基坑土質好，施工場地與放坡場地足夠的缺點。

2.1.2水泥重力式擋墻

所謂的水泥土重力擋土墻就是指應用噴漿施工的方法，強行攪拌地基土與水泥材料所形成的水泥土加固土的擋墻。（1）水泥重力式擋墻的優點主要包括：①能夠運用重力式擋墻的水泥土樁構成密封型的止水帷幕，具有較強的止水性能；②應用之后所遺留下的地下障礙物處理起來較為容易；（2）水泥重力式擋墻的缺點主要包括：①圍護結構需要占用較大空間，圍護結構變形較大，位移控制能力較弱；②在墻體較厚時，高壓旋噴樁或水泥土攪拌樁對附近環境具有較大的影響；（3）適用條件主要有：如果基坑附近環境保護要求較高，基坑開挖的深度就不應該大于5m，如果要求不高時，可以適當的將開挖深度放寬到7m。

2.1.3土釘墻與復合土釘墻

（1）土釘墻

土釘墻通常是由密集在原位土體之中的土釘、土釘間的被加固土體以及覆蓋在土體表面之上的鋼筋混凝土面層等構成，其具有一定的自穩能力。①土釘墻的優點主要包括：土釘墻憑借群錨功能維持坑壁的穩定；適用于各種形狀的基坑；設備移動靈活、占據空間小；通常不占據基坑的內部空間，有效確?；娱_敞式外撅，挖土與運土條件好；密封性好，能夠覆蓋土坡表面，從而有效避免地表水與地下水對坑壁產生的侵蝕；柔性較高，破壞之前會經過相應的變形過程，擁有較強的抗震性與延展性；開挖與支護同時進行，能夠運用監測數據與開挖外露的土層情況對土釘的施工參數進行適當的調整，有助于開展信息化施工；②土釘墻的缺點主要包括：若土釘較長就會超過用地的紅線；由于土釘要和挖土開展交換施工，因此其對施工組織管理水平具有較高的要求；③土釘墻的應用范圍：開挖的深度往往要低于12m，附近環境要求較低的基坑工程，經人工降水后或者地下水位之上的人工填土、弱膠結砂土以及黏性土。其不適用與下列情況：地層之中具有膨脹土、軟弱土層或者淤泥質土；過度干燥、黏聚力較小與均勻度較高而且相對密度較小的砂層；附近環境保護的要求較高的工程以及周圍具有地下建筑物的工程等。

（2）復合土釘墻

①土釘墻+預應力錨桿

較之于一般的土釘墻，這種復合土釘墻在變形控制與基坑穩定性方面更為有利。這一圍護形式主要適用于那些對基坑變形要求較高的基坑施工之中。

②土釘墻+止水帷幕

較之于一般的土釘墻，這種圍護形式添加了止水帷幕，能夠降低坑內降水對坑外環境產生的影響。也可以對坑壁土體進行預加固，降低基坑變形與加大坑壁的穩定。這一圍護形式往往使用與那些地下水位較高，并且降水對附近環境影響較大的工程，此外還適用于開挖深度較淺、土質較差的工程。

③土釘墻+微型樁

運用微型樁超前支護能夠大大降低基坑的變形。這一圍護形式主要適用于軟塑狀粘性土、填土等較為軟弱的土層，開挖面臨自立性能以及需要豎向構件提高復合體強度與整體性的工程。

綜上分析可知，復合土釘墻就是土釘墻和別的支護結構構成的組合，所以不僅具有上述特點，而且土釘墻的使用條件與特點也大體在復合土釘墻上適用。

2.1.4拉錨式圍護結構

所謂的拉錨式圍護結構主要是由拉錨系統與擋土結構所構成的基坑圍護系統，其擋土結構和內撐式或懸臂式圍護結構一樣。在拉錨系統的協調配合下，土體與圍護體構成一個有機、統一的整體。拉錨式圍護結構的特點主要包括：①側向位移小、構件尺寸小、整體剛度大；可以應用于附近環境以及場地地質允許的條件下。②適用于開挖面積較大的基坑之中，可以開敞式開挖，從而給地下水與挖土結構施工提供一定的方便，能夠大大減少工期，具有顯著的經濟效益。③錨桿需要憑借土體本身的強度來提升錨固力，所以土體的強度越大，達到的錨固效果就越好，反而言之，土體強度越小，錨固的效果就越差，所以其通常不適于在軟弱土層中應用。④如果錨桿的施工質量較差，可能會導致出現較大的地面沉降現象。

2.1.5懸臂式圍護結構

所謂的懸臂式圍護結構主要指擁有相應剛度的板式支護體，比如說：地下連續墻、鉆孔灌溉樁、鋼板樁、型鋼水泥土攪拌墻以及型鋼等。經常應用在必須敞開式開挖，而且對圍護體的占地尺寸具有一定制約條件的基坑工程之中。單排懸臂鉆孔管改裝支護形式通常應用于淺基坑，而在實際工程施工中，以為內其變形較大，而且材料性能充分發揮難度較高，經濟性較差，應用范圍較為有限。格形地下連續墻與雙排樁等構成的懸臂式支護系統的剛度較大，變形較小，往往應用于那些中等開挖深度，并且對圍護變形具有相應控制條件的基坑工程之中。

2.2常用的圍護結構計算方法

2.2.1等值梁法

這一方法將擋土結構主要分成上、下兩段，并且以虛設鉸為界；上段是簡支梁，下段是一次超靜定結構，然后根據彈性結構的連續梁對擋土結構的支撐軸力、彎矩與剪力進行求解。通常假設鉸Q點與土面距離深度是y，其值的通常是開挖深度的0.1-0.2倍。

2.2.2數值分析方法

（1）有限元法。這一方法是一種較為科學、有效的模擬開挖的分析方法，其將土層的分層情況與土的性質、土層開挖與支護結構布置過程以及支撐系統分布與性質等因素都予以考慮。通常而言，有限元法分析軟件主要有：ABAQUS、FLAC2D/3D、PLAXIS、EXCAV等。（2）有限差分法。這一方法主要是將求解域劃分為差分網絡，通過對有限網絡節點的應用來替代連續的求解域，然后再運用Taylor級別開展等方法，把控制公式之中導數運用網格節點上的函數值的差商來替代予以離散，將在網格節點之上的值的代數方程組建立起來，其相當于一個把微分問題轉換成代數問題的求解方法。

2.3基坑圍護結構穩定性分析

所謂的基坑圍護結構穩定性驗算主要指的是：對基坑附近土體或者土體和圍護系統共同保持穩定性的能力，其在基坑工程設計計算之中具有非常重要的作用。通常而言，基坑穩定性驗算主要包括：整體穩定驗算、抗隆起穩定驗算以及地下水滲流穩定驗算，下面分別對其進行簡要介紹：

2.3.1基坑整體穩定驗算

（1）邊坡穩定分析。針對放坡開挖予以相應的邊坡穩定分析，通常使用的方法為在極限平衡理論基礎上的條分法，這一方法在力學理論上是超靜定的，需要對條間里予以多種假定?？梢詫⑦吰路€定安全系數表示為：

（2）坑底有軟弱夾層土坡穩定分析。如果基坑底部存在博軟弱夾層時，基坑邊坡非常可能會隨著負荷滑動面予以滑動，其是由直線與圓弧所構成。負荷滑動面穩定性分析具有一定的復雜度，在實際工程操作中經常會使用簡化的方法予以分析。

2.3.2抗隆起穩定分析

①過去，通常使用根據承載力模式的極限平衡方法，對粘土基坑不排水條件下的抗隆起穩定予以分析。隨著科學技術的進步，近代數值分析方法也取得了不斷進步，當前有限元方法也已經應用于基坑抗隆起穩定分析之中。②極限分析方法是粘土基坑抗隆起的主要分析方法之一。極限分析理論是巖土工程應用研究之中的較新的一個領域，這一方法憑借其較為嚴格的塑性理論依據，取得了巖土穩定研究工作者的關注。極限分析理論之中主要應用的理論是極限分析上限理論。

2.3.3抗滲流穩定分析

據研究發現，軟土區域極少會出現管涌破壞情況，而更多的是流土破壞情況，就流土破壞通常要開展抗滲流穩定驗算，而抗滲流穩定性驗算通常需要滿足下列條件：

r' iyw

上述公式之中的y'與yw分別是土體浮重度以及地下水的重度；而i是指滲流出口位置的水力坡度。

3.砂性土地基超深基坑工程地下水控制

3.1地下水控制的必要性

隨著當前我國地鐵與高層建筑逐漸增多，基坑施工的深度也日益增加，尤其是城市地區，基坑降水已經變成有效確?；娱_挖安全的必要措施?，F在，由于地下水的不恰當處理導致的坑壁土體坍塌、坑底突涌、管涌以及流砂等基坑工程事故仍然有很多，所以基坑降排水技術仍然需要不斷的予以改進。除此之外，我國的水資源較為有限，單單追求降排水必然會導致水資源浪費，而且也會只是附近地面出現不均勻沉降等問題，因此，我們在采用基坑降排水措施時一定要遵循按需降水的相關原則，在滿足工程需求的條件下，使得地下水資源得以最大限度的節約。

3.2地下潛水控制

3.2.1止水

當前止水帷幕具有眾多的種類，主要包括：①普通水泥攪拌樁，這一攪拌樁的功率較為有限，極少在砂性土地基之中使用，通常用于僅有一層的地下室基坑之中；②三軸水泥攪拌樁，這一攪拌樁較之于普通水泥攪拌樁的功效大的多，而且處理的深度也較深，在當前工程之中的應用較為廣泛，其當前主要應用于2-3層地下室基坑的施工；③高壓旋噴樁，這一方法在過去的應用較為廣泛，由于其止水效果比三軸攪拌樁差，但造價卻較高，因此其應用呈現減少的趨勢，但是高壓旋噴樁的應用靈活性較高，適宜應用于堵漏的地方或者局部施工環境較差的區域；④地下連續墻，其當做止水帷幕具有較高的質量，但其造價也相對較高，通常應用于高于3層的地下室基坑施工之中。

3.2.2基坑降排水

現在應用的基坑降排水方法主要有三種，分別是：疏干降水、導滲法以及集水明排。降排水的作用主要包括：①避免基坑的坡面與地面漏水，確?；邮┕きh境的干燥性；②避免坑底或邊坡出現流砂，加大坑底與邊坡的穩定性；③有效增強基坑的穩定性與土體的抗剪強度。對開挖邊坡，能夠使得邊坡穩定性提高；對開挖支護，能夠通過降低主動區壓力而增加被動區壓力的方法降低壓力差，進而降低支護變形，使得支護體系的穩定性得以有效提高；④降低開挖土體的含水量，為開挖施工作業提供一定的便利。

3.3承壓水控制

3.3.1承壓水的危害

通常而言，砂性土地基之中的承壓水壓力是不大于覆土層自重應力的，但地基基坑開挖卻將這一狀態做出了改變，隨著基坑開挖深度的加深，承壓水含水層之上的覆土層自重應力會逐漸降低，就超深基坑而言，其開挖的深度常常達至數十米，這可能會致使承壓水壓力超過上覆層的自重壓力，在這一情況下承壓水會土坡上覆土層滲入基坑之中，導致涌土、突水或者涌砂現象的發生，這就是基坑突涌現象。由于基坑突涌突發性較強，會致使基坑圍護結構倒塌或受到嚴重損壞、對附近地下管道與建筑物造成破壞、坑外會出現大規模的地面沉陷，更甚者會致使施工工作者傷亡。因此，由基坑突涌所引發的工程事故的損失通常較大，而且無法挽回，產生的社會負面影響巨大，因此必須予以重視。

基坑突涌破壞模式主要包括：①圍護結構與隔水層交界處周圍在承壓水頭的影響下剪切應變超過體積應變，通常會導致剪切損壞；②在承壓水的影響下，隔水層向上隆起變形，其中基坑中央產生的變形最大，但是其隨水位的提升，最后導致剪切破壞與復合拉剪破壞；③含水層與隔水層界面位置的體積應變較高，通常會導致水壓楔裂作用的產生。

3.3.2承壓水的防治措施

通常而言，承壓水控制需要符合下面的兩個基本要求：①把控制承壓水位低于安全埋深；②按需降水，從而有效避免由于過量抽水而致使附近地面出現大面積的沉降。當前針對基坑承壓水的防治措施主要具有三種：分別是：封底法、降壓法與隔斷法。

結束語：

綜上所述，我們可知砂性土地基超深基坑支護技術對于當前城市地基支護建設具有非常重要的作用。隨著我國城市化進程的不斷加快，城市土地資源日益緊張，基坑的深度也不斷加深，因此發展深基坑支護技術具有非常重要的作用，對于沙性土地基超深基坑支護技術的而研究仍然需要相關人員進行不懈的努力。

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