深基坑工程技术的发展

摘 要：近几年城市高层建筑不断涌现，而且向着更高、更复杂的趋势发展。建筑功能的多样化，建筑结构的合理要求和场地空间非常有限使得深基坑工程越来越多。论述了深基坑工程的支护技术与原理，深基坑工程的降水和监测，深基坑工程的发展状况和目前存在的问题，对深基坑工程的发展做了一些前瞻性的思考,对指导工程实践和学科新领域的探索有重要意义。
关键词：岩土工程；深基坑；支护；降水；监测
　　 随着社会的发展和城市化进程的加快，高层建筑已成为城市主要的建设项目之一，尤其在城市密集生活区，由于场地的限制，高层建筑的高度不断的增加，基础的埋深也不断加深，而且有建筑物与建筑物之间距离近、场地下方地下管线复杂、场地周边环境对基坑工程的影响明显的特征。房屋建筑、市政工程或地下建筑在施工时需开挖的地坑，即为基坑。一般认为深度在5m及以上或者地质条件复杂，周围环境和地下管线复杂，影响毗邻建筑物安全的基坑即为深基坑①。深基坑工程是一个综合性的岩土问题，有明显的区域性，已经成为近年岩土工程中建设的热点。目前，深基坑支护结构的设计计算仍基于极限平衡理论。而实际上基坑开挖后是一种动态平衡状态。随着时间的增长，土体强度逐渐下降，相当一部分地下的土体在工作荷载状态下仍处于小应变状态。Burland [1]认为，在工作荷载作用下垂直建筑物基础和深基坑周围的土体应变基本上要比0.1%要小，最大不超过0.5%。工程实践证明在设计中变形和时间效应必须给予充分考虑，但在目前的设计计算中却常被忽视。随着土工试验技术的进步以及先进监测技术的应用与计算机技术的普及，设计方法不断革新，施工工艺也日益完善，深基坑工程出现的问题也越来越复杂，迫切要求深基坑工程的理论研究与施工方法要进一步革新。
　　1 深基坑工程支护
　　1.1 支护技术原理
　　深基坑工程的支护是深基坑工程的重要组成部分，而一般的深基坑支护大多是临时结构，投资太大，易造成浪费，但支护结构不安全又势必会造成工程事故[2]。
　　深基坑支护结构的技术原理是依靠基坑中土层对进入土层的支护结构的水平压力与支护结构上部的拉锚或支撑提供的与水平压力方向相同的作用力来抵抗坑壁土和水产生的水平压力来保证坑壁土的稳定，限制坑壁土的变形，保证基坑开挖和基础结构施工能安全、顺利地进行。
　　1.2 主要支护型式
　　1）钢板桩支护系采用一种型钢板桩，利用打桩机沉入地下构成一道连续的板墙，作为深基坑开挖临时的挡土、挡水维护结构。钢板桩支护是一种施工简单，投资经济的施工方法，但是钢板桩自身的柔性很大，其变形的大小在很大程度上取决于支撑和拉锚的设置。一般深度大于7m的基坑不宜采用该支护类型。
　　2）深层搅拌桩支护（水泥土墙）是利用水泥或石灰等材料作为固化剂，通过深层搅拌机械，将软土和固化剂强制搅拌。利用固化剂和软土之间产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体。一般对于基坑深度小于6m，基坑边与用地红线的距离足够的工程，往往优先采用。
　　3）排桩支护是指以柱列式间隔布置钢筋混凝土桩作为主要挡土结构的一种形式。排桩支护有较大的侧向刚度，可有效的限制支护结构的变形。当基坑深度较大，或地基条件很差，采用单排结构不能满足结构强度或变形要求时，可采用双排桩支护。从结构上分析，双排支护桩如同嵌入土中的门式框架，与单排悬臂结构、内撑式维护结构相比具有施工方便，不用设置内支撑，挡土结构受力条件好等优点，在工程中得到应用广泛[3]。
　　4）地下连续墙支护是用特别的挖槽机械，在泥浆护壁的情况下开挖一定深度的沟槽，然后吊放钢筋笼，浇筑混凝土。地下连续墙支护体系最早在1950年开始应用于巴黎和米兰市的地下建筑工程。国内将地下连续墙用于城市深基坑支护结构最早的是广州白天鹅宾馆[4]。对于深度大于10m的基坑，该法有较好的经济性；维护结构要作为主体的一部分且对防水和抗渗有较严格要求时，或是采用逆作法施工时一般采用地下连续墙。超深基坑如30～50m，其他围护结构无法满足要求时也采用地下连续墙结构[5]。
　　5）土钉墙支护是一种原位土体加固技术，是以一定的角度和密度，一定长度置于土体的土钉杆件及注浆体为主要受力构件，与钢筋网和喷射混凝土面层共同组成的挡土结构，承受墙后土体的主动土压力，从而保持开挖面的稳定，这样的挡土墙称为土钉墙。土钉墙支护具有节约工期，简便易施工，工程造价低的优点。近几年出现的复合式土钉挡土墙结构已经能很好的应用到地下水位低的基坑支护当中[6]。工程实践证明，基坑深度小于10m，基坑安全等级为二级，且周边建筑物比较密集，工期要求紧时，采用土钉墙支护是既经济又有效的方法[7]。
　　6）锚杆支护所用的锚杆是一种受拉构件，整根锚杆在长度上分为锚固段和自由锻。锚固段是它在土中以摩擦力形式传递荷载的部分，其上部连接自由段，自由段仅把锚固力传递到锚头处，锚头是进行张拉和把锚固力锚定在结构上的装置，使结构产生锚固力[4]。锚杆支护结构是由挡土墙和锚固于基坑滑动面以外稳定土体的锚杆组成。特别适用于位移控制要求严格的基坑和超深基坑。锚杆支护结构是一种柔性支护结构。它能很好的与其他支护结构形式共同作用以达到支护的目的。
　　2 深基坑工程降水
　　深基坑施工过程中，为保证施工安全和减少基坑开挖对周围环境的影响，当基坑开挖深度内存在饱和软土层和含水层或下部承压水对基坑底板产生影响时，就需进行基坑降水。基坑降水可以防止基坑坡面和基底的渗水，保证坑底干燥，便于施工开挖。地下水位的变化会引起土颗粒有效应力的改变。剧烈的地下水位变化是地面不均匀沉降、基坑失稳及邻近建筑物破坏的直接原因。沉降规律受基坑支护结构、基坑宽度、开挖深度、地层性质等因素的影响。大量的监测数据表明，降水引起的地面沉降是一个缓慢的过程，沉降完成往往需要几个月时间。短期降水，在固结还未完成的情况下，地下水位就迅速回升，对地面沉降有影响但并不明显。地下水恢复后会造成沉降地面回弹，回弹量跟沉降量有关，但回弹量一般小于沉降量。因此，在降水后，采取回灌地下水的措施，能够补偿降水引起的沉降[9]。
　　深基坑降水方法:
　　1）在城市管网和建筑密集的地段，进行深基坑开挖，当降水引起土体固结沉降时，会危及周围建筑物和地下管道的安全和使用，宜采用截水的方法来控制地下水。国内外堵截地下水的方法有多种，如钢板桩、地下连续墙、防渗帷幕等。
　　2）降水法通常指采用各类井点降低地下水位的方法。在拟建的工程基坑周围埋设若干井点管，配置一定的抽水设备，在不扰动土的结构的情况下，不间断的抽走地下水，使基坑地下水降至设计深度。群井降水是深基坑开挖中经常采用的临时性降水方法。
　　3）帷幕-排水这种降水方案本身具有许多优越性。基坑设置的帷幕具有两方面的功效：一是防止基坑周边地下水向基坑内渗入，减少基坑内的排水量；二是起到支护基坑侧壁作用。该法能有效地控制由于基坑内降水引起的基坑周边地面沉降。
　　3 深基坑工程的发展趋势
　　在复杂的地质环境和周围环境限制条件下，深基坑工程支护设计与施工难度加大，对于采取多种支护型式的工程，其设计计算模型应如何建立、计算简图怎样选取、设计方法如何趋于正确，仍是当前多种支护结构设计中急需解决的问题。
　　深基坑支护结构的设计仍采用传统的“结构荷载法”。计算结果与深基坑支护结构的实际受力有较大差距，既不安全也不经济。由于土的本构关系尚在发展中，连续介质有限元法缺乏真实反映土的应力应变关系的模型，计算参数难以准确确定，还不能准确计算出支护结构及土体的位移，目前还没有得到广泛的应用[9]。国内外岩土工作者对探讨和建立动态设计体系已形成共识，许多学者已开始从事这方面的研究。
　　为减小深基坑工程带来的环境效应，如降水引起的地面附加沉降，或出于保护地下水资源的需要，有时基坑采用帷幕形式进行支护。除地下连续墙外，一般采用旋喷桩或深层搅拌桩等工法构筑成止水帷幕。目前，有将水利工程中防渗墙的工法引入到深基坑工程中的趋势[10]。
　　深基坑工程监测是深基坑工程施工过程中的一个重要环节，实现信息化施工能够将各方面信息及时反馈给基坑开挖组织者，根据预测判定施工对周围环境造成影响的程度。对基坑支护体系变形及稳定状态加以评价，并预测进一步挖土施工后将导致的变形及稳定状态的发展，制定进一步施工策略。
　　4 结语
　　深基坑工程是岩土工程的一个新的领域，由于地质的复杂性、受力状态的多变性、结构形式的多样性，构成了其自身的特殊性，给深基坑工程领域带来了新课题。笔者对深基坑的兴起和发展状况进行了分析，重点论述了深基坑工程的支护形式、深基坑工程降水及土工试验。对深基坑工程的发展趋势进行了展望。随着基坑支护理论水平的发展和计算机大型模拟软件的开发与应用，基坑支护的方法和监测手段会越来越先进，施工设备会逐步更新。在工程界和学术界的共同努力下，深基坑工程技术一定会出现新的突破。

参考文献：
[1] Burland J B. The Ninth Bjerrum Men. Lecture：Small is beautiful-the stiffness of soils at Small trains[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1989,26:499-516.
[2] 董明刚,杨峰.我国深基坑工程的现状和有待解决的问题[J].建筑技术,2004,35（5）：328-331.
[3] 龚晓南,高有潮.深基坑工程设计施工手册[M].中国建筑工业出版社,1998:187-188.
[4] 陈万立.深基坑在我国的发展现状及主要支护方式[J].工程与建设,2009,23(3):387-388.
[5] 牛占莲,黄青,孟祥磊.地下连续墙浅析[J].山西建筑,2009,35(14):106-107.
[6] 杨伟红.关于止水型复合土钉墙支护技术的探讨[J].施工技术,2011（9）:205-206.
[7] 万瑞霞,杜永峰.土钉墙技术在湿陷性黄土地区深基坑支护中的应用[J].四川建筑,2011，31(4):127-128.
[8] 阮高,史卫国.降水引起的深基坑变形分析[J].中国科技信息,2011,10(1):83-85
[9] 胡霖荣.谈论建筑工程深基坑支护技术[J].施工技术,2011（8）:142-143.
[10] 周雁钟.深基坑支护技术在地基施工中的应用[J].施工技术,2011（9）:191-192.

① 引自中华人民共和国建质[2009]87号《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》一文.