深基坑工程及支护结构分析

吴凯 徐律

0 引言

随着基坑的不断变深、变大，近年来工程的事故也频频发生，不少事故导致重大经济损失，建设工期延误、人员伤亡及不良的社会影响。如何保证深基坑工程的“安全”“可靠”“经济”“合理”是当前期待解决的重大课题。由于基坑开挖工期长、施工难度大、技术复杂、现场施工条件差、对环境影响控制要求高以及深基坑工程在开挖和围护过程中所涉及问题的复杂性和不确定性等特点，每年我国均有大量基坑工程事故发生，给国家和社会带来巨大的经济损失和不良影响。因此，为了保证深基坑工程的顺利实施，对深基坑工程施工前进行风险分析具有重要意义。

1 深基坑工程险情、事故起因分类

这里强调深基坑工程险情、事故起因，即首先是由于什么原因产生异状，然后由于管理上的不重视或技术上的欠缺，没有制止或来不及制止，以致这种异状不断发展造成最后的严重后果。深基坑工程险情、事故起因包括:1)变位(形)过大;2)荷载过大; 3)强度不足;4)水、土流失的原因。

2 深基坑施工要点

2.1 挖土要点

分区、分块、分层均衡开挖，利用空间效应尽量减少围护墙变位。当基坑较长时，以20 m～30 m长为一块进行开挖，每层厚度不宜超过1 m。当基坑较宽时，为尽量推迟围护墙上土压力的卸载时间，宜采用“盆式开挖”，即靠近围护墙边的土体迟开挖，留土体斜坡;当为大面积的基坑时，宜采用“岛式开挖”，即先开挖中心部分的土体，随后做中心部分的地下结构，以此为支点，然后开挖基坑周边土体，并及时支撑，这种支撑一面支撑在围护墙上，一面支撑在已经做好的地下结构上。

2.2 支撑要点

1)开槽设支撑。绝对不允许超挖，尽量做到开槽设支撑，即对钢支撑而言，尽量开挖到支撑顶面，然后在支撑位置开槽下放支撑。至多开挖到支撑底面就应立即支撑。

2)位置正确。三维坐标正确，以免产生较大次应力。对于钢管撑，为防止产生较大的偏心弯矩，安装时的偏心矩应控制在支撑计算长度的1/1 000。

3)钢管撑安装完后，应按设计要求预加轴力。

4)钢管撑应在横向、竖向附加杆件，以形成刚度较大的支撑体系。

5)在钢筋混凝土支撑上能否作为挖土时的栈桥，停放挖土机械与设施，需严格按设计要求办理。

6)在底板混凝土浇捣完后的支撑拆除及换撑，需严格按设计要求，做好换撑构件，绝对禁止盲目、提前拆除支撑。

7)当开挖至基底后应尽快浇捣混凝土垫层，一大片混凝土垫层对减少围护墙的变位起着重要作用。

2.3 降水要点

1)降水需提前2周～3周进行，保证坑内水位在基底下0.5 m～1.0 m;2)时刻注意坑外水位观测井的水位变化，观测井的水位不能有明显下降;3)抽出的水应是清澈的;4)什么时候可以停止降水，应由设计决定;5)当必须在坑外降水时，应及时监测周围环境的变形，否则需在围护墙外筑一道帷幕(可用旋喷桩等)，然后在帷幕内降水，在帷幕外回灌水。

3 基坑支护结构类型

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。

水泥搅拌桩和土钉墙是我国目前5m以内，后者乃至10m以内首选的支护形式。土层条件好时，15 m左右基坑亦经常使用。前者既能挡土又能挡水，后者则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。其中水泥搅拌桩有若干种布置形式: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，也可以与其他支护形式联合使用。

对于5 m～10 m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10 m时，可考虑采用地下连续墙，并根据需要设置支撑或锚杆。

遇特殊结构物则可采用沉井或沉箱。上述基坑支护体系选型完全是在近二十年中，在大量的工程实践中逐渐形成的。它与国外常倾向于采用的地下连续墙有所不同。诚然，地下连续墙的优越性早已被世界公认，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。

4 深基坑支护结构的破坏模式及原因

深基坑工程事故可分为两类:一类是设计、施工、管理及其他原因引起的支护体系的自身破坏;另一类是由于支护体系的自身破坏导致相邻建(构)筑物及市政设施破坏或深基坑土方开挖引起支护体系变形过大以及降低地下水位造成基坑四周地面产生过大沉降和水平位移，导致影响相邻建(构)筑物及市政管线的正常使用甚至破坏。支护体系的破坏模式有以下几类:

1)支护结构整体失稳:设计不合理，土层参数c，φ值取值不当，或支护结构底端插入深度不够，或撑锚系统失效，或施工时卸载太快，且没有及时支撑，造成支护结构整体失稳;2)隆起破坏:在软土地基中，当基坑内土体被不断挖出，坑内外土体的高差使支护结构外侧土体向坑内挤压，造成基坑土体隆起，导致基坑外地表沉降，坑内侧被动土压力减小，引起支护体系失稳破坏;3)管涌破坏:在粉砂层中开挖基坑，若不打设井点或井点降水失效时，或围护结构插入深度不够时，会产生管涌，使被动土压力减小或丧失，造成支护体系破坏;4)基坑系统失稳:对支撑式支护结构，支撑的设计强度不够或由于支撑架设偏心较大达不到设计要求，对拉锚式支护结构，拉锚力不够，均将导致支护结构破坏，有时也伴随基坑的整体滑动破坏;5)踢脚破坏:对内撑式和拉锚式支护结构，当围护结构插入深度不够或坑底土质差，被动土压力小，造成支护结构踢脚失稳破坏;6)内倾破坏:支撑设计强度不够，拉锚力不够，或由于支撑或锚拉系统架设不及时，或由于外力撞击，或由于基坑外注浆、打桩、偏载造成不对称变形等等导致围护墙向坑内倾倒破坏。

5 结语

深基坑工程涉及土力学、基础工程、结构力学、施工及工程管理等较多学科，是一项综合的、具有风险性的系统工程。分析表明:

1)诱发基坑支护结构破坏的主要原因可能是一种，也可能有多种，但破坏形式往往是综合的，不宜简单归类于某种破坏形式。

2)模糊综合评价方法数学模型简单，易于工程技术人员掌握，适合评价深基坑工程风险。

3)选取稳定和变形指标建立评价指标集对深基坑支护结构本身进行风险分析，可减少基坑事故发生、提高基坑工程的安全性。

基坑工程的设计和施工技术日益进步，不断涌现出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。基坑支护结构设计是一项复杂的工程，具体工程选择什么样的支护形式，需要对具体的基坑环境，地下水情况，场地土质，施工队工程经验，工期要求以及技术经济效果等因素全面考虑而定，在保证施工安全的前提下，综合考虑技术经济指标，选择适合的方案。

［1］ 边亦海，黄宏伟，李 剑.可信性方法在深基坑工程施工期风险分析中的应用［J］.地下空间与工程学报，2006，2(1): 71-73.

［2］ 刘建航，侯学渊.基坑工程手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1997.

［3］ 韩晓雷，高永贵.“土力学”地基基础［M］.北京:冶金工业出版社，2004.

［4］ 唐业清.基坑工程事故分析与处理［M］.北京:中国建筑工业出版社，1999.

［5］ 徐杨青.深基坑工程设计的优化原理与途径［J］.岩石力学与工程学报，2008，20(2):248-250.