深基坑工程施工技术

深基坑工程又称为“深开挖工程”.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发展而出现,并且存在技术热点和难点.

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.有鉴于此,不断总结实践经验,针对深基坑工程,萌发了信息化设计和动态设计的新思想,结合施工监测、信息反馈、临界报警、应变（或应急）措施设计等一系列理论和技术,制定相应的设计标准、安全等级、计算图式、计算方法等.

一、水泥土搅拌桩和土钉墙

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降低的场区.水泥土搅拌桩加钻孔灌注桩,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,常采用钻孔桩、沉管灌注桩或钢筋砼预制桩等,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,并根据需要设置支撑或锚杆.

遇特殊结构物则采用沉井或沉箱.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些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.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.

二、逆作法施工技术

逆作法施工技术应用于天津紫园商住楼（地下3层）、以地下连续墙为挡土墙兼作地下室外墙,采用逆作法施工.也有因地制宜而采用“半逆作法”施工者,如天津劝业场新大厦等（先明挖一部分土方）.

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.

三、一些新的支护结构经试用取得成功

“闭合挡土拱圈”用钢筋砼就地灌筑,适合于基坑周边场地允许挡墙在水平向起拱之处.拱圈矢高f>0.12L（基坑边长）.拱圈可由几条二次曲线组成（曲线不连续）,也可以是一个完整的椭圆或蛋形拱圈（曲线连续）.作用在拱圈上的土压力大部分在拱圈内自身平衡.不需要深入至基坑底面以下,也不需要从地面按基坑全深度配置.它可以在坑底以上至地面以下某一高度内配置,并可分若干道施工,每道高2m左右.当基坑周边局部因场地限制而不能采用闭合拱圈时,可采用“非闭合拱圈”,而局部采用排桩或其他支护结构,组成混合型支护体系.采用“闭合”或“非闭合”拱圈,需注意验算整体滑移和坑底隆起.

四、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.

五、锚杆技术

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.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.天津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.曾发生了若干起严重事故,应予重视.

六、土体的加固

对软土基坑,特别是深大而周围环境条件严峻的基坑,在基坑内外一定范围进行土体加固,可取得防止隆起、稳定坑壁、减少位移、保护环境的良好效果.

工程界已普遍认识到,基坑支护设计应是支挡结构、支撑锚拉体系及土体加固三项技术综合运用,方可达到安全、经济的目的.

七、对地质勘察的新要求

支护结构设计的内容扩展到了必须考虑基坑变形影响所及的周边范围,而不仅是局限于支护基坑本身而已.为此,在设计前常先做好对基坑以外周边地区的地质勘察.

八、对周边环境的监护

调查对象包括基坑周围相当于基坑开挖深度的2～3倍范围内地上的建筑物、高耸塔杆、输电线缆、古建文物、道路桥梁,以及地下管线（应区别其属压力的或非压力的）、人防、隧道、地铁等设施和障碍物.如发现既有建筑物等已有裂损倾斜等情况,同时收集其详细资料,并在必要处做出标记或摄像、绘图等.然后对调查对象承受地基变形的性能做出分析鉴定,确定应加监护方法.

九、数值法和反演分析

对不同边界条件下土压力的分布形式、土参数的正确取值.支护结构及基坑周围土体的位移进行实测研究和理论探讨.

已编制了能模拟实际开挖施工全过程的大型平面有限元程序,除考虑结构和土的受力与变形外,还考虑土与结构的共同作用,进行了大量的数值模拟计算,分析了开挖深度、支护结构刚度、支撑设置位置、支撑刚度、坑底加固范围以及超载宽度等各种因素对基坑开挖性状的影响,并与工程实测作了对比,加深了对基坑工程性状的认识.

十、设计方法的变革

对支护结构采用按变形控制的设计方法,正逐渐代替传统的单纯验算强度和稳定性的方法,并正在完善中.变形分析方法有经验公式法、安全系数法、数值分析法,以及根据控制值反分析法等多种方法.变形控制标准按地区经验而有不同,并与基坑暴露时间有关.此外,还在一些工程中进行了离心加载模型试验、预测支护结构墙体和土体变形,例如上海人民广场地下车库、上海太阳广场大厦、上海地铁徐家汇车站、上海延安东路黄浦江隧道1号竖井等.

十一、对土方开挖施工工艺的组织与管理

研究发现,在软土深大基坑中精心安排开挖施工分层分区分块的部位和时间要求,以及相应的支撑设置的时间要求,以有效地控制基坑已开挖部分的无支撑暴露时间和减少土体被扰动的时间与范围,将可以利用尚未被挖及的土体尚能在一定程度上控制其自身位移的潜力,而达到使其协力控制挡墙位移和坑周土体位移的目的.换言之,在基坑开挖施工（包括支撑设置过程）同支护结构及坑周土体位移之间,存在着一定的相关性.故科学地安排土方开挖施工顺序和控制施工进度,将有助于控制挡墙和坑周土体的位移.

此项研究成果被称为“时空效应”,已在上海地铁车站和高层建筑的许多基坑中加以运用,获得良好的效益.它极具推广应用的前景.

十二、对开挖过程实施跟踪监测,并将信息及时反馈

这是为了掌握支护结构和基坑内外土体移动,随时调整施工参数,优化设计,或采取相应措施,以确保施工安全,顺利进行.施工监测的作用还在于检验设计的正确性,并有利于积累资料,为今后改进设计理论和施工技术提供依据.

十三、全国性规范的编制

国家行业标准《建筑基坑支护技术规程》已编制完成并投入使用,这是我国第一部关于基坑支护的全国性专业规程.足见我国基坑支护技术的标准化工作已迈进了一大步.