深基坑工程特点及支护技术在我国的发展

葛恒毕

0 引言

随着大量高层、超高层建筑以及地下工程不断涌现,深基坑工程及支护设计与基坑开挖出现的问题也越来越多,深基坑支护工程引起了各方面的广泛重视。基坑工程是一门系统工程,既涉及土力学中典型的强度与稳定问题,又涉及变形土体与支护结构共同作用的问题,以及对周边建筑物、市政设施及环境保护等诸多方面。综合了工程地质,土力学,基础工程,结构力学,原位测试技术,施工技术及环境岩土工程等学科知识[1]。建筑基坑的设计与施工,其影响因素很多,工程地质情况,周边环境,施工技术,施工经验等无一不影响基坑的设计与施工。既要保证支护结构在施工中的安全,又要控制结构及其周边土体的变形,以保证相邻建筑及地下设施的安全。同时,在保证安全的前提下,又要经济合理,方便施工,缩短工期,这些对设计人员提出了很高的要求。

1 深基坑工程的特点

1.1 区域性和实践性

岩土工程区域性强,岩土工程中的深基坑工程区域性更强,如黄土地基、砂土地基、软黏土地基等工程地质和水文地质条件不同的地基中,深基坑工程差异性很大,即使是同一城市不同区域也有差异。由于岩土性质千变万化,而其地质埋藏条件和水文地质条件极其复杂,往往造成勘察所得到的数据离散性很大,精确度低,难以代表土层的总体情况。因此,深基坑开挖要因地制宜,具体问题具体分析,不能简单地完全照搬经验。

1.2 单一性和综合性

深基坑工程不仅与当地的工程地质条件和水文地质条件有关,还与基坑相邻建筑物、构筑物及市政地下管网的位置、抵御变形的能力、重要性以及周围场地条件有关。因此,对深基坑工程安全等级进行分类、对支护结构允许变形规定统一的标准是非常困难的,每一个工程都具有项目单一性,应结合施工场地实际情况具体问题具体分析。

深基坑工程涉及土力学中强度、变形和整体稳定、渗流等基本课题,往往需要综合处理。有的基坑工程土压力引起支护结构的稳定性问题是主要矛盾,有的土中渗流引起土体破坏是主要矛盾,有的基坑周围地面变形是主要矛盾。深基坑工程的区域性和个性强也表现在这一方面。同时,深基坑工程是岩土工程、结构工程及施工技术相互交叉的学科,是多种复杂因素相互影响的系统工程,是理论上尚待发展的综合性学科。

1.3 时空效应和环境效应

深基坑的深度和平面形状,对深基坑的稳定性和变形有较大影响。在深基坑设计中,要注意深基坑工程的空间效应。软土土体,特别是软黏土,具有较强的蠕变性。作用在支护结构上的土压力随时间变化,蠕变将使土体强度降低,使土坡稳定性减小,故基坑开挖时应注意其时空效应。

深基坑工程的开挖,必将引起周围地基中地下水位变化和应力场的改变,导致周围地基土体的变形,对相邻建筑物、构筑物及市政地下管线产生影响,严重的将危及相邻建筑物、构筑物及市政地下管网的安全与正常使用。施工过程中还会产生噪声和浮尘,土方及材料运输会干扰交通,对周围环境和居民生活都有较大影响。

1.4 大工程量和高风险性

由于深基坑开挖深度一般较大,工程量比浅基坑增加很多。降雨以及开挖土体暴露时间长,都对结构稳定不利。因此,抓紧施工工期,不仅是施工管理上的要求,它对减小基坑变形、周围环境的变形及减少事故都具有特别的意义。

深基坑工程是个临时工程,安全储备相对较小,因此风险性较大。由于深基坑工程技术复杂,涉及范围广,事故频繁,因此在施工过程中应进行监测,并应具备应急措施。深基坑工程造价较高,但一般为临时性工程,业主一般不愿投入较多资金,一旦出现事故,造成的经济损失和社会影响往往十分严重。

1.5 不确定性和事故率

土体内部物质成分、结构构造、强度特征、应力历史、物理力学性质以及环境、荷载条件等不同使得任一点土性都可能有较大的变异性,其所能提供的土抗力(基床)系数、抗剪强度指标存在很大的离散性;另外,采取土样受扰动而与现场土样不一致;仪器本身存在着一定的精度;统计样本数量少或统计方法本身存在不足,另外还有土性参数间的相关性等,这些因素都使得土性参数具有极大的不确定性。由于荷载传递机理、荷载间的相互叠加及扩散、力学模型的不足或人为的简化处理、地下水位变化、工程施工(基坑开挖、降水、周边堆载、施工机械行走等)导致作用在深基坑支护结构上的土压力和水压力处于不断变化中,有很大的不确定性。另外,还有支护材料参数和截面尺寸的不确定性等多种不确定因素。深基坑工程自身的许多不确定性,加之工程施工周期长,从开挖到完成地面以下的全部隐蔽工程,常常经历多次降雨、周边堆载、振动等许多不利条件,安全度的随机性较大,事故的发生往往具有突发性。据有关资料统计,深基坑工程事故的发生率一般约占基坑工程数量的20%,有的城市甚至占30%左右。

2 我国深基坑支护工程的发展

我国在20世纪80年代以前,高层较少,楼房高度较低,因此,开挖的基坑较浅,上海的高层建筑地下室大多埋深在4 m左右[2]。80年代以后,随着城市建筑业的发展,高层不断涌现,高层楼房的总高度不断增加,相应基础埋深不断增加。广州地下室较深的已建到4层～5层,基坑深约20 m[3]。由于城市化的快速发展,建筑空间愈来愈小,放坡施工这一传统施工方法已无法实现,特别是进入90年代以来,高层、超高层的快速发展,大多数城市进入了旧城改造的阶段。密集的建筑群,大深度基坑及基坑周围复杂的地下设施,如何控制深基坑的开挖支护,以及环境效应问题引起了各方面的广泛重视。基坑工程问题已成为我国工程界的热点问题之一。中国土木工程学会和中国建筑学会组织了大量的科研与研讨工作,促进了深基坑开挖技术的研究和发展,产生了许多先进的计算方法,众多新的施工工艺,武汉、上海、深圳、北京等地区相继编制了国家地方行业标准及有关法规[4]。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。

随着科技的发展和计算机的应用,先进的设计理论和测试技术不断地应用到建筑基坑工程中,室内外的调查和测试正在实现着自动化和半自动化,有效地减轻了劳动,提高了效率,建筑基坑的设计原则正从强度破坏极限状态向变形极限状态控制发展。

目前正向概率极限状态控制的方向发展,以便尽早与已经按照可靠性原则进行设计的上部结构设计方法相匹配。近年来,大功率、强动力施工机械和大型静动态测试仪器的问世,推动了深基坑工程理论和技术的迅速发展,新的基础施工法(如SMW工法等)相继问世。随着改革开放和经济建设高潮的兴起,许多城市正在进行新建、改建和扩建,特别是近年在沿海开放城市中,高层建筑的大量兴建和地下空间的逐步开发和利用,基坑工程设计和施工技术的开发和实践形成了近年国内岩土工程中建设的热点[5-7],多种形式的围护结构如排桩挡土,排桩与水泥土复合围护,水泥土搅拌桩支护,SMW工法以及地下连续墙等,已逐步打破了以前单一的板桩(钢板桩,混凝土板桩等)围护的模式而形成了多样化格局,呈现出前所未有的技术发展与国内更新的势头。

3 结语

随着大量高层、超高层建筑以及地下工程不断涌现,深基坑工程及支护设计与基坑开挖出现的问题也越来越多,深基坑支护工程引起了各方面的广泛重视。

深基坑工程包括基坑支护体系设计与施工,是一项综合性很强的系统工程。基坑工程具有很强的区域性和个性,支护体系承受的土压力也具有较强的时空效应。研究深基坑稳定性、支护结构的内力及变形、周围地层的位移对周围建筑物和地下管线的影响及保护的计算分析,以便采取安全经济的基坑支护方案,具有重要的理论意义和实际效益。

尽管深基坑工程具有综合性、复杂性、不确定性和风险性,在我国也出现了一些工程事故,但是与总工程量相比,事故率还是很低的,这与我国科研人员的科技攻关、施工人员的细心负责和管理人员的严格管理是分不开的。随着理论研究的深入,工程设备的革新,设计手段的完善,施工组织的规范,加上科学全面的行政管理,我国的深基坑工程的研究、设计和施工必将达到国际领先水平。

[1] YB 9258-97,建筑基坑工程技术规范[S].

[2] 高大钊.深基坑工程[M].北京:机械工业出版社,1991:1-32.

[3] 杨光华.深基坑支护结构的实用计算方法及其应用[M].北京:中国地质出版社,2004:1-34.

[4] SJG 05-96,深圳地区建筑深基坑支护规范[S].

[5] 余志成,施文华.深基坑支护设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社,1997:118-129.

[6] 黄 强,惠永宁.深基坑支护工程实例集[M].北京:中国建筑工业出版社,1997:76-147.

[7] 崔江余,梁仁望.建筑基坑工程设计计算与施工[M].北京:中国建筑工业出版社,1999:11-52.

[8] 朱新勇,周石喜.软土基坑开挖与支护施工技术[J].山西建筑,2008,34(4):151-152.