深基坑支护结构施工中的安全度和变形控制

原俊杰

(中铝国际(天津)建设有限公司山西铝基地分公司，山西河津 044000)

0 引言

深基坑支护结构施工早期考虑的仅是深基坑本身施工的安全，也就是它在施工过程中的设计安全度控制;随着基坑范围和深度的扩大，深基坑对周边环境的影响越来越明显，周边建(构)筑物、管线、道路沉降、断裂造成的损失也越来越大，保护周边环境设施的变形控制越来越重要，深基坑的特殊性和事故突发性，使得设计和施工过程均需从不同角度进行支护结构的安全度控制和变形控制。

1 深基坑支护结构在施工过程中的控制要求

基坑支护结构应满足的功能要求是:1)保证基坑周边建(构)筑物、地下管线、道路的安全和正常使用。2)保证主体地下结构的施工空间。基坑支护结构工作的极限状态有两种:一种是超过承载能力(包括抗剪切、抗倾覆、抗滑移、抗弯矩能力)极限状态的破坏状态;另一种是超过正常使用极限状态的失效状态。分别对应安全度控制和变形控制。在深基坑工程中，支护结构变形超过一定程度，即超过规定的正常使用极限状态，安全度控制是防止超过承载能力极限状态的基坑支护结构断裂、倾覆、滑移、垮塌失稳;变形控制是防止超过正常使用极限状态时导致基坑周边建(构)筑物的不均匀沉降、地下管线断裂、道路塌陷等，一般情况，超过承载能力极限状态所造成的后果比超过正常使用极限状态更严重。在土质较好时，保护周边环境的允许变形较大，使得正常使用极限取值可以较大，深基坑支护结构以安全度控制为主，而在软土地区变形要求往往占主导地位，正常使用极限取值较小，设计和施工过程中不但要分清基坑支护结构控制的关键因素，对支护结构及周围环境的变形关系作出准确预测，而且有必要建立设计安全度控制与设计变形控制之间的关系，以便更好的进行施工过程的安全度控制和变形控制。

设计方案的安全度控制是设计计算的承载能力极限状态，即支护结构的抗剪切破坏、抗倾覆破坏、抗滑移破坏、抗弯破坏的极限状态值乘以一定的安全系数，使支护结构有一定的安全储备而达到安全的目的。而在施工过程中如何确保设计要求的安全度，满足设计要求、开挖支护时确保设计工况和根据实际基坑开挖后的状况同设计进行设计方案的循环改进，也就是协同设计实现动态设计，实现对设计安全度的验证、反馈和修改，使设计方案更加安全、经济合理、方便施工，是施工过程安全度控制的主要内容。支护结构的施工过程安全度控制和设计过程安全度控制从不同角度对支护结构安全可靠性进行了控制，施工过程安全度控制是以设计过程安全度控制为基础的，反映了设计的要求和工况，满足了设计循环改进需求，施工过程安全度控制使得设计过程安全度更加符合实际，更好的满足地下主体部分的施工、保护周边环境和降低基坑事故率。

设计和施工过程安全度控制的主要目的均是防止支护结构失稳，保证主体地下结构的施工有安全的空间，施工过程安全度控制可分为两个部分:一部分是支护结构强度控制，也就是支护结构本身施工质量控制，防止因其强度、刚度达不到设计要求而折断;另一部分是支护结构稳定性控制，主要控制周围环境地质、水文条件以及周边环境条件变化对支护结构稳定度的影响，涉及支护结构的平衡问题，以排除事故隐患，防止支护结构倾覆和滑移造成的失稳为控制目标。基坑的安全等级越高，如确定为一级时，就越需要更严格的控制。

早期的深基坑设计方案是以安全度为目的进行控制的，但由于城市内的深基坑周边紧邻建(构)筑物、市政管线、道路等，对周边环境影响越来越大，支护结构还没有产生失稳前，周边环境设施已因超过允许变形而损坏，造成了很大的损失;周边环境设施的损坏反过来造成了支护结构的更大变形或失稳，如周边上水、排水、污水管线的破裂;因而现在的设计方案更注重保护周边环境设施，施工过程同样需要重视周边环境设施的保护。

施工过程的变形控制主要以保证基坑周边建(构)筑物、地下管线、道路的安全和正常使用为主要目的，可分为两个部分:一部分是深基坑支护结构的变形控制，当然这个变形必须是在支护结构允许的变形范围内;另一部分是周围环境的变形控制，如周围建筑物、地下管线、道路等的允许变形控制，在施工过程中突出对周围环境变形的主动控制，减少单独对支护结构的变形进行被动控制的压力。这两部分变形量控制是一个相互影响的过程，一般情况下，设计确定的基坑安全等级越高时，周围建筑物、地下管线、道路等允许最低变形量越小，支护结构的变形量控制范围也越小，反之则较大;有时为了减小支护结构的变形控制难度，即增大支护结构的变形量控制范围，常采用隔离和加固的方法提高周围建筑物、地下管线、道路等允许的最低变形量范围。施工过程中根据现场实际对周边环境进行主动变形控制是减少深基坑风险和事故损失，较为经济实用的一种控制途径。

2 深基坑支护结构的安全度控制

2.1 支护结构强度控制

1)支护结构强度和刚度在设计方案中已初步确定，施工过程中支护结构的强度控制主要是进行支护结构的施工质量控制，防止因支护结构(包括桩、墙、支撑、锚固系统等)的强度、刚度不足引起支护结构破坏而造成基坑倒塌。

2)支护结构虽是临时设施，但其施工质量很重要，特别是关键部位的强度和刚度，是安全度和变形控制的基础。在动态设计中，设计方案最初确定的支护结构安全度一般较小，如果支护结构本身存在质量问题，控制过程的难度会加大，后期补救所需费用会成倍增加，即使在设计工况下严格控制开挖过程也将难以保证支护结构的安全度和变形要求，一旦因支护结构本身出现质量事故，不仅损失很大，事后纠正和补救比较困难;因而在施工过程中要重视支护结构本身的施工质量，确保支护结构施工质量也是深基坑施工过程预防控制措施的重要部分。

施工过程应按批准的专项施工方案进行施工，必须要有相应的地下连续墙、钻孔灌注桩、水泥土搅拌桩、高压旋喷桩、喷锚支护、桩锚支护、土钉墙等专项施工方案和相应的质量控制程序，确保按设计方案要求进行施工过程控制，施工质量的控制以支护结构施工过程中的质量通病为关键点进行控制，以减少质量通病，确保施工质量。

2.2 支护结构稳定性控制

支护结构稳定性控制指的是在实际工程地质、水文地质在基坑开挖产生变化的条件下支护结构的安全有效性控制，不仅与支护结构本身强度有关，还与支护结构外围工程地质、水文地质情况及其在施工过程中的变化有关，如因基坑土体的强度不足、地下水渗流作用而造成基坑失稳，包括基坑内外侧土体的整体滑动失稳;基坑底土因承载力不足而隆起;地层因承压水作用、管涌、渗漏等，导致基坑工程失稳破坏。因而支护结构稳定性控制是施工过程控制的重中之重。

目前，深基坑支护结构的设计的强度计算仍基于极限平衡理论，但支护结构的实际受力并不那么简单。工程实践证明，有的支护结构按极限平衡理论设计计算的安全系数，从理论上讲是绝对安全的，但有时却发生破坏;有的支护结构安全系数虽然比较小，甚至达不到规范的要求，但在实际工程中却满足要求。这与周围环境的影响是分不开的，这实际是基坑的稳定性控制问题没有处理好，不仅设计过程中要考虑支护结构的稳定性，施工过程中更要在获得实际开挖地质数据后协同设计考虑和处理好支护结构的稳定性，如果设计过程中没有处理好支护结构稳定性控制问题，存在的问题延续至施工过程中，就增加了在施工过程中进行稳定性控制的责任，对设计方案的动态设计需要认真配合，慎重对待。

虽然设计方案对支护结构的倾覆和滑移进行了充分考虑和验算，但在深基坑实际开挖过程中，实际的地质条件可能与原设计假定的地质条件有出入，开挖过程中改变了土体和周围地下水的状况，坑边堆载、动载的影响、外部雨水的影响，使基坑周边环境存在时空效应，基坑支护结构处于不断的动态平衡过程中，由于现场监测过程的滞后和不能获得反映实际状况较为全面的监测数值，在施工过程中不仅仅是按图施工，还必须强调和坚持程序施工、有针对性的预测预防、信息施工，根据开挖情况及时进行稳定性预测、实时监测，及时合理调整施工步骤，及时向设计反馈开挖实际状况，发现实际情况与原设计假设条件不一致、出现新的问题时，要及时与设计共同研究处理方案，较大的方案变化还要提交专家组讨论审查通过，以确保实际支护结构的安全有效性，即支护结构稳定性控制要确保支护结构体系不能留有后期难以补救的重大隐患和相应的防范措施不能缺失，对于在后期能及时补救和所需费用相对较小的实际问题，可以共同商定留置观察控制处理。在施工过程中尽量通过实际监测数据和施工观察经验的反馈为基坑支护的动态设计提供充分的依据，从而能优化设计，使支护结构设计达到安全、经济合理、施工便利的目的。

3 深基坑的变形控制

基坑开挖势必引起周围地基中地下水的变化和压力场的改变，导致周围地基土体的变形，对相邻建筑物、构筑物及地下管线产生影响，严重时危及到安全和使用，与此同时，大量土方运输、周边堆载、雨水浸入也会产生较大影响，深基坑变形控制的目的虽能保证基坑周边建(构)筑物、地下管线、道路的安全和正常使用，但在目前情况下，考虑经济原因，一般主要是控制基坑支护结构的变形控制，只有在周边环境变形处理能较节省费用或相关设施重要程度较高时，才考虑对周边环境设施进行隔离或加固处理。

一般情况下，深基坑的允许变形控制量是根据基坑的深度和周围建(构)筑物、地下管线、道路等承受变形能力的情况，由设计确定深基坑的安全等级和支护结构的变形量;而在施工过程中不仅需要按设计要求控制支护结构的变形量，而且要同设计确定周围建(构)筑物、地下管线、道路的允许变形量并随时监控。施工前不但要对围护墙体及周围环境的变形作出准确预测，而且有必要建立支护结构变形控制与周边环境变形控制之间的关系，通过提前预测和及时监控，进行积极主动的控制。

一般情况下，变形控制是在支护结构安全度控制的基础上进行的变形量控制，如果周边环境预测的允许最低变形量大于支护结构的实际变形量，可在对周边环境进行一定程度的监控情况下，实施深基坑的安全度控制即可。如果基坑较深或开挖面积较大，周边环境允许最低变形量较小，支护结构变形量难以满足要求时，或支护结构变形控制较难时，则需要对周边环境内的最低允许变形量的建(构)筑物或地下管线或道路采取加固、隔离措施，提高周边环境内的最低允许变形量，以降低深基坑变形控制的难度。

在深基坑开挖过程中，土体的含水率、内摩擦角和粘聚力三个参数是可变值，需要采用原位测试手段进行现场测试，如现场十字板剪切试验，协同设计共同确定现场的实际土体参数，进行支护结构参数的反分析计算，如发现问题应及时进行修正，以防止因支护设计方案问题使支护结构产生较大的变形。

一般深基坑周围环境复杂，场地条件差，随着基坑深度和面积不断加大，深基坑的变形控制越来越难。实际上开挖后的土体是一种动态平衡状态，也是一个土体逐渐松弛的过程，随着时间的增长，土体强度逐渐下降，并产生一定的变形，水的影响使深基坑的变形控制更加复杂。变形控制过程需要特别注重减轻水的危害性，把水的问题处理好，特别是高地下水位、砂质土地基，由于止水、截水、降水、排水不当或失效，造成周围地面、建筑物、管网等沉陷、变形、开裂等，处理好水的问题是变形控制的重中之重。

加强施工过程的监测控制，减少施工的盲目性，及时发现施工过程中的异常并预警，预测基坑及结构的稳定性和安全性及变形趋势，提出工序施工的调整意见及应采取的安全措施，保证整个工程安全、可靠推进。施工过程中变形监测的重点是:支护结构的测斜位移、邻近建筑物的沉降、倾斜和裂缝及发生时间和发展过程的监测;邻近构筑物、道路、地下管网设施的沉降和变形监测;基坑开挖后的基底隆起观测;地下水位监测;裂缝观测。目前的基坑监测还不能满足现场要求，可靠性低，要注意采用多项监测手段，利用发生事故前支护结构位移、受力、周边环境沉降、裂缝等都有变化的特点，使其监测结果能互相验证。同时需要有经验的工程师每天进行肉眼巡视，主要对地圈梁(帽梁)、邻近建筑物及邻近地面的裂缝、沉降和支护结构工作位移、流土、渗漏或局部管涌等不良现象的发生和发展进行检查、记录和分析，形成有效的监测系统，使工程设计和施工设计紧密结合，以达到保证工程和周围环境安全和及时调整优化设计及施工的目的。

解决好基坑周边堆载的问题，施工过程中基坑周边可利用的空间较小，迫不得已在基坑周边堆载，但设计方案没有考虑这些荷载，使得周边堆载常常不符合设计要求的工况，特别是有较大的动荷载时，更容易造成基坑支护结构的变形过大。解决这个问题需要将施工方案和设计方案相结合，或在设计方案阶段考虑施工过程中的实际堆载，或施工方案中控制周边堆载，满足设计要求和工况，总之设计和施工要紧密配合，及时在设计方案或施工方案确定前解决此类问题，不留隐患。

4 结语

深基坑支护结构安全度和变形控制是一个系统工程，施工过程的控制是实施、验证、修改设计方案，并优化设计的过程，也是判断施工方案是否合理、施工过程能否按设计工况实施、改进循环的过程，提前预测、预防、动态设计、信息施工是深基坑支护结构安全度和变形控制经济实用的方法，并且实施过程需要通过不断的循环改进才能降低深基坑风险，确保最终的施工质量。