淺談深基坑支護技術在工程中的應用

徐承明 徐成賢

（1天水建筑設計院，甘肅 天水 741000；2甘肅能源化工職業學院，甘肅 蘭州 730046）

隨著我國科學技術的發展以及人民生活水平的不斷提高，我國城市化的進程不斷加快，為了滿足人們精神以及物質方面的需求，同時為了節省地上公共土地、充分利用地下空間，大量的地下工程以及高層、超高層建筑應用而生。這意味著與之相應的基坑開挖越來越深、越來越復雜。對超高層建筑而言，建筑高度越大時，對基坑的要求也越高，其埋置深度也就越深，對基坑支護的要求也越來越高[1]。隨著要求和難度的增加，隨之出現的問題也就越來越多、越來越突出，給人們的生命和財產安全帶來嚴重的威脅，因此在工程建設過程中應予以重視[2]。

為保證建筑基礎在開挖過程中形成的地下空間在結構施工過程中的安全性和穩定性做需要的擋土結構及施工過程中的地下水控制等措施稱為基坑工程，它是一門很強的綜合性學科，涉及土力學、結構力學、基礎工程、巖土工程以及監控、檢測等多學科問題[3]。基坑支護工程是一個很強的系統性工程，由擋土、支護、降水、挖土等許多緊密相關的子系統工程構成，是為了保證基坑施工以及周邊環境的安全，對基坑側壁及周邊環境采用的支擋、加固與保護措施，主要起到保證結構的穩定以及防止地下水的作用。它與基坑周邊的土體形成一個相互影響的支護系統，常常對周邊的建筑物、市政工程等產生一定的影響。這就要求在施工過程中除了對支護結構自身的變形進行監控外，還應對基坑周邊的建筑進行位移監控，以確保周邊建筑及地下相關建筑的安全可靠。

基坑支護還是一個風險很大的工程，隨著基坑開挖深度的增加，開挖的技術難度也越來越大，意味著所面對的風險也就越大[4]。近幾年，由于基坑支護形式設計不合理，基坑開挖過程中的違規操作和不當處理，造成了很多事故（見圖1），并造成了很大的損失。根據相關統計分析發現，基坑支護工程事故發生率較高，發生事故的基坑數量竟占基坑總數的1/4以上[5]。在基坑實際開挖過程中，如何防止基坑不出現坍塌等問題，防止結構發生失穩，已成為當前基坑工程有待解決的問題。因此，基坑支護問題已成為土木工程界的主要研究問題，有必要對基坑工程中的基坑支護技術進行分析與討論。

圖1 基坑坍塌實例圖

1 深基坑支護的特點

為了保證建筑的穩定性以及地下空間能夠充分利用，基礎都必須滿足一定的地下埋深嵌固要求。埋置深度往往與建筑高度成正比，即建筑物建筑高度越高，埋置深度越深。這已成為我國工程和高校研究人員研究的熱點問題，具有以下幾個特點[4，6]。

1.1 區域性

近年來，隨著我國建筑行業的快速發展，深基坑工程也得到了快速發展。深基坑工程是一個綜合性很強的巖土工程，不光涉及強度和變形問題，同時還涉及基坑支護結構與土體之間的相互作用問題。由于巖土工程本身具有很強的區域性，所以深基坑工程同樣也具有很強的差異性。隨著地基中巖土性質千變萬化，地質條件和水文條件的不確定性、復雜性和不均勻性，基坑工程表現出的差異性也很大，這將大大增加地質勘測的難度，不能得到具體的地質資料，難以代表地基中各土層的分布情況。因此，深基坑開挖與支護必須因地制宜，根據具體的基礎地質資料，具體問題具體分析。

1.2 復雜性

對于高層建筑結構而言，一般大多數都位于城市中心，建筑物眾多，交通基礎設施比較密集，且城市地下管線設施也比較復雜，這將給深基坑工程的施工帶來很大的難度，使得深基坑工程變得更加復雜，給基坑工程支護結構的設計與施工變得更加困難，不能形成統一的設計方法和施工技術。除此之外，隨著基坑所屬區域的不同，周圍的建筑、基礎設施以及地下管道各不相同，有時就是在同一區域，基坑內土層以及地下水的分布隨著深度的變化各不相同，對于地質情況較好的區域，由于承載能力等條件較好，其基坑支護的要求相對簡單一些，但如果所在地區地基承載能力較低，甚至還有地下水存在，這對基坑工程的支護體系的要求也更加嚴格，不僅要考慮支護結構與周圍土體之間的強度、穩定性等問題，還要考慮防滲等特殊問題。因此，在深基坑支護工程的設計和施工過程中，需要我們根據不同區域的不同地質特征，能夠具體問題具體分析，找到合理的解決辦法，以保證深基坑支護工程能夠順利有序地進行。

1.3 不確定性

深基坑支護工程是一個很強的系統性工程，涉及擋土、支護、降水、挖土等許多緊密相關的環節，凡是對各個環節有影響的因素都會對深基坑支護工程產生影響。除此之外，在深基坑支護機構施工過程中，作用與深基坑支護結構上的各種因素不是一成不變的，而是多種多樣，種類較多。主要歸結為以下幾個方面：一是基坑支護結構在施工過程中所受的外力不確定，隨著施工階段施工場地、條件、技術等因素的變化而發生變化。二是在深基坑開挖過程中，隨著開挖深度以及位置的不同，基坑周圍土體的土層往往不是均勻的，而是隨著深度的變化，土層的性質是逐漸變化的，這就使得基坑周圍土體對基坑支護的作用也不是一成不變的，而是隨著巖土性質的變化處于一個變化的狀態。除了上述兩種影響因素外，還有一些在施工過程中的突發情況，如施工環境的突然改變以及由于前期地質勘探不全面而發生的特變等，這些突發的情況都會對深基坑支護工程帶來一定的影響。

1.4 綜合性

深基坑支護工程是一個綜合性很強的系統工程，涉及很多的學科，例如巖土工程、結構工程、土力學、滲流理論、施工技術等，是多種復雜因素相互影響的系統工程。這就要求我們在深基坑支護工程中不僅要處理好巖土工程中強度、變形和滲流三者之間的關系，還要考慮支護結構在土層發生變形后對支護結構自身的影響。此外，影響深基坑支護結構施工和使用過程中的影響因素也是多種多樣的，例如地下水位、地質災害等。因此，在深基坑工程的施工和使用過程中，我們應綜合考慮各影響因素對基坑工程的影響，以免事故的發生。

1.5 多樣性

深基坑支護方式具有多樣性，對于同一基坑而言，即使基坑在地質情況相同的情況下也可以采用幾種不同的支護形式。根據既有研究發現，對于每一種深基坑支護方式而言，都有其特定的使用條件和使用范圍，且都具有一定的優缺點。在深基坑支護設計中如何選擇一種最合適的基坑支護形式成為工程設計人員重點考慮的問題，因為深基坑支護形式的合理選擇與準確計算不僅關系到支護結構自身的安全，還對深基坑周邊的建筑物也有很大的影響。因此，對深基坑支護技術在工程中的應用與研究是很有必要的。

2 深基坑支護技術在工程中的應用

近年來，隨著我國建筑行業的快速發展，傳統的鋼板樁加井點降水的支護方式已無法滿足深基坑支護技術的要求，深基坑支護方式也得到了快速的發展，種類也變得多種多樣的。目前，工程中采用的深基坑支護方式主要有重力式擋土墻支護、土釘支護、排樁支護、地下連續墻支護、內支撐支護以及預應力錨桿支護6種，各支護技術分別如下[4，7]：

2.1 重力式擋土墻支護技術

圖2 重力式擋土墻的應用

圖3 土釘墻支護技術的應用

重力式擋土墻是以擋土墻自身重力來維持支護結構在墻后土壓力作用下的平衡和穩定。重力式擋土墻可用塊石、片石混凝土、混凝土預制塊或混凝土來進行整體砌筑，使其墻后的土體保持穩定，不需要設置其他的基坑支護結構來滿足基坑的平衡和穩定。由于是一次性整體澆筑，所以具有較強的穩定性和整體性，且取材方便，施工簡單，因此，在國內外深基坑工程中得到了廣泛應用（見圖2）。由于重力式水泥土墻在施工過程中所需材料單一，取材方便，直接可以利用地基土和水泥來進行施工，對施工場地周邊的建筑和環境影響較小，施工過程不會產生噪音和空氣污染。在擋土墻中加入水泥不僅可以起到支護作用，同時還可以起到止水的作用。

根據大量實際工程經驗和研究表明，重力式水泥土墻的應用范圍比較廣泛，很適合用于較軟的淤泥和淤泥質土的基坑和開挖深度較淺的基坑工程，且對基坑的地基承載力有一定的要求。重力式水泥土墻在墻后土壓力的作用下，必須具有足夠的強度和穩定性。在設計時應驗算擋土墻在荷載作用下的滑動穩定性、傾覆穩定性以及地基承載力。且在承載力較小時，還應采用相應的工程措施，以此來保證結構的穩定性。

2.2 土釘支護技術

土釘在深基坑支護中的應用主要是在基坑側壁通過鉆孔，然后在孔內放入鋼筋，并沿孔道注入混凝土，待混凝土達到一定強度后，使鋼筋、混凝土以及土體之間形成一個整體，形成符合土體從而起到支護作用，從而形成支護體系。與其他深基坑支護方式相比，土釘支護技術具有操作簡單，施工方便，成本較低等優點。

由于土釘形式的種類較多，使其在深基坑支護中的應用較為廣泛（見圖3），對粘性土、粉土等地區的基坑支護均可使用。將土釘支護方式運用于深基坑支護時，應根據不同的地質情況和施工需求以及地下水的情況來選擇合適的土釘形式。不足之處在于土釘支護技術不適合在含水率較高的砂層、軟弱土層中使用。此外，對于變形有嚴格要求的基坑一般也不予使用。

2.3 排樁支護技術

排樁支護結構是將某種樁型按一定的布置方式組成的基坑支護結構，應用如圖4所示。根據排樁的成樁工藝和樁型，常用的樁型主要有鋼筋混凝土鉆孔灌注樁、挖孔樁、鋼型樁和鋼管樁等。在實際工程應用中，首先應根據具體工程的地質情況、施工方法以及環境保護等要求進行綜合分析，然后再確定采用何種樁型。此外，按照基坑開挖的深度以及支護結構的受力情況，排樁支護又可分為無支撐結構、單支撐結構、多支撐結構等。當基坑周圍建筑物較多而且較近時，應采用對土體擾動較少的排樁支護方案，且在施工過程中應嚴格控制土體的水平位移和沉降要求。在地下水位較低且土質較好的基坑支護過程中，可利用土拱作用，采用稀疏的鉆孔灌注樁或挖孔樁作為基坑的支護結構。在地下水位較高且土質較差的軟土地區，盡量不要采用挖空樁，可采用承載能力較好的鉆孔灌注樁，且應做好防水工作。

圖4 排樁支護技術的應用

圖5 地下連續墻支護技術的應用

2.4 地下連續墻支護技術

與其他深基坑支護技術相比，地下連續墻具有承載力好、整體剛度大、強度大、整體性好、對基坑施工場地的空間利用率較高以及防止水效果突出等優點，在深基坑工程中得到了廣泛的應用（見圖5）。目前，深基坑工程中采用的地下連續墻支護技術通常分為現澆地下連續墻和預制地下連續墻兩種。其中現澆地下連續墻是指采用專用機械設備現場成槽、現場制作鋼筋籠，并澆筑混凝土而形成的支護結構。預制地下連續墻通常采用工廠預制，現場裝配的施工方法來進行施工。與現澆地下連續墻相比，其大大節省了施工周期，不需要進行現場養護。

地下連續墻作為深基坑支護方式的一種，其優勢較為突出，除了可以承受較大的水平荷載，例如土壓力、水壓力等，還可以起到兩墻合一的作用，具有較高的經濟效益，即除了用作基坑開挖時基坑的支護結構，同時還可以作為地下結構的外墻。當基坑開挖深度過大時，一般的支護結構往往不能滿足要求，此時選用地下連續墻不僅可以滿足結構的安全性，還具有較高的經濟效益。此外，地下連續墻還具有很好的防止水效果，當開挖深度較大且遇到地下水滲流問題時，可優先采用地下連續墻作為基坑的支護結構。不足之處是地下連續墻支護體系所需的施工設備龐大，墻身厚度較大，造價昂貴。

2.5 內支撐支護技術

除上述幾種基坑支護方式外，內支撐支護技術在深基坑支護方式的一種，常和其他支護方式配合使用（見圖6，排樁+內支撐）。內支撐支護體系通常有內支撐系統和擋土結構兩部分構成，擋土結構通常用來承受背后土體的土壓力和水壓力，內支撐系統則是用來傳遞兩側擋土結構所受到的側向壓力。具有自重輕、施工方便、工期短和可以重復利用等優點。且在安裝后能立即發揮支撐作用，能有效地減少由于時間效應而引起的基坑變形。

圖6 內支撐支護技術的應用

2.6 預應力錨桿柔性支護技術

圖7 組成部分示意圖

圖8 預應力錨桿柔性支護技術的應用

預應力錨桿柔性支護體系作為深基坑支護方式的一種，是通過沿著基坑深度方向，設置一定間距的預應力錨桿來錨固基坑周圍的土體的一種支護方式，其組成部分如圖7所示，在工程中的應用如圖8所示。由于對錨桿施加了預應力，使得錨下承載結構和支護面層在基坑側壁形成強大的壓力場，減小了巖土沿潛在下滑面滑動的下滑力，從而實現了主動約束，增強了基坑的變形能力，提高了基坑的整體穩定性。具有工期短、支護深度大、安全性好、施工簡單等優點。不足之處是預應力錨桿需要地下施工場地外部的地下空間作為錨固區域，不適合基坑周邊地下建筑或地下管道較多的基坑工程。

3 深基坑支護類型的選擇

3.1 選擇依據

根據相關統計分析發現，基坑支護工程事故發生率較高，發生事故的基坑數量竟占基坑總數的1/4以上。通過對發生的事故進行調查分析，發現導致事故的最主要原因是因為基坑支護形式的選擇不合理造成的。支護方式的選擇不僅關系到邊坡的穩定，而且還必須滿足變形控制的要求。除此之外還必須保證基坑周圍建筑物、地下管道以及基礎設施等的安全。基坑支護最重要的首先是要保證周邊建筑等的安全，然后再充分考慮建筑物自身的安全。

如何從眾多的基坑支護方式中選擇有效、合理的支護方式是基坑支護設計的首要工作。應根據基坑開挖地段的地質條件、周邊環境的要求、經濟性、各個支護形式的特點以及相應的規范要求等，通過綜合評判來加以選擇，選擇的基本依據如下[8]：明確各個支護技術的優缺點和使用范圍；明確基坑的基本參數，例如尺寸、形狀、深度等；明確基坑支護結構承受的荷載，例如側向荷載、地面超載等；明確基坑開挖地段的工程地質資料，了解地下水分布情況等；明確基坑周邊地上和地下建筑、管道線路的分布情況以及其對變形等控制因素的要求等；明確基坑開挖以及排水等的方式；了解周圍已有基坑工程的地質情況和施工方法和施工經驗等；準確理解相應的規范要求等。

深基坑支護方式的選擇必須按照上述依據嚴格執行，在選擇時，還應根據具體的地質情況、施工條件和突發情況隨時變通，使最終的方案更加貼合實際工程。基坑地質情況較好且周圍建筑物較少時，可采用擋土墻或土釘墻支護形式。當周圍建筑物較多，對基坑的要求較高時，則應采用排樁或地下連續墻等支護形式。此外，當基坑開挖深度過大且地質條件特別差時，可選擇采用地下連續墻這種最強的支護方式。

3.2 選擇步驟

從深基坑工程的眾多特點中可以看出，深基坑支護工程是一個復雜的系統工程。在深基坑支護結構的選型過程中，需要我們根據不同區域的不同地質特征和基坑周圍環境的變化，能夠具體問題具體分析，找到合理的結構形式，以保證深基坑支護工程能夠順利有序的進行。甚至為了使深基坑支護方案達到最優，有時也會采用更為靈活的組合支護方案。通過國內外大量研究者對國內外基坑工程的研究[9]，發現深基坑支護方案的選擇應遵從以下流程(圖9)。

圖9 深基坑支護方式選擇步驟

4 結語

本文首先對深基坑支護工程進行了簡單的介紹與論述，指出了深基坑支護工程的工程特點。對各個深基坑支護方式進行了論述，并對每種支護方式的優缺點以及適用范圍進行了簡單的介紹。最后針對如何從眾多的基坑支護方式中選擇有效、合理的支護方式進行了討論，給出了深基坑支護類型選擇的依據和選擇步驟，為以后對深基坑支護選型提供一定的參考。