深基坑工程特點及支護技術在我國的發(fā)展

葛恒畢

0 引言

隨著大量高層、超高層建筑以及地下工程不斷涌現(xiàn),深基坑工程及支護設計與基坑開挖出現(xiàn)的問題也越來越多,深基坑支護工程引起了各方面的廣泛重視。基坑工程是一門系統(tǒng)工程,既涉及土力學中典型的強度與穩(wěn)定問題,又涉及變形土體與支護結構共同作用的問題,以及對周邊建筑物、市政設施及環(huán)境保護等諸多方面。綜合了工程地質(zhì),土力學,基礎工程,結構力學,原位測試技術,施工技術及環(huán)境巖土工程等學科知識[1]。建筑基坑的設計與施工,其影響因素很多,工程地質(zhì)情況,周邊環(huán)境,施工技術,施工經(jīng)驗等無一不影響基坑的設計與施工。既要保證支護結構在施工中的安全,又要控制結構及其周邊土體的變形,以保證相鄰建筑及地下設施的安全。同時,在保證安全的前提下,又要經(jīng)濟合理,方便施工,縮短工期,這些對設計人員提出了很高的要求。

1 深基坑工程的特點

1.1 區(qū)域性和實踐性

巖土工程區(qū)域性強,巖土工程中的深基坑工程區(qū)域性更強,如黃土地基、砂土地基、軟黏土地基等工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件不同的地基中,深基坑工程差異性很大,即使是同一城市不同區(qū)域也有差異。由于巖土性質(zhì)千變?nèi)f化,而其地質(zhì)埋藏條件和水文地質(zhì)條件極其復雜,往往造成勘察所得到的數(shù)據(jù)離散性很大,精確度低,難以代表土層的總體情況。因此,深基坑開挖要因地制宜,具體問題具體分析,不能簡單地完全照搬經(jīng)驗。

1.2 單一性和綜合性

深基坑工程不僅與當?shù)氐墓こ痰刭|(zhì)條件和水文地質(zhì)條件有關,還與基坑相鄰建筑物、構筑物及市政地下管網(wǎng)的位置、抵御變形的能力、重要性以及周圍場地條件有關。因此,對深基坑工程安全等級進行分類、對支護結構允許變形規(guī)定統(tǒng)一的標準是非常困難的,每一個工程都具有項目單一性,應結合施工場地實際情況具體問題具體分析。

深基坑工程涉及土力學中強度、變形和整體穩(wěn)定、滲流等基本課題,往往需要綜合處理。有的基坑工程土壓力引起支護結構的穩(wěn)定性問題是主要矛盾,有的土中滲流引起土體破壞是主要矛盾,有的基坑周圍地面變形是主要矛盾。深基坑工程的區(qū)域性和個性強也表現(xiàn)在這一方面。同時,深基坑工程是巖土工程、結構工程及施工技術相互交叉的學科,是多種復雜因素相互影響的系統(tǒng)工程,是理論上尚待發(fā)展的綜合性學科。

1.3 時空效應和環(huán)境效應

深基坑的深度和平面形狀,對深基坑的穩(wěn)定性和變形有較大影響。在深基坑設計中,要注意深基坑工程的空間效應。軟土土體,特別是軟黏土,具有較強的蠕變性。作用在支護結構上的土壓力隨時間變化,蠕變將使土體強度降低,使土坡穩(wěn)定性減小,故基坑開挖時應注意其時空效應。

深基坑工程的開挖,必將引起周圍地基中地下水位變化和應力場的改變,導致周圍地基土體的變形,對相鄰建筑物、構筑物及市政地下管線產(chǎn)生影響,嚴重的將危及相鄰建筑物、構筑物及市政地下管網(wǎng)的安全與正常使用。施工過程中還會產(chǎn)生噪聲和浮塵,土方及材料運輸會干擾交通,對周圍環(huán)境和居民生活都有較大影響。

1.4 大工程量和高風險性

由于深基坑開挖深度一般較大,工程量比淺基坑增加很多。降雨以及開挖土體暴露時間長,都對結構穩(wěn)定不利。因此,抓緊施工工期,不僅是施工管理上的要求,它對減小基坑變形、周圍環(huán)境的變形及減少事故都具有特別的意義。

深基坑工程是個臨時工程,安全儲備相對較小,因此風險性較大。由于深基坑工程技術復雜,涉及范圍廣,事故頻繁,因此在施工過程中應進行監(jiān)測,并應具備應急措施。深基坑工程造價較高,但一般為臨時性工程,業(yè)主一般不愿投入較多資金,一旦出現(xiàn)事故,造成的經(jīng)濟損失和社會影響往往十分嚴重。

1.5 不確定性和事故率

土體內(nèi)部物質(zhì)成分、結構構造、強度特征、應力歷史、物理力學性質(zhì)以及環(huán)境、荷載條件等不同使得任一點土性都可能有較大的變異性,其所能提供的土抗力(基床)系數(shù)、抗剪強度指標存在很大的離散性;另外,采取土樣受擾動而與現(xiàn)場土樣不一致;儀器本身存在著一定的精度;統(tǒng)計樣本數(shù)量少或統(tǒng)計方法本身存在不足,另外還有土性參數(shù)間的相關性等,這些因素都使得土性參數(shù)具有極大的不確定性。由于荷載傳遞機理、荷載間的相互疊加及擴散、力學模型的不足或人為的簡化處理、地下水位變化、工程施工(基坑開挖、降水、周邊堆載、施工機械行走等)導致作用在深基坑支護結構上的土壓力和水壓力處于不斷變化中,有很大的不確定性。另外,還有支護材料參數(shù)和截面尺寸的不確定性等多種不確定因素。深基坑工程自身的許多不確定性,加之工程施工周期長,從開挖到完成地面以下的全部隱蔽工程,常常經(jīng)歷多次降雨、周邊堆載、振動等許多不利條件,安全度的隨機性較大,事故的發(fā)生往往具有突發(fā)性。據(jù)有關資料統(tǒng)計,深基坑工程事故的發(fā)生率一般約占基坑工程數(shù)量的20%,有的城市甚至占30%左右。

2 我國深基坑支護工程的發(fā)展

我國在20世紀80年代以前,高層較少,樓房高度較低,因此,開挖的基坑較淺,上海的高層建筑地下室大多埋深在4 m左右[2]。80年代以后,隨著城市建筑業(yè)的發(fā)展,高層不斷涌現(xiàn),高層樓房的總高度不斷增加,相應基礎埋深不斷增加。廣州地下室較深的已建到4層～5層,基坑深約20 m[3]。由于城市化的快速發(fā)展,建筑空間愈來愈小,放坡施工這一傳統(tǒng)施工方法已無法實現(xiàn),特別是進入90年代以來,高層、超高層的快速發(fā)展,大多數(shù)城市進入了舊城改造的階段。密集的建筑群,大深度基坑及基坑周圍復雜的地下設施,如何控制深基坑的開挖支護,以及環(huán)境效應問題引起了各方面的廣泛重視。基坑工程問題已成為我國工程界的熱點問題之一。中國土木工程學會和中國建筑學會組織了大量的科研與研討工作,促進了深基坑開挖技術的研究和發(fā)展,產(chǎn)生了許多先進的計算方法,眾多新的施工工藝,武漢、上海、深圳、北京等地區(qū)相繼編制了國家地方行業(yè)標準及有關法規(guī)[4]。但由于基坑工程的復雜性以及設計、施工的不當,工程事故的概率仍然很高。

隨著科技的發(fā)展和計算機的應用,先進的設計理論和測試技術不斷地應用到建筑基坑工程中,室內(nèi)外的調(diào)查和測試正在實現(xiàn)著自動化和半自動化,有效地減輕了勞動,提高了效率,建筑基坑的設計原則正從強度破壞極限狀態(tài)向變形極限狀態(tài)控制發(fā)展。

目前正向概率極限狀態(tài)控制的方向發(fā)展,以便盡早與已經(jīng)按照可靠性原則進行設計的上部結構設計方法相匹配。近年來,大功率、強動力施工機械和大型靜動態(tài)測試儀器的問世,推動了深基坑工程理論和技術的迅速發(fā)展,新的基礎施工法(如SMW工法等)相繼問世。隨著改革開放和經(jīng)濟建設高潮的興起,許多城市正在進行新建、改建和擴建,特別是近年在沿海開放城市中,高層建筑的大量興建和地下空間的逐步開發(fā)和利用,基坑工程設計和施工技術的開發(fā)和實踐形成了近年國內(nèi)巖土工程中建設的熱點[5-7],多種形式的圍護結構如排樁擋土,排樁與水泥土復合圍護,水泥土攪拌樁支護,SMW工法以及地下連續(xù)墻等,已逐步打破了以前單一的板樁(鋼板樁,混凝土板樁等)圍護的模式而形成了多樣化格局,呈現(xiàn)出前所未有的技術發(fā)展與國內(nèi)更新的勢頭。

3 結語

隨著大量高層、超高層建筑以及地下工程不斷涌現(xiàn),深基坑工程及支護設計與基坑開挖出現(xiàn)的問題也越來越多,深基坑支護工程引起了各方面的廣泛重視。

深基坑工程包括基坑支護體系設計與施工,是一項綜合性很強的系統(tǒng)工程?；庸こ叹哂泻軓姷膮^(qū)域性和個性,支護體系承受的土壓力也具有較強的時空效應。研究深基坑穩(wěn)定性、支護結構的內(nèi)力及變形、周圍地層的位移對周圍建筑物和地下管線的影響及保護的計算分析,以便采取安全經(jīng)濟的基坑支護方案,具有重要的理論意義和實際效益。

盡管深基坑工程具有綜合性、復雜性、不確定性和風險性,在我國也出現(xiàn)了一些工程事故,但是與總工程量相比,事故率還是很低的,這與我國科研人員的科技攻關、施工人員的細心負責和管理人員的嚴格管理是分不開的。隨著理論研究的深入,工程設備的革新,設計手段的完善,施工組織的規(guī)范,加上科學全面的行政管理,我國的深基坑工程的研究、設計和施工必將達到國際領先水平。

[1] YB 9258-97,建筑基坑工程技術規(guī)范[S].

[2] 高大釗.深基坑工程[M].北京:機械工業(yè)出版社,1991:1-32.

[3] 楊光華.深基坑支護結構的實用計算方法及其應用[M].北京:中國地質(zhì)出版社,2004:1-34.

[4] SJG 05-96,深圳地區(qū)建筑深基坑支護規(guī)范[S].

[5] 余志成,施文華.深基坑支護設計與施工[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997:118-129.

[6] 黃 強,惠永寧.深基坑支護工程實例集[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997:76-147.

[7] 崔江余,梁仁望.建筑基坑工程設計計算與施工[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999:11-52.

[8] 朱新勇,周石喜.軟土基坑開挖與支護施工技術[J].山西建筑,2008,34(4):151-152.