刍仪建筑工程施工中的深基坑支护设计

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　　摘要：随着近几年来的高层建筑的迅速兴起，促进了深基坑支护技术的发展。笔者结合多年工程实践，阐述了基坑支护的重要性，并对深基坑支护设计和施工中存在的问题进行了分析。
　　关键词：岩土工程；深基坑；施工；支护设计
　　前言
　　随着在各地的深基坑开挖和支护技术方面积累了丰富的设计和施工经验，一大批新技术、新结构、新工艺不断涌现。但是，现在的城市建筑间距很小，有的基坑边缘距已有建筑仅十几米、甚至几米，给基础工程施工带来很大的难度，给周围环境带来极大威胁，也相应地增加了施工工期和施工费用。另外，原来的深基坑支护结构的设计理论、设计原则、运算公式、施工工艺等，已不能满足深基坑开挖与支护结构的实际需要，导致一些基坑工程出现坍塌等事故，造成人员生命和财产的巨大损失。因此，对深基坑支护的安全问题，工程技术人员应予以高度重视。
　　1 基坑支护的重要性
　　目前，在建筑工程中基坑施工时，为确保施工安全，防止塌方事故发生，必须对开挖的基坑采取支护措施。建筑基坑支护设计与施工应综合考虑工程地质与水文地质条件、基坑类型、基坑开挖掘深度、降排水条件、周边环境对基坑侧壁位移的要求，基坑周边荷载、施工季节、支护结构使用期限等因素，做到合理设计、精心施工、经济安全。
　　2 深基坑支护设计中存在的问题
　　2．1 支护结构设计中土体的物理力学参数选择不当
　　深基坑支护结构所承担的土压力大小直接影响其安全度，但由于地质情况多变且十分复杂，要精确地计算土压力目前还十分困难，至今仍在采用库伦公式或朗肯公式。关于土体物理参数的选择是一个非常复杂的问题，尤其是在深基坑开挖后，含水率、内摩擦角和粘聚力三个参数是可变值，准确计算出支护结构的实际受力比较困难。
　　在深基坑支护结构设计中，如果对地基土体的物理力学参数取值不准，将对设计的结果产生很大影响。实验数据表明：基坑开挖前、后，土体的内摩擦角值一般相差5°，而产生的土体的主动土压力也不相同；而原土体的内凝聚力与开挖后土体的内凝聚力，则差别也大，一般在6kPa 以上，施工工艺和支护结构形式不同，对土体的物理力学参数的选取也有很大影响。
　　2．2 基坑土体的取样不具有代表性
　　在深基坑支护结构设计之前，必须对地基土层进行取样分析，以取得土体比较合理的物理力学指标，为支护结构的设计提拱可靠的依据。一般在深基坑开挖区域2～3 倍范围内，按相关规范的要求进行钻探取样。由于为了减少勘探的工作量和降低工程造价，不能钻过多钻孔；因此，所取得的土样有时就有一定的随机性和不完全性。但是，地质构造是复杂和多变的，这样取得的土样的数据不具代表性，因此不可能全面反映土层的真实情况。因此，引致支护结构的设计也就不完全符合实际的地质现状。
　　2．3 基坑开挖存在的空间效应考虑不周
　　深基坑开挖中大量的实测资料表明：基坑周边向基坑内发生的水平位移是中间大两头小。深基坑边坡的失稳，常常以长边的居中位置发生，这足以说明深基坑开挖是一个空间问题。传统的深基坑支护结构的设计是按平面应变问题处理的，对一些细长条基坑来讲，这种平面应变假设是比较符合实际的，而对近似方形或长方形深基坑则差别比较大。所以，在未进行空间问题处理前而按平面应变假设设计时，支护结构要适当进行调整，以适应开挖空间效应的要求。
　　2．4 支护结构设计计算与实际受力不符
　　目前，深基坑支护结构的设计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计算的安全系数，从理论上讲是绝对安全的，但却发生破坏：有的支护结构却恰恰相反，即安全系数虽然比较小，甚至达不到规范的要求，但在实际工程中却获得成功。
　　极限平衡理论是深基坑支护结构的一种静态设计，而实际上开挖后的土体是一种动态平衡状态，也是一个松弛过程，随着时间的增长，土体强度逐渐下降，并产生一定的变形。这说明在设计中必须给予充分的考虑，但在目前的设计计算中却常被忽视。支护结构设计时要考虑由于超孔隙水压力对土体的影响，对土的各项物理力学性质指标取值要慎重，为了使取值更加可靠，最好在工程桩结束后，对土体做原位测试，以取得第一手资料，积累经验，提高工程的设计与施工水平，预防和避免事故的发生.
　　 3 深基坑支护设计的改进方法
　　3．1 转变传统的设计理念
　　近十几年来，我国在深基坑支护技术上已经积累很多实践经验，收集了施工过程中的一些技术数据，已初步摸索出岩土变化支护结构实际受力的规律，为建立深基坑支护结构设计的新理论和新方法打下了良好的基础。但是，对于深基坑支护结构的设计，国内外至今尚没有一种精确的计算方法，目前仍处于摸索和探讨阶段。我国也没有统一的支护结构设计规范，土压力分布还按库伦或朗肯理论确定，支护桩仍用“等值梁法”进行计算，其计算结果与深基坑支护结构的实际受力悬殊较大，既不安全也不经济。由此可见，深基坑支护结构的设计不应再采用传统的“结构荷载法”，而应彻底改变传统的设计观念，逐步建立以施工监测为主导的信息反馈动态设计体系，这也是工程设计人员需要加强的科研攻关方向。
　　3．2 建立变形控制的新的工程设计方法
　　目前，设计人员用的极限平衡原理是一种简便实用的常用设计方法，其计算结果具有重要的参考价值。但是，将这种设计方法用于深基坑支护结构，只能单纯满足支护结构的强度要求，而不能保证支护结构的刚度。众多工程事故就是因为支护结构产生过大的变形而造成的，由此可见，评价一个支护结构的设计方案优劣，不仅要看其是否满足强度的要求，而且还要看其变形大小。鉴于工程实际，在建立新的变形控制设计法时，还应着重研究支护结构变形控制的标准、空间效应转化为平面应变和地面超载的确定及其对支护结构的影响等。
　　3．3 大力开展支护结构的试验研究
　　正确的理论必须建立在大量试验研究的基础上，但是，在深基坑支护结构方面，我国至今还缺乏系统的科学试验研究。一些支护结构工程成功了，也讲不出具体成功之处；一些支护结构工程失败了，也说不清失败的真实原因。在支护工程施工的过程中积累的技术资料很丰富，但缺少科学的测试数据，无法进行科学分析，不能上升到理论的高度，这是一个很大的缺陷。开展支护结构的试验研究（包括实验室模拟试验和工程现场试验）。虽然要耗费部分资金，但由于深基坑支护工程投资巨大。如经过科学试验再进行设计时，肯定会节省可观的经费。因此，工程现场试验是非常必要的。通过工程实践积累大量的测试数据，可对同类工程的成功打好基础，为理论研究和建立新的计算方法提供可靠的第一手资料。
　　3．4 探索新型支护结构的计算方法
　　高层建筑的飞速发展给深基坑支护结构带来一场技术革命。在钢板桩、钢筋混凝土板桩、钻孔灌注桩挡墙、地下连续墙等支护结构成功应用后，双排桩、土钉、组合拱帷幕、旋喷土锚、预应力钢筋混凝土多孔板等新的支护结构型式也相继问世。但是，这些支护结构型式
　　的计算模型如何建立、计算简图怎样选取、设计方法如何趋于科学，仍是当前新型支护结构设计中急需解决的问题。目前，深基坑支护结构正在向着综合性方向发展，即受力结构与水力结构相结合、临时支护结构与永久支护结构相结合、基坑开挖方式与支护结构型式相结合。这几种结合必然使支护结构受力变得更加复杂。所以，建立新型支护结构的计算模型和方法，已成为深基坑程设计技术的当务之急。
　　4 深基坑支护施工要点

　　4．1 地下水控制
　　地下水控制是基坑工程中的一个难点，因土质与地下水位的条件不同，基坑开挖的施工方法大不相同。有时在没有地下水的条件下，可轻易开挖到6m 或更深；但在地下水位较高，又是砂土或粉土时，开挖3m 也可能产生塌方。所以，对于沿海、沿江等高水位地区或表层滞水丰富的地区来说，深基坑工程的地下水控制的成败是基坑工程成败的关键问题之一。在基坑开挖中，降水排水及止水对工程的安全与经济有重大的影响，多数基坑工程事故与水都有直接或间接的关系。一般情况下软土地区地下水位较高，深基坑工程开挖时，为改善挖土操作条件，提高土体的抗剪强度，增加土体抗管涌、抗承压水、抗流砂的能力，减少对围护体的侧压力，从而提高基坑施工的安全度，往往对坑内、坑外采取降水。
　　目前，降水主要有轻型井点及多层轻型井点、喷射井点、深井井点、电渗井点等。但降水过程中，由于含水层内的地下水位降低，土层内液压降低，使土体粒间应力，即有效应力增加，从而导致地面沉降，严重时地面沉降会造成相邻建筑物的倾斜与破坏，地下管线的破。另外，在坑内降水时，如果降水深度过深，由于水位差增加，易出现管涌，造成工程事故。为此，施工决策前，需要了解施工中可能发生的各种情况及其危害程度，以便提出最佳决策方案，获得最佳经济效益及保障施工安全。为了防止由于降水引起的各类意外事故，可采取下措施：
　　（1）基坑四周设置的如果是不渗水挡土墙，可取消坑外降水；
　　（2）在坑外降水同时，在其外侧（受保护对象之间）同时进行回灌；
　　（3）尽量减少初期的抽水速度，使降水漏斗线的坡度放缓；
　　（4）控制坑内降水深度，一般降水深度在基坑开挖面以下0．5～1．0m；
　　（5）合理确定挡土墙的入土深度，防止管涌。
　　4．2 深基坑施工监测
　　当前，基坑支护设计尚无成熟的方法用以计算基坑周围的土体变形，施工中通过准确及时的监测，可以指导基坑开挖和支护，有利于及时采取应急措施，避免或减轻破坏性的后果。
　　基坑支护监测一般需要进行下列项目的测量：监控点高程和平面位移的测量：支护结构和被支护土体的侧向位移测量：基坑坑底隆起测量；支护结构内外土压力测量；支护结构内间隙水压力测量；支护结构的内力测量：地下水位变化的测量：邻近基坑的建筑物和管线变形测量等。深基坑施工监测有如下特点：
　　4.2.1 时效性
　　普通工程测量一般没有明显的时间效应。基坑监测通常是配合降水和开挖过程，有鲜明的时间性。测量结果是动态变化的，一天以前（甚至几小时以前）的测量结果都会失去直接的意义，因此深基坑施工中监测需随时进行，通常是1 次／d，在测量对象变化快的关键时期，可能每天需进行数次。基坑监测的时效性要求对应的方法和设备具有采集数据快、全天候工作的能力，甚至适应夜晚或大雾天气等严酷的环境条件。
　　4.2.2 高精度
　　普通工程测量中误差限值通常在数毫米，例如60m以下建筑物在测站上测定的高差中误差限值为2．5mm，而正常情况下基坑施工中的环境变形速率可能在0．1mm／d 以下，要测到这样的变形精度，普通测量方法和仪器部不能胜任，因此基坑施工中的测量通常采用一些特殊的高精度仪器。
　　4.2.3 等精度
　　基坑施工中的监测通常只要求测得相对变化值，而不要求测量绝对值。例如，普通测量要求将建筑物在地面定位，这是一个绝对量坐标及高程的测量，而在基坑边壁变形测量中，只要求测定边壁相对于原来基准位置的位移即可，而边壁原来的位置（坐标及高程）可能完全不需要知道。
　　由于这个鲜明的特点，使得深基坑施工监测有其自身规律。例如，普通水准测量要求前后视距相等，以清除地球曲率、大气折光、水准仪视准轴与水准管轴不平行等项误差，但在基坑监测中，受环境条件的限制，前后视距可能根本无法相等。这样的测量结果在普通测量中是不允许的，而在基坑监测中，只要每次测量位置保持一致，即使前后视距相差悬殊，结果仍然是完全可用的。因此，基坑监测要求尽可能做到等精度，使用相同的仪器，在相同的位置上，由同一观测者按同一方案施测。
　　5 结论
　　由以上阐述得知，基坑的开挖与支护结构是一个系统工程，涉及工程地质、水文地质、工程结构、建筑材料、施工工艺和施工管理等多方面。它是集土力学、水力学、材料才学和结构力学等于一体的综合性学科。支护结构又是由若干具有独立功能的体系组成的整体。正因如此，无论是结构设计还是施工组织都应当从整体功能出发，将各组成部分协调好，才能确保它的安全可靠、经济合理。
　　参考文献：
　　[1]吴字飞．岩土工程中的深基坑支护设计问题探讨．黑龙江科技信息，2008 年第2 期.
　　[2]沈礼斌．关于深基坑支护设计问题的探讨．四川建材，2009年第4 期.
　　作者：黄州义
　　单位：龙州县建筑勘察设计室

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