不同深基坑围护方法稳定性分析

赵忠营

（上海建工二建集团有限公司，上海 200080）

目前，大型高层建筑和深层地下建筑的数量不断增加，这些建筑项目均采用了深基坑技术。在施工过程中，深基坑的安全稳定关系到工程项目的安全和工期[1]。考虑到地质结构的复杂性，即便是同一区域的地下土层也存在很多差异，需要更有效的围护结构和围护方法来确保深基坑的安全与稳定[2]。在深基坑技术不断发展的过程中出现了很多围护结构和围护方法，这些方法有不同的原理、特点和适用区域[3]。该文将对比分析3种常用的深基坑围护方法，针对华域汽车技术研发中心建筑工程项目和徐汇乔高综合体开发项目深基坑的实际问题找出更具稳定性的解决方案。

1 深基坑的界定及面临的主要问题

1.1 深基坑的界定

对高层和深层建筑来说，深基坑均具有十分重要的工程意义，它是项目正常施工和按时完工的重要保证。深基坑的安全性既和与其相邻的周边土壤和土层结构有关，也和承担安全保护和稳定性提升的围护结构有关。

一般满足以下3种情况之一的基坑为深基坑：1）从绝对深度上看，基坑的挖掘深度超过5m的为深基坑；2）基坑的挖掘深度小于5m，但基层挖掘区域的土层结构、地质条件和地下管线情况复杂且存在很多隐患的为深基坑；3）基坑的挖掘深度小于5m，但对周围临近的建筑物和工程项目存在直接安全影响的为深基坑。

1.2 深基坑面临的主要问题

深基坑面临的主要问题主要体现在设计阶段和施工阶段。

在设计阶段，设计人员的技术水平和实际工程经验会对深基坑产生重大影响。如果设计人员的技术水平较差、实际工程经验不足，会导致在设计过程中考虑问题不够全面、设计结果与工程现场的实际情况不符和设计图纸无法在施工现场有效转化的问题。

在施工阶段，施工现场环境的复杂性、非预期问题的突发性和施工人员的工程经验均会对深基坑产生重大影响。如果地质结构和地下管网过于复杂会导致施工困难，例如渗流等非预期问题的出现会对深基坑的进一步作业产生重大影响。如果施工人员的工程经验不足，可能会导致围护结构的安装和配置不合理，甚至会导致整个基坑出现坍塌。

2 3种深基坑围护方法的原理和特点

2.1 基于钻孔灌注桩的深基坑围护方法

该方法的思路为根据不同的土层结构来针对性地钻孔，在达到预定的孔径大小和孔长高度以后，将钢筋等桩芯植入孔中，再通过水泥和混凝土等材料的浇筑形成桩基。该方法的主要施工流程如下：1）桩位放样。根据施工要求的控制点位，设定关键轴线并形成控制网格，在这些位置放置标志物。确定桩位后，再借助水准仪等仪器测定桩高；2）植入护筒。通过护筒的植入可以确保桩位准确和孔口位置正确。该步骤的关键在于护筒的中心和桩位中心须一致；3）成孔清孔。该步骤在护筒内完成，利用钻孔机具完成钻孔。在确保孔径大小和孔径高度符合要求的情况下，清除孔内残土；4）植入钢筋和浇筑混凝土。该步骤是整个方法的最后一步，也最关键。钢筋植入的位置须准确，如果钢筋和孔壁发生碰撞，不能强行植入，须试探下放。混凝土浇筑须确保不出现大孔隙，浇筑速度须均匀。

在基于钻孔灌注桩的深基坑围护方法中，钢筋植入的示意图如图1所示。

图1 钢筋植入的示意图

2.2 基于地下连续墙的深基坑围护方法

该方法先采用泥浆制作护壁，然后沿着护壁方向、遵循设计基准轴线采用开槽机进行开槽。开出的槽须长且深，开槽完毕后须将槽内杂物清理干净，在槽内植入钢筋笼，再浇筑混凝土即可形成地下连续墙。连续墙可以防水和防渗，具有较好的承重功能。

从施工流程上看，地下连续墙围护方法须先准备施工现场，施工场地须通畅平整。其后在平整的土地上放线定标，在关键点位和轴线位置放置标志物，形成连续前制作的基准。护壁制作是地下连续墙围护方法的重要工序，护壁材料主要是泥浆。泥浆的制作流程如图2所示。

图2 泥浆的制作流程

开槽是地下连续墙围护方法的另一个重要步骤，基本原则是从槽端开始逐渐深入中间，在确保槽形的基础上达到尺寸要求。植入钢筋笼为该方法的核心步骤，须特别注意的是，钢筋笼要有足够的强度，钢筋横纵交汇处须通过焊接技术焊实，不能用简单的方法连接。

2.3 基于水泥原土连续墙的深基坑围护方法

该方法的思路为采用切割机械和钻头等深入土层内部，在到达预定深度后开始水平移动。在水平移动过程中，机械继续动作，边搅拌边输出水泥，使水泥和土层中的原有土质形成混合固化。最终沿着施工机械水平移动的线路可以形成一道连续墙。

从施工流程上看，基于水泥原土连续墙的围护方法首先须平整施工现场的土地，清理地下土层中可能埋设的管线。其后，在平整的场地上定制基准，形成施工关键点位和施工路线网格。最后，在起始位置挖出预埋穴，将切割机和钻头等放入预埋穴中。在施工机械连续的水平运动过程中，残土和废弃物被排除，水泥同步注入并和原土形成混合物，加入固化剂使水泥原土混合材料具有更高的强度和稳定性。

3 3种深基坑围护方法的稳定性分析

为了对比3种深基坑围护方法的稳定性，该文在上海市某项目的施工前期分别采用这3种方法进行试验，根据试验结果选择最适合该项目的围护方法。试验过程中，采用有限元分析方法对施工现场的土质结构和3种方法构建的围护结构进行模拟仿真。

在模拟仿真的过程中，为了能够形成3种围护结构的等价对比，需要对3种围护结构进行等高度转换。因为基于地下连续墙的深基坑围护方法和基于水泥原土连续墙的深基坑围护方法最后形成的围护结构均为地下连续墙，所以为了方便比较，将基于钻孔灌注桩的深基坑围护方法形成的围护结构也转换成等刚度的连续墙。

在转换过程中，假定钻孔灌注桩围护结构的桩直径为D，桩间距离的大小为t，转换后连续墙的高度为h，在转换为连续墙的过程中，应满足如公式（1）和式（2）所示的关系。

3.1 基于钻孔灌注桩的围护结构的稳定性分析

为了对比3种围护结构的稳定性，在有限元仿真环境下，分别绘制3种围护结构随着基坑深度增加水平位移发生的变化。基于钻孔灌注桩的围护结构的“基坑深度-围护结构水平位移”曲线如图3所示。

图3 基于钻孔灌注桩的围护结构的“基坑深度-围护结构水平位移”曲线

图3中，水平轴线为基坑深度，单位是m，可见仿真试验中设定基坑深度最大值为20m；垂直轴线为围护结构随基坑深度变化产生的水平位移，单位是m。试验过程中将基坑作业分为3个施工阶段，图中的3条曲线分别是施工第一阶段的曲线、施工第二阶段的曲线和施工第三阶段的曲线。

从图3中可以看出如下信息：1）在3个施工阶段中，基于钻孔灌注桩的围护结构的“基坑深度-围护结构水平位移”曲线是不同的。其中，施工第一阶段产生的水平位移最小，施工第二阶段产生的水平位移排位中间，施工第一阶段产生的水平位移最大；2）在施工的第一阶段，基于钻孔灌注桩的围护结构产生的水平位移在0.8mm～2mm线性变化，水平位移最大值出现在基坑深度6m位置处，达到了2.01mm；3）在施工的第二阶段，基于钻孔灌注桩的围护结构产生的水平位移在0.4mm～5mm线性变化，水平位移最大值出现在基坑深度8m位置处，达到了5.13mm；4）在施工的第三阶段，基于钻孔灌注桩的围护结构产生的水平位移在0mm～7.6mm线性变化，水平位移最大值出现在基坑深度10m位置处，达到了7.56mm。

3.2 基于地下连续墙的深基坑围护结构的稳定性分析

基于地下连续墙的围护结构的“基坑深度-围护结构水平位移”曲线如图4所示。

图4 基于地下连续墙的围护结构的“基坑深度-围护结构水平位移”曲线

在图4中，水平轴线为基坑深度，单位是m；垂直轴线为围护结构随基坑深度变化产生的水平位移，单位是m。

从图4中可以看出如下信息：1）在施工的第一阶段，基于地下连续墙的围护结构产生的水平位移在0.2mm～1.75mm线性变化，水平位移最大值出现在基坑深度6m位置处，达到了1.75mm；2）在施工的第二阶段，基于地下连续墙的围护结构产生的水平位移在0mm～4.2mm线性变化，水平位移最大值出现在基坑深度8m位置处，达到了4.2mm；3）在施工的第三阶段，基于地下连续墙的围护结构产生的水平位移在0mm～6.18mm线性变化，水平位移最大值出现在基坑深度12m位置处，达到了6.18mm；4）与基于钻孔灌注桩的围护结构相比，基于地下连续墙的围护结构的稳定性更好，随着基坑深度的增加，围护结构的水平位移减少。

3.3 基于水泥原土连续墙的深基坑围护结构的稳定性分析

基于水泥原土连续墙的围护结构的“基坑深度-围护结构水平位移”曲线如图5所示。

图5 基于水泥原土连续墙的围护结构的“基坑深度-围护结构水平位移”曲线

从图4中可以看出如下信息：1）在施工的第一阶段，基于水泥原土连续墙的围护结构产生的水平位移在0.2mm～1.69mm线性变化，水平位移最大值出现在基坑深度6m位置处，达到了1.69mm；2）在施工的第二阶段，基于水泥原土连续墙的围护结构产生的水平位移在0mm～4.1mm线性变化，水平位移最大值出现在基坑深度8m位置处，达到了4.1mm；3）在施工的第三阶段，基于水泥原土连续墙的围护结构产生的水平位移在0mm～6.03mm线性变化，水平位移最大值出现在基坑深度12m位置处，达到了6.03mm；4）与另外两种方法获得的围护结构相比，基于水泥原土连续墙的围护结构的稳定性最好，随着基坑深度的增加，其围护结构的水平位移最小。

4 结论

该文研究了高层建筑和深层建筑的深基坑稳定性问题。在研究过程中，提出3种获得深基坑围护结构的方法，分别是基于钻孔灌注桩的深基坑围护方法、基于地下连续墙的深基坑围护方法和基于水泥原土连续墙的深基坑围护方法。采用有限元软件进行了3种方法获得围护结构的稳定性分析，结果显示基于水泥原土连续墙的深基坑围护方法获得的围护结构具有最高的稳定性，在3个施工阶段，随着基坑深度的增加，其围护结构的水平位移均为最小。