我国基坑工程发展现状综述

2010-04-09孙静

黑龙江大学工程学报 2010年1期

孙静

(黑龙江大学建筑工程学院,哈尔滨 150080)

随着城市建设的发展,高层建筑和市政工程大量涌现。有限的城市地面空间已不能满足人们日益增长的工作和生活的需要,于是人们开始向高空和地下寻求发展空间。目前,各类地下工程诸如越江隧道、地下商场、地下民防等已随处可见。国外著名的地下工程有法国巴黎的中央广场,日本东京的八重洲地下街等。这些工程的共同特点是都要进行大规模地下开挖,必然导致大量的基坑工程产生[1]。基坑工程是一个古老而具有划时代特点的综合性的岩土工程课题,既涉及土力学中典型的强度和变形问题,又涉及到土体与支护结构的相互作用问题。对于这些问题的认识及其对策的研究,将随着土力学理论、计算技术、测试技术以及施工机械、施工技术的发展而逐步完善。

1 基坑工程发展现状

早在20世纪40年代,Terzaghi和Peck等人就已经开始研究基坑工程中的岩土工程问题并提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法,这一理论一直沿用至今,只不过有了许多改进与修正;50年代Bjeruum和Eide给出了分析深基坑底板隆起的方法;60年代开始在奥斯陆和墨西哥城软黏土深基坑中使用仪器进行监测,此后大量的实测资料提高了预测的准确性,并从70年代起产生了相应的指导开挖的法规。在以后的时间里,世界各国的许多学着都投入研究,并不断地在这一领域取得丰硕成果。90年代以来,随着城镇建设中高层及超高层建筑的大量涌现,深基坑工程越来越多,同时密集的建筑物、复杂的深坑形式,使得基坑开挖的条件越来越复杂。因此,对基坑开挖与支护的计算与设计理论、施工技术等的要求也越来越高[2]。

基坑工程在我国出现较晚,20世纪70年代,国内只在少数大工程项目中有开挖深度达10 m以上的基坑工程,而且是在较少或者没有相邻建筑物和地下结构物的地区。80年代以来,我国首先在北京、上海、广州、深圳等大型城市大量兴建高层建筑,而高层建筑多数带有地下室,基坑支护工程随之剧增,基坑支护设计、施工与监测成为基础工程中的新热点。90年代以后,大多数城市都进入了大规模的旧城改造阶段,在繁华的市区内进行深基坑开挖给这一古老的课题提出了新的内容,那就是如何提高深基坑开挖的环境效应问题,从而进一步促进了深基坑开挖技术的研究与发展,产生了许多先进的设计计算方法,众多新的施工工艺也不断付诸实施,出现了许多技术先进的成功的工程实例。但由于基坑工程的复杂性以及设计、施工的不当,工程事故的概率仍然很高[3-4]。

基坑支护技术在我国相对较年轻,无论是设计计算,还是施工、监控等方面都处在不断进步和发展的过程中。我国基坑工程的特点可以概括为“深、差、密、多、低”5个字,亦即我国的基坑越挖越深,工程地质条件越来越差,四周已建或在建建筑物密集或紧靠市政公路,基坑支护方法多,但是支护的成功率低。因此对于基坑工程还应进行精心设计与施工,提高对支护结构的要求,而且在建筑物稠密地区更应注意对于环境的保护,这样一来,虽然工期和施工费用均要提升,但是工程质量与安全性却可以得到相当的保证。

基坑工程分类较多,按照施工工艺大体分为放坡开挖及支护开挖两大类。放坡开挖既简单又经济,一般在条件具备时优先选用,但目前深基坑工程大多是在市内修建,基坑较深而场地往往又比较狭小,不具备放坡开挖条件,通常均采用有支护开挖。迄今为止,支护开挖型式已经发展至数十种,主要包括悬臂支护、内支撑或拉锚支护、组合型支护等。支护结构最早用木桩,现在常用钢筋混凝土桩、地下连续墙、钢板桩以及通过加固改良基坑周围土体的方法形成水泥土挡墙和土钉墙等[5]。

2 基坑支护类型

基坑开挖的一个重要内容就是要保护其周边构筑物的安全使用。如何安全、合理地选择合适的支护结构并根据基坑工程的特点进行科学的设计是基坑工程要解决的主要内容。基坑支护类型有很多种,常见的有水泥土墙、土钉墙、锚杆、排桩与地下连续墙等[6],以下简单介绍这几种常用的支护类型。

2.1 水泥土墙工程

水泥土墙是重力式支护结构的主要形式,主要包括水泥土搅拌桩和高压喷射注浆法两种。

水泥土搅拌桩是以水泥作为固化剂的主剂,通过特制的搅拌机械边钻边往软土中喷射浆液或雾状粉体,在地基深处就地将软土和固化剂强制搅拌,由固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学作用,形成抗压强度比天然土强度高得多,并具有整体性、水稳性的水泥加固土桩柱体,由若干根这类加固土桩柱体和桩间土构成复合地基。水泥搅拌桩适用于加固各种成因的软黏土,能够增加软土地基的承载能力,同时减少沉降量,提高边坡的稳定性。

高压喷射注浆法是把注浆管放入预定深度后,通过地面的高压设备使装置在注浆管上的喷嘴喷出20～40 MPa的高压射流冲击切割地基土体,与此同时,注入浆液使之与冲下的土强制混合,待凝结后,在土中形成具有一定强度的固结体,以达到加固改良土体的目的,增强地基强度。主要适用于软弱土层,如第四纪的冲积层、残积层以及人工填土等,这些正是建筑物地基常出现病害,需要进行地基处理的地层。

2.2 土钉墙

土钉墙技术是在基坑边壁土体中放置一定长度和分布密集的土钉,土钉与周围土体紧密结合共同工作,形成复合土体,提高了土体的整体刚度,弥补了土体自身强度的不足,从而显著提高基坑边坡的整体稳定性。土钉墙由土钉、混凝土面层和防水系统组成。主要适用于土质较好地区,我国华北和华东北部一带应用较多,目前我国南方地区亦有应用,有的已用于坑深10 m以上的基坑,稳定可靠、施工简便且工期短、效果较好、经济性好、在土质较好地区应积极推广。

对于具有高血压等基础疾病患者控制好血压，对照组患者采取血塞通治疗：250ml 5%葡萄糖溶液（无糖尿病患者）或0.9%氯化钠溶液（糖尿病患者）加入400mg注射用血塞通中，多患者静脉滴注治疗，每日1次。观察组在此基础上加入复方丹参滴丸：10丸/次，3次/d，治疗15d为一个疗程。两组患者均治疗一个疗程，治疗结束后比较临床疗效。

2.3 锚杆工程

锚杆支护是一种较新的深基坑支护技术,是挡土结构与外拉系统相结合的一种深基坑组合式支护结构。锚杆是一种受拉杆件,它的一端与工程结构物或挡土桩墙联结,另一端锚固于地基的土层或岩层中,以承受结构物的上托力、拉拔力、倾侧力或挡土墙的土压力,它利用地层的锚固力维持结构物的稳定,锚杆主要由锚头、锚拉杆、锚固体3部分组成。目前锚杆的施工长度可达50 m以上,在黏性土中抗拔力可达1000 kN,被锚固的挡土墙可达40 m以上。锚杆作为一项新技术,它是施工走在前头,设计理论落在后面,即施工工艺领先于其设计理论,目前在很多方面主要凭经验取得成功,因此它还有待于理论上的完善。

2.4 排桩与地下连续墙

排桩墙支护体系,是由桩排式围护墙或地下连续墙组成的围护墙、支撑体系、防渗结构所构成的防水挡土体系。支护墙体的主要形式有:钢板桩、钢筋混凝土板桩、H型钢木挡板、钻孔灌注桩、SMW支护结构和地下连续墙。

钢板桩是一种施工简单,投资经济的支护方法,它由钢板桩、锚拉杆(或内支撑、锚碇结构、腰梁等)组成。由于钢板桩本身柔性较大,如支撑或锚拉系统设置不当,其变形会增大。基坑深度7 m以上的软土地层,基坑不宜采用钢板桩支护,除非设置多层支撑或锚拉杆。钢板桩适用于柔软地基及地下水位较高的深基坑支护,施工简便,其优点是止水性能好,可以重复使用。

钢筋混凝土板桩是一种传统的支护结构,截面带企口有一定挡水作用。钢筋混凝土板桩施工方便,速度快,打桩后可立即开挖,工期短,与地下连续墙相比较造价低,经济效果显著。其支护强度高、刚度较大、变形小,打桩时的振动,挤土及噪声对周围环境影响较大,因此不适合在建筑物及地下管线密集的区域使用。接头外企口具有一定的防水效果,但在高水位软土地区,仍需注意防止接头处漏水所引起的水土流失,在硬土层中打设施工困难,不适合使用。

H型钢木挡板是国内外常见的基坑支护结构,能充分发挥H型钢抗弯能力强的特点,减少所需支撑或拉锚道数。适用于土质较好、不需抗渗止水或是地下水位较低的基坑,如果在含水地层中使用时,需要采用人工降低地下水位或配合明沟排水,保证施工作业面的干燥环境,对水土流失的封闭作用差,需采取隔水降水措施。由于该种支护墙体形式基底以下无挡板,必要时需采取措施保证基底稳定性。

钻孔灌注桩将单个桩体并排连续起来便可形成排桩式挡墙,施工工艺简单、成本低、平面布置灵活,墙身强度高,刚度大,支护稳定性好,变形小,但整体性差,在地下水位较高的地区不能单独起到挡水的作用,需设置挡水帷幕墙来挡水。适用于软黏土质和砂土地区,在砂砾层和卵石中施工困难,在重要地区、特殊工程及开挖深度较大的基坑中应用时特别需要慎重。

SMW支护结构是在水泥搅拌桩内插入H型钢或其它种类的受拉材料,形成支护和防水的复合结构,在日本称为SMW工法,同时具有受力和防渗两种功能。在日本结合多道支撑已经应用于开挖深度达20m的基坑,近年来我国国内开始将其用于开挖深度在6～14 m的基坑支护。它施工时噪声小,对周围环境影响小,结构强度可靠,凡是适合应用水泥搅拌桩的场合都可以使用,特别适合于以黏土和粉细砂为主的软土地层,挡水防渗性能好,不必另设挡水帷幕。如果能够采取一定施工措施成功收回H型钢等受拉材料,在费用上则大大低于地下连续墙,具有较广阔的发展前景。

3 基坑工程存在的问题

基坑工程与其隶属的岩土工程学科一样,是实用性,经验性极强的学科,是随着工程实践不断提高的学科。近些年的工程实践已经证明,在基坑工程这一领域,我们取得了许多值得骄傲的成就,但是也必须承认同时出现了很多工程事故。造成基坑事故的原因很复杂,唐业清等曾对103项深基坑工程事故的原因进行调查,统计结果表明,其中由于深基坑设计失误、水处理不当、结构和基坑失稳事故,占总事故的80%,其所造成的经济损失也相当严重[7]。目前基坑存在的问题大体可表现在两个方面:①设计阶段存在的问题;②施工阶段存在的问题。

设计阶段存在的问题主要是基坑工程结构选型不合理。基坑支护及撑锚方法较多,为了达到同一目的,可以有多种方法,而每一种方法都有其独特的优点,有的速度快、有的投资少、有的噪音小等[8]。我国土地辽阔,自然地理环境不同,土质各异,地基条件区域性较强,在选择建筑场地时,应尽量选择地质条件良好的场地从事建设。除地基土类别的不同外,地下水位的高低、土的物理力学性质指标以及周围环境条件等,都直接与支护结构的选型有关。

施工阶段存在的问题:①基坑施工中地下水的处理不当。基坑施工中,地下水的处理是一个难点,因土质与地下水位的差异,基坑开挖施工的方法也随之不同,尤其是在沿海等高水位地区或者表层滞水很丰富的地区,深基坑工程施工中地下水的处理是整个工程成败的关键[8]。降低地下水位可能引起地面沉降,对环境造成不良影响,尤以深井降水影响最大,在很多失败的深基坑工程中,有很多是因为基坑施工中地下水的降排水没有处理好。唐业清等[7]曾对103项深基坑工程事故的原因进行调查,其中仅水处理不当就占总事故的21.4%;②信息化施工的程度不高。信息化施工是一项很有发展前途的新技术,具有代价小成效大的优点,安全监测是深基坑工程安全的重要保证条件之一,基坑监测与工程的设计、施工也被称为深基坑工程施工的三大基本要素。基坑工程在发生事故前或多或少都有预兆,因为基坑工程支护结构的破坏要经历一个由量变到质变的过程,通过信息化施工可以不断地优化设计方案,确保基坑开挖安全可靠而又经济合理[8]。

我国地域广阔,土层变化大,同时建筑物密集、地下管线众多、交通网络纵横、环境保护要求较高,给基坑工程设计和施工带来很多困难。因此,进行基坑工程的设计和施工要结合具体情况,因地制宜,不能生搬硬套,否则会带来严重后果。