基坑支护结构设计选型、事故的原因、 预防和加固处理方法及设计中的注意事项

陈建梅 孙庭宫 朱凌锋 潘登

现今国家对基坑工程越来越重视，对设计人员的素质要求越来越高，我国常用的基坑支护结构系统主要有重力式水泥土墙、土钉墙、支档式结构，按施工顺序有顺作法和逆作法施工。基坑破坏的形式主要有土体失稳破坏、支护结构强度破坏、土体渗透破坏。基坑人员应加强理解能力，提高施工图阅读能力,加强现场各类信息的发现、分析、判断归纳能力，以提高信息化施工的执行力。

因地下空间开发利用的需要，基坑工程越来越多，它是临时性的结构，它与永久性结构相比，安全储备小，风险较大，因地层、土岩的性质、地下水等的差异，使基坑支护工程的区域性和个案性较强。它与周边环境关系密切，且对其影响较大。

一、基坑结构的选型

基坑施工最简单、最经济的办法是放大坡开挖，但经常会受到场地条件、周边环境的限制，所以需要设计支护系统以保证施工的顺利进行，并能较好地保护周边环境。综合考虑安全等级、基坑深度、土类及地下水条件、环境条件等各方面的影响因素，目前我国常用的基坑支护结构系统主要有以下几种：

重力式水泥土墙，是一种刚性的挡土结构，多用于软土，深层搅拌法（双轴、三轴）或旋喷法施工，通常基坑开挖深度小于等于7米时适用，墙宽为0.7～1.0倍的开挖深度，多采用格栅式布置，计算时作为刚性结构（重力式）来进行计算。土钉墙支护结构适用于地下水位以上，自稳性较好的土层，埋深不是很大，土层变形控制的要求不严格，有较宽松的施工场地。土钉墙的优点是：结构轻，柔性大，有良好的延性，抗震性能好，对冻胀的适应性较强。施工设备简单，所需场地小，方便灵活，施工速度快。材料用量及工程量小，工程造价低（为其它类型支护三分之二至五分之四）。土钉墙的缺点是：基坑深度有限，土层变形及沉降不易控制。土钉墙可以与桩及止水结构锚索等组合成复合型土钉墙支护结构。排桩支护结构分为围护结构（排桩、地下连续墙）和支锚系统。围护结构桩的类型分为板桩(钢，钢筋混凝土预制桩)、钢筋混凝土桩（预制桩、现场钻孔灌注桩）、钢筋混凝土-素混凝土咬合桩、型钢水泥土搅拌桩（smw）。支锚系统分为内撑和外锚，内撑又分为水平（单向、双向、桁架式）、竖向（立柱）、竖向斜撑，及外锚:预应力锚索(锚杆)。它的优点是：适用于更深的基坑，能较好地控制土层的变形；较地下连续墙施工工艺简单，成本低，平面布置灵活。它的缺点是防渗及整体性不如地下连续墙。地下连续墙优点是刚度大，支撑能力强，基坑稳定性好，土层变形小，墙身防渗性好，坑内降水对坑外影响小，可作为地下室的外墙，缩短工期，降低造价。缺点是有废泥浆处理，粉砂地层中易坍壁，施工技术要求高，厚度具有固定的模数，不如灌注桩灵活。

按支护与主体结构的施工顺序可分为顺作法和逆作法施工，在新材料应用方面，目前有几种非金属复合材料，如碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等作为复合筋在基坑中的应用不断扩大。玄武岩纤维复合筋的特性是密度小，抗拉强度高，不生锈，耐腐蚀，与水泥混凝土结合性能好，电绝缘性、非磁性，可预制形状、可实现连续配筋，生产过程中不产生有害物质，环保性能好，脆性材料、可切断，价格较钢筋低。

二、基坑设计选型的原则

满足结构强度变形稳定性的要求，保证周围环境的安全，有较好的技术经济和环境效益，施工方便安全。设计人员可根据上述提了几种方案，精心选用或组合使用。基坑支护结构选型时，应综合考虑以下因素：（1）基坑深度；（2）土的性状及地下水条件；（3）基坑周边环境对基坑变形的承受能力及支护结构失效后的后果，有重要保护对象的基坑以变形控制贯穿整个设计过程；（4）设计方案需要适当的安全度。（5）支护结构施工工艺的可行性；（6）施工场地条件及施工季节；（7）经济指标，环保性能和施工场地的要求。

三、基坑破坏的形式

主要有土体失稳破坏、支护结构强度破坏、土体渗透破坏。土体失稳破坏，主要原因是开挖坡度过陡，土钉长度不够，桩（墙）入土深度偏浅，无法给土体提供足够的阻力，导致整体失稳破坏。支护结构强度破坏，主要是因支护结构强度不够，在土压力作用下发生破坏，进一步导致土体的破坏。土体渗透破坏，主要是因地下水的渗流导致管涌、流沙、承压水导致突涌等导致基坑土层发生破坏。基坑支护中土体、围护结构、降水系统组成了复杂又相互紧密关联的围护体系，破坏形式可能是这其中的一种或几种，随着时间的推移也会不断发生变化，它们相互制约又相互联系作用。

四、基坑工程事故的原因常常有以下几个方面

勘察方面的因素有：（1）岩土层位划分不细，不精确。预防措施是：交互层的分布与特征，应采用原位测试与钻探取样相结合的方法和手段，连续贯入的原位测试能准确查清地层纵向上的分布规律和微小变化准确查明土层的分布规律和变化，杂填土及碎石类土则采用动力触探。（2）天然地基土体是各向异性的，分布不均匀，所取的土样、获取的土层参数不能真正代表现场土层的实际情况。（3）土体的区域性强、对各种土体的土性特点的认识和把握不够。（4）缺乏具有针对性水文地质条件调查与分析，对因基坑开挖引起的工程地质与水文地质问题分析不足，工程建议无针对性甚至不合理。（5）勘察不仔细查明土岩结合面的部位、各结构面组合关系及软质岩开挖暴露后工程性能恶化对基坑稳定性的影响。（6）实际工作中很难做到，按照基坑外一倍至两倍范围布置勘探点。

设计计算理论的缺陷：常规设计方式法中采用经典土力学理论计算主动土压力和被动土压力，《建筑基坑支护技术规程》砂质粉土、碎石土、砂土采用水土分算，粘质粉土，粘性土采用水土合算，主动土压力在开挖面上下均采用三角形分布模式计算，但在基坑土方开挖过程中，由于降水、卸土等导致不同部位土体的应力路径完全不同，在基坑围护结构的设计过程中还无法考虑和体现这种变化。采用弹性抗力法，计算与实际符合与否取决于基床系数的选取，但此值很难定得精确。

施工因素：施工组织设计施工顺序不当，先挖后撑而不是先撑后挖，打桩后即开挖土方，开挖分层过大，施工机械行走振动过大、碰撞支护结构、基坑周围堆载或作为施工场地，在已完成的基坑内施工工人挖孔桩或冲钻孔桩形成临空面降低了被动区的主动土压力，施工质量低劣或方法不当导致支护结构，支撑结构强度不达设计，或嵌固深度不够导致失稳破坏。地下连续墙槽之间联结及垂直度达不到设计要求，相邻结构施工对本基坑施工影响因素等都会引起工程事故的发生。所以设计人员应加强对施工的技术交底，让施工人员从意识上重视基坑工程，按规范和要求施工，确保质量。

五、深基坑事故的处理

主要考虑削坡减载或堆载反压、加固与止水、降水、尽快浇筑混凝土垫层稳定周围地面土体、加强内支撑、加设锚杆土钉等几个方面进行补救。

六、基坑支护设计中的注意事项

（1）认真研读勘察报告，认真踏勘，充分了解工程地质资料和水文地质条件，有条件时可收集临近基坑的地勘及支护资料，对地勘有疑问处及时反馈给建设方和地勘单位，特别重视地勘报告中关于土层抗剪强度指标、承压含水层及水头高度等数据。（2）充分了解和掌握基坑周边的环境条件：主要包括既有建筑物的各项情况、各种既有地下管线、地下构筑物、道路、最大车辆荷载等。基坑开挖期内施工材料、施工设备等临时荷载的要求，雨期时的场地周围地表水汇流和排泄条件，还应注意地形图可能采用的不同的高程系统。（3）充分了解主体结构设计条件与施工条件。（4）正确地选用设计规范与标准、设计参数。（5）设计中要注意的几个细节:达到一定深度的坑中坑，应设置针对性的支护结构和止水帷幕，如有必要，还应做封底处理。立柱桩应结合坑中坑的实际挖深，施工栈桥及运输车辆行走路线等进行针对性的设计。受力不均衡、异常部位、圈梁钢筋应做加强处理。支护结构阳角部位，锚杆（索）、土钉出现交叉，易出现群锚效应，应在锚杆的长度、角度上采取一定的措施，同时加大阳角外侧拉板的范围，厚度和配筋，如有必要，可在靠拉板外侧增加适量的支护桩。（6）施工过程中注重技术服务：现场巡视，复核地勘资料、复核现场土方运输通道、出口位置等、把握围护体系、止降水体系施工质量等，不符合立即采取措施。

七、结语

作为基坑从业人员应加强理解能力，仔细研读勘察报告分析现场情况，排除潜在隐患。加强信息化施工的执行力，加强设计现场服务能力，加强施工现场各工序及施工条件的验收工作。扎实做好分内工作，并以更宽和更远的视野思考和理解基坑工程，稳步提高基坑工程认知与工作能力。