浅谈深基坑工程支护技术

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　　摘要：目前，各地基本建设中的各类建筑朝着高、大、深、重等方面的发展势头仍方兴未艾，可以预料，基坑开挖与支护技术的各个方面均将继续得到全面而深入的应用和推广。本文在总结基坑支护类型同时，对逆作法施工、SMW施工等施工工艺作了简要探讨。
　　关键词：深基坑工程；基坑支护；锚杆技术；SMW工法
　　深基坑工程在国外称为“深开挖工程”，这比称之为“深基坑”更合适。因为为了设置建筑物的地下室需开挖深基坑，这只是深基坑开挖的一种类型。深开挖还包括为了埋设各种地下设施而必须进行的深层开挖。深基坑工程问题在我国随着城市建设的迅猛发展而出现，并且曾是造成人们困惑的一个技术热点和难点。
　　城市中深基坑工程常处于密集的既有建筑物、道路桥梁、地下管线、地铁隧道或人防工程的近旁，虽属临时性工程，但其技术复杂性却远甚于永久性的基础结构或上部结构，稍有不慎，不仅将危及基坑本身安全，而且会殃及临近的建构筑物、道路桥梁和各种地下设施，造成巨大损失。从另一方面讲，深基坑工程设计需以开挖施工时的诸多技术参数为依据，但开挖施工过程中往往会引起支护结构内力和位移以及基坑内外土体变形，发生种种意外变化，传统的设计方法难以事先设定或事后处理。
　　1、基坑支护结构类型
　　随着高层建筑的发展，深基坑支护技术得到许多行业和部门的关注和积极参与，是一个非常活跃的技术领域，目前，关于深基坑支护结构的设计计算方法正在不断的完善和发展，就计算受力性质不同主要可归为3 类：重力式、悬臂式、支撑式。经过工程实践的筛选，形成了适合于不同地质条件和基坑深度的经济合理的支护结构体系。
　　水泥土搅拌桩和土钉墙是我国目前的5m 以内，后者乃至10m 以内首选的支护形式，土层条件好时，15m 左右基坑亦经常使用。前者既能挡土又能挡水，后者较多地应用于地下水位较低或者地下水位能够被疏干降低的场区。水泥土搅拌桩有好几种布置型式：实体式、空腹式、格构式、拱型或拱型加钻孔灌注桩，既可以浆喷也可以粉喷。土钉墙可以单独使用，也可以与其它支护型式联合使用。
　　对于5~10m 深软土基坑，常采用钻(冲、挖)孔桩、沉管灌注桩或钢筋混凝土预制桩等，并可作各种布置，如需防渗止水时，则辅之以水泥土搅拌桩、化学灌浆或高压注浆形成止水帷幕，有时亦用钢板桩或H 型钢桩。当基坑深度大于10m时，可考虑采用地下连续墙，或SMW工法连续墙，并根据需要设置支撑或锚杆。遇特殊结构物(如地铁盾构的工作井、排水泵站、取水构筑物等)则采用沉井或沉箱。在建筑物基坑中也有用沉箱的。
　　上述基坑支护体系选型完全是在近20 年中在大量的工程实践中逐渐形成的。它与国外及港台地区常倾向于采用地下连续墙有所不同。诚然，地下连续墙的优越性早已为世界公认。在大深度基坑和复杂的工程环境下非它莫属。唯其造价较高，需综合考虑。
　　2、支撑体系出现了多种型式
　　目前常用的支撑体系按其受力性能和形状大致可分为：单跨压杆式、多跨压杆式、双向多跨压杆式、水平桁架式、水平框架式、竖向斜撑、平面斜角撑、井字撑与斜角撑结合、大直径环梁与辐射状支撑相结合或与周边桁架相结合等；同时可充分发挥圆形、椭圆形、抛物线形和拱杆的力学性能，从中采用其中一种或多种形状相结合的形式。支撑体系出现了多种型式，可根据不同的基坑形状、平面尺寸、开挖深度、施工方法等需要，灵活地进行设计。上海虹桥万都大厦多边形基坑采用直径92.3m的环梁与周边框架相结合的支撑体系，是迄今国内最大的环形支撑体系。此类体系能将不均匀的径向土、水压力转化为环向压应力，使支护结构处于最佳受力状况，在限制土体变形方面也能获得最佳效果。为避免整个体系向上拱起而失稳，将整个体系设计成锅底形，使环梁的标高低于坑周圈梁。同时，对支撑体系的温度应力不能忽视。
　　3、锚杆技术
　　岩土锚杆是一种埋入地层深处的受拉杆件，它的一端与工程结构物相连，另一端锚固在地层内并通过对其施加预应力，以承受由土压力、水压力等所产生的结构拉力，以维持工程结构物的稳定。岩土锚固能充分发挥岩土能量，调用和提高岩土的自身强度和自稳能力，大大减轻结构物自重，节约工程材料，并能保证工程施工的安全与工程结构的稳定，具有显著的经济效益和社会效益。
　　工程实践中锚杆的结构形式很多，如按是否预先施加预应力分为预应力锚杆和非预应力锚杆；按锚固机理分为粘结型锚杆、摩擦型锚杆、端头锚固型锚杆和混合型锚杆；按锚固体传力方式分为压力型锚杆、拉力型锚杆、剪力型锚杆；按锚固形态分为圆柱型锚杆、端部扩大型锚杆和连续球体型锚杆等。锚杆技术以其能为基坑开挖提供较广阔的空间优势，在我国从北到南相继获得应用。自北京地铁西直门车站、北京京广大厦等及上海太平洋大饭店、上海展览中心北馆等分别在北京粉细中砂地层和上海饱和软粘土地层作了系统的测试研究后，各地对其施工工艺、材料选用，乃至拔除方法等又分别作了深入研究。上海、天津先后提出了二次注浆技术、干成孔注浆技术等，有利于在饱和软土中推广应用。近年施工有许多成功的实例。目前锚杆施工工艺领先于其设计理论。但因施工不当，在东北等地曾发生了若干起严重事故，应予重视。
　　4、逆作法施工技术
　　逆作法施工，以地面1 层楼面结构是封闭还是敞开，分为“封闭式逆作法”和“开敞式逆作法”。前者可以从地面上、下同时进行施工；后者上部结构不能与地下结构同时进行施工，只是地下结构自上而下逐层施工。
　　深基坑逆作法是指在地下基础施工的同时，还可以进行地上建筑物的施工，待上部建筑施工到若干层后，地下各层基础工程也全部竣工。逆作法一般适宜在城市内建筑高层时，周围施工环境比较恶劣，场地四周邻近建筑物、道路及地下管线，不能因任何施工原因而遭到破坏的场地条件下进行施工。基坑施工时，通过发挥地下结构本身对坑壁产生支护作用的能力，即利用地下结构自身的桩、柱、梁、板作为支撑，既稳妥又经济。深基坑逆作法由于其地下各层楼盖的强大水平刚度，对四周围护墙或桩的作用可以视作水平方向为不动铰支点，因此在所有的支护方法中其效果是最好的。
　　逆作法的工艺原理是：先沿建筑物地下室轴线(地下连续墙也是地下室结构承重墙)或周围(地下连续墙等只用作支护结构)施工地下连续墙或其他支护结构，同时在建筑物内部的有关位置(柱子或隔墙相交处等，根据需要计算确定)浇筑或打下中间支承桩和柱，作为施工期间于底板封底之前承受上部结构自重和施工荷载的支撑。然后施工地面一层的梁板楼面结构，作为地下连续墙刚度很大的支撑，随后逐层向下开挖土方和浇筑各层地下结构，直至底板封底。与此同时，由于地面一层的楼面结构已完成，为上部结构施工创造了条件，所以可以同时向上逐层进行地上结构的施工。如此地面上、下同时进行施工，直至工程结束。
　　但是在地下室浇筑钢筋混凝土底板之前，地面上的上部结构允许施工的层数要经计算确定。逆作法施工可缩短基坑开挖和支护结构大面积暴露的时间，改善支护结构受力性能，使其刚度大为增强，节省支撑或锚杆的费用，使支护结构的变形及对相邻建筑物的影响大为减少，从而使总造价降低，一举多得，是一种先进的施工作业方法。
　　5、SMW工法
　　劲性水泥土连续墙(SMW工法)是采用专用多轴搅拌机，就地钻进切削土体，同时从其钻头前端将水泥浆液注入土体，经反复搅拌和充分混合后，再将H 型钢或其它芯材插入搅拌体内，形成地下连续墙体。这种墙体具有止水性好、对周围环境影响小、无泥浆污染、施工速度快以及对地层适应性强等特点，在国内外得到广泛的应用。受力分析：SMW工法是在水泥土搅拌桩中插入受拉材料，通常为H 型钢。一般认为水泥土与型钢之间的粘结强度和混凝土与钢筋之间的粘结强度相比很小，因而很难认为水泥土与型钢是共同工作的。通常认为：水土侧压力全部由型钢独立承担，水泥土搅拌桩用于抗渗止水。不过试验表明，水泥土对型钢的包裹作用提高了型钢的刚度，可起到减少位移的作用。此外，水泥土还起到套箍作用，可以防止型钢失稳。优点：①劲性水泥土连续墙(SMW工法)具有无泥浆污染公害、对周边环境影响小、占用施工空间少、施工速度快、造价低等特点，适用于周边环境复杂、施工场地狭窄的基坑工程。②水泥土对型钢的包裹作用能够提高型钢的刚度，可起到减少位移的作用。此外，水泥土还起到套箍作用，可以防止型钢失稳。③水泥土搅拌桩对H 型钢变形的适应性较好，基坑计算变形在30mm左右时不会导致墙体大量开裂。
　　6、动态设计和信息化施工
　　深基坑工程是土体与围护结构体系相互作用的一个动态变化的复杂系统，仅依靠理论分析和经验估计是难以把握在复杂的开挖和降雨等条件下基坑支护结构和土体的变形破坏，也难以完成可靠而经济的基坑设计，因为这里存在着许多不确定因素，通过施工时对整个基坑工程系统的监测，可以了解其变化的态势，利用监测信息的反馈分析，就能较好地预测系统的变化趋势。当出现险情预兆时，可作出预警，及时采取措施，保证施工和环境的安全；当安全储备过大时，可及时修改设计，削减围护措施，通过反分析，可修改设计模型，调整计算参数，总结经验，提高设计与施工水平。
　　7、深基坑支护技术发展方向
　　20世纪90年代以来，基坑工程的设计和施工技术日益进步，不断涌现了多种符合我国国情的实用的基坑支护方法，而且使得基坑工程的设计理论、计算方法得到不断改进，施工工艺取得长足的进步。目前，各地基本建设中的各类建筑朝着高、大、深、重等方面的发展势头仍方兴未艾，可以预料，基坑开挖与支护技术的各个方面均将继续得到全面而深入的应用和推广，今后深基坑设计施工技术将可能会有如下发展：（1）根据基坑施工发展需要及我国综合经济水平的提高，将继续充实深基坑开挖、支护的施工队伍素质及装备，引进国外新技术，增加技术手段；（2）大力促进与推广动态设计和信息化施工技术，使之在开挖支护工程设计中成为设计指导思想的基调，用在变更改革岩土工程的总体设计构思；（3）深基坑开挖与支护问题对经典土力学理论提出了新的挑战，需要我们深入研究。

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