深基坑支护结构体系的分析

邓友生, 龙新乐， 闫卫玲， 黄恒恒

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)

近年来，我国各大中型城市高层建筑纷纷拔地而起．随着建筑高度增加, 根据高层建筑设计规范要求[1],基础埋深也随之不断增加,出现了大量的深基坑工程,其基坑深度已逐渐由过去的 6 m、8 m 发展至 10 m、20 m 以上[2]．深基坑工程是指开挖深度超过5 m(含5 m)或地下室三层以上(含三层)，或深度虽未超多5 m(含5 m)，但地质条件和周围环境及地下管线极其复杂的工程[3]．

基坑可以分直接开挖、放坡开挖和支护开挖．直接开挖或放坡开挖适用于地面开阔和地下地质条件较好的情况．深基坑一般采用基坑支护结构．

深基坑支护工程主要包括：

1)地质勘查及工程调研；

2)支护结构设计:支护结构包括挡土墙围护结构、支承体系以及土体加固等；

3)基坑开挖和支护工作：包括土方工程、工程降水和工程的施工组织设计与实施；

4)地层岩土位移的预测和四周工程保护；

5)支护施工现场的测量和监控．

本文结合理论研究与工程实践，主要针对深基坑支护结构的以下三个方面进行阐述和探讨：

1)深基坑支护结构类型与方式；

2)深基坑支护结构计算方法；

3)深基坑施工现场监测技术．

最后对深基坑支护工程的发展作出了进一步展望．

1 深基坑支护结构类型与方式

1.1 深基坑支护结构类型

随着基坑深度和开挖体量的增大，支护技术也有了较大进展，我国已经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．

深基坑支护结构按功能分有以下一些：

1)挡土系统：常用的有钢板桩、钢筋混凝土板桩、深层水泥搅拌桩、钻孔灌注桩、地下连续墙、水泥土墙支护、土钉墙支护、逆作拱墙；

2)挡水系统: 常用的有深层水泥搅拌桩、旋喷桩、压密注浆、地下连续墙、锁口钢板桩；

3)支撑系统:常用的有钢管与型钢内支撑、钢筋混凝土内支撑、钢与钢筋混凝土组合支撑．

1.2 深基坑支护方式

目前常用的深基坑支护方式主要有钢板桩、地下连续墙、钻孔灌注桩、SMW工法、高压旋喷桩、钢筋混凝土板桩等方式．支护结构方式的选用应考虑工程地质条件及其对相邻建筑物的影响．

1.2.1钢板桩

钢板桩支护是用一种特制的型钢板桩，利用打桩机沉入地下构成一道连续的板墙，作为深基坑开挖的临时挡土、挡水围护结构．钢板桩适用于淤泥、淤泥质土、饱和软土及地下水位较高的深基坑支护．张明轩研究了钢板桩支护的设计和施工技术，说明钢板桩可解决基坑开挖塌方问题,达到节省投资、缩短工期、提高效益的目的[4]．

1.2.2地下连续墙

地下连续墙是在泥桨护壁的条件下分槽段构筑的钢筋混凝土墙体，其刚度大，强度大，隔水性好，可适用于所有土层，但是造价高．它既可作基坑施工时的挡墙围护结构,又能作为拟建主体结构的侧墙．韩爱民对上海银行大厦深基坑施工技术进行分析，说明地下连续墙支护形式在该工程中是合理可靠的[5]．

1.2.3钻孔灌注桩

钻孔灌注桩是在工程施工现场通过机械钻孔的方法在地基土中形成桩孔，并在其内放置钢筋笼、灌注混凝土而成．这种桩刚度大、承载力高、抗震性好,可在大、深基坑中应用．

1.2.4SMW工法

SMW工法是Soil Mixing Wall的缩写，亦称劲性水泥土搅拌桩法，即在深层搅拌桩施工后,在水泥土混合体未硬前插入H型钢或钢板作为其应力补强材料,至水泥结硬,形成一道地下墙体,该法只适合于岩性为粘土、粉土、砂性土的堆积层或沉积层及粒径较小的沙砾层．霍如明结合工程实例阐述了SMW工法关键技术的施工工艺及其主要特点,并介绍了施工质量保证措施[6]．

1.2.5高压喷射注浆法

高压喷射注浆法是通过高压作用,将水泥浆喷射到支护体内部,将支护体与深部岩层共同粘结成统一的地基体,来加固地基．该法适用范围广，对于特殊地层和特殊地基的处理效果较好．尚继红研究了高压喷射注浆法在复杂场地条件下的设计与施工工艺及质量控制措施，说明该法适用于各种复杂地基，施工时采用多次复喷、定喷等措施可达到预期效果[7]．

1.2.6钢筋混凝土板桩

钢筋混凝土板桩采用钢筋混凝土打入桩和钢筋混凝土挡土板联合作用,打入桩为主要支撑结构,挡土板为挡土和传力构件的一种支挡结构．该法不宜在建筑密集的市区使用,也不适于在硬土层中施工．王莉薇和刘声远研究了钢筋混凝土板桩在施工中的应用，通过实例具体说明钢筋混凝土板桩在深基抗支护工程中的造价、工期等方面的优势[8].

2 深基坑支护结构计算方法

深基坑支护结构计算包括土压力、地基超载、支护结构弯矩和剪力、支撑体系的设计计算、基坑整体稳定性和局部稳定性、地基承载力、支护结构顶部位移、结构和地面的变形以及软弱土层的局部加固、对邻近建筑的影响等方面的计算．深基坑支护结构计算方法主要有以下三种：

2.1 极限平衡法

极限平衡法取单位宽度受侧力荷载作用的梁系进行计算，如等值梁法、静力平衡法、二分之一分割法以及刚性支承连续梁法等，主要考虑力的平衡．极限平衡法把超静定问题转化为静定问题求解，没有考虑支护结构变形对土压力的影响，所以不适用于多支点结构计算，而悬臂式及单支点支护结构的嵌固深度确定和内力计算可以采取极限平衡法．它对于计算普通挡土墙或者开挖深度不深的钢板桩是比较成熟的．

2.2 弹性地基梁法

弹性地基梁法对极限平衡法中挡墙内侧坑底被动土压力计算问题提出改进，计算中引用承受水平荷载桩的横向抗力的概念，将外侧土压力作为施加在墙体上的水平荷载，把支护结构看作一个弹性支承的地基梁．它可以用在多支点结构设计计算中．弹性地基梁法能够较好的反映基坑开挖过程中各种因素对围护结构受力的影响,但该法基本上没有涉及强度问题,无法确定围护墙的插入深度．

2.3 有限元方法

有限元法将土体、支护结构进行单元划分,通过数值模拟,从而得到支护结构的内力、位移,也可以算出整个土体的位移场和应力场．它把包括地基土在内的整个深基坑作为一个空间结构体系，考虑开挖过程、支护结构与岩土体共同作用、渗流、时间等因素的影响，综合分析支护结构的内力与变形[9]．有限元法主要有连续介质有限元法和弹性杆系有限元法两种．连续介质有限元法理论复杂、参数多、本构模型难以确定；弹性杆系有限元法能考虑支护结构的平衡条件和结构与土之间的相互作用，分析所需参数简单，所以被广泛应用．目前,深基坑支护结构多采用有限元法来进行计算,因为它可以有效地计入施工过程中各种因素的影响,能够较好的反应基坑开挖过程中挡土结构与支撑结构的轴力变化．

用有限元法进行数值模拟时分为二维有限元和三维有限元两种．由于在深基坑两端壁处存在显著的空间效应 ，深基坑坑壁中央范围的土压力和位移值均大于两坑壁一定范围内土压力和位移值，采用其他计算方法计算时没有考虑到空间效应的影响，而利用空间三维有限元法可以模拟分析支护结构与岩土体的相互作用和空间效应．随着有限元法和计算机技术的逐步成熟，我国出现了大量可以用于深基坑支护结构计算的软件，例如同济启明星深基坑支挡结构分析计算软件FRWS、深基坑支护之星软件、ANSYS、ABAQUS等．这些软件的开发利用使有限元法在深基坑支护结构计算中应用更加广泛．

赖永刚和何江达运用非线性有限元法和刚体极限平衡法系统研究厂房深基坑开挖边坡的稳定性，表明这两种方法在深基坑边坡稳定性分析中的效果较好[10]．陈灿寿、张尚根和余有山等人采用弹性地基梁法，通过现场量测的深基坑围护结构变形信息资料，建立了深基坑开挖中支护结构变形计算的预报方法[11]．宋二祥、娄鹏和陆新征等人对润扬长江大桥北锚碇基础深基坑进行了三维非线性有限元分析，给出主要计算结果并对有关影响因素进行了分析[12]．王桂平和刘国彬对考虑时空效应的软土深基坑变形进行了有限元分析，提出了软土地区基坑支护结构内力和变形的工程实用计算方法[13]．

3 深基坑支护施工现场监测技术

深基坑支护施工现场监测是在基坑开挖和地下工程施工过程中对基坑土层性状、支护结构变位和周围环境条件的变化进行各种观测及分析工作,从而掌握支护结构和基坑内外土体移动情况,随时调整施工参数,优化设计,采取相应措施,以确保施工安全．

深基坑的监测内容通常包括：1)支护结构的位移和内力；2)支撑轴力变化、立柱的水平位移、沉降或隆起；3)基坑周围土体位移及土压力变化；4)坑底土体隆起；5)地下水位及孔隙水压力变化；6)近建构筑物、地下管线、地下工程等保护对象的沉降、水平位移与异常现象．在这些内容中，位移量最容易准确测量并反馈，所以位移量测应放在首位，其他量测和位移量测配合进行．

深基坑支护结构的监测应可靠、系统、关键部位优先、兼顾全面、方便实用、经济合理，并且与设计、施工相结合，同时也能确保其实效性、高精度、等精度．布置控制点应因地制宜，均应采用强制对中观测墩，对于自由等边三角形所组成的规则网形，边长在200 m 以内时，测角网的点精度较好．水准点应埋设在基岩上或在沉降影响范围之外稳定的建筑物基础上．深基坑水平位移监测时，应在测斜管中注满清水以保护管体．监测频率根据施工进度确定,在基坑开挖阶段,每天一次,其余可每隔3～5天1次．深基坑支护工程中应根据监测结果反演出合理的支护结构和岩土体物理力学参数，减少因试样选取或试验方法的差异而造成的误差，更好地来指导现场施工．

施工监测手段方面，以水准测量位移最为可靠，其次是测斜管测墙体位移，其他测量仪配合测量，综合分析观测结果．目前深基坑监测停留在人工监测，尚不能做到实时监测，自动化监测技术现在还处在起步阶段，主要应用于地铁等重要基坑的施工监测中．目前俫卡TCA系列全站仪配合GeoMOS软件的全自动监测系统能在计算机的控制下实施全自动的实时监测，使监测工作的效率得到很大提高．该技术随着自动化监测技术的发展和完善，必将得到更加广泛的运用．

褚伟洪、黄永进和张晓沪等人对上海环球国际金融中心塔楼深基坑施工监测结果进行了全面分析,为工程的顺利进行提供了可靠的保障[14]．安关峰和宋二祥对广州地铁琶洲塔站基坑监测结果进行了分析,认为锚杆支护基坑开挖影响范围大于内支撑基坑开挖影响范围[15]．Leung, Erin H Y 和Ng, Charles W W分析了香港的十四个基坑工程现场监测及理论计算,得到了在复杂地质条件下的地表沉降、基坑变形、围护结构变形和开挖深度的关系[16]．尹文斌、邓明胜、王建英和程学军等人研究了自动监控技术在某深基坑工程中的应用，利用计算机信息技术对钢支撑轴力的监测和控制实现了24 h不间断数据传输[17]．

4 展望

深基坑开挖对邻近建筑物及其环境不可避免造成影响,随着可持续发展的要求,深基坑支护结构体系将会进一步改进:

1)采用基坑内降水、坑内侧土体加固、及时支撑并施加预应力、增加挡墙的入土深度、墙外地层中筑帷幕、坑内降水坑外注水、分步开挖 ，对改善基坑变形、提高其稳定性有重要意义．加固时宜使用深层搅拌或注浆技术．除地下连续墙以外，止水帷幕宜采用旋喷桩或深层搅拌桩形式．

2)在软土基坑开挖中，有效运用时空效应规律解决软土深基坑稳定变形问题，即适当减少每步开挖土方的空间尺寸，并减少每步开挖所暴露的部分基坑挡墙的未支撑前的暴露时间．

3)随着深基坑开挖与支护难度的逐渐增大，地下连续墙与内衬墙两墙合一的逆作法是今后发展的方向之一．逆作法施工受桩承载力的限制，如何设计一柱一桩，减少中间支承柱，从而加快施工进度，缩短总工期，将成为今后的研究方向．

4)极限平衡法能较好地解决土的强度问题,但无法计算变形问题．弹性地基梁法较好地反映了土与支护结构之间的相关变形,但基本未涉及土的强度问题．所以，在深基坑支护结构计算时，可以利用弹性地基梁法结合极限平衡法来计算，同时解决强度和变形问题．

5)目前深基坑工程的综合监测水平还不够完善．监测仪器水平较低，一些监测方法不能全面、客观地反映结构的变形动态，无法准确地判断其变形趋势．建议采用自动化监测系统来建立一种实时动态观测，实现信息化施工．

[参考文献]

[1] 中国建筑科学研究院． JGJ3—2010.高层建筑混凝土结构技术规程[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2010.

[2] 龚晓南,宋二祥,郭红仙.基坑工程实例1[M].北京： 中国建材工业出版社,2006.

[3] 张汉宁.论深基坑工程施工技术及安全措施[J].四川 建材,2009;35(4):199-200.

[4] 张明轩.钢板桩支护的设计和施工技术[J].广西土木 建筑,2002(sup.):27:224-227.

[5] 韩爱民.上海银行大厦深基坑围护工程施工技术[J]. 建筑施工,2007,29(9):664-668.

[6] 霍如明.高压喷射注浆技术在复杂场地条件下的应 用[J].甘肃科技，2007,33(3):96-97.

[7] 尚继红.高压喷射注浆法在软弱土地基处理中的应 用[J].西部探矿工程,2008,24(9):125-127.

[8] 王莉薇,刘声远.钢筋混凝土板桩在施工中的应用[J].鞍山钢铁学院学报,2008,25(4)：294-297.

[9] 王翠英，刘安安，王 旭.复合土钉支护深基坑稳定性及变形的有限元分析[J].湖北工业大学学报，2012,27(15):85-88.

[10]赖永刚,何江达.有限元法和极限平衡法在深基坑边坡稳定分析中的应用[J].四川水利,2007,15(1):9-12 .

[11] 陈灿寿,张尚根,余有山.深基坑支护结构变形计算[J].岩石力学与工程学报,2004,23(12):2 065-2 068.

[12] 宋二祥,娄 鹏,陆新征,等.某特深基坑支护的非线性三维有限元分析[J].岩土力学,2004,25(4):538-543.

[13] 王桂平,刘国彬.考虑时空效应的软土深基坑变形有限元分析[J].土木工程学报,2009,42(2):114-118.

[14] 褚伟洪,黄永进,张晓沪.上海环球金融中心塔楼深基坑施工监测实录[J].地下空间与工程学报, 2005,1(4): 627-633.

[15] 安关峰,宋二祥.广州地铁琶州塔站工程基坑监测分析[J].岩土工程学报,2005,26(3):333-337.

[16] Leung, Erin H Y Ng, Charles W W. Wall and ground movements associated with deep supported by cast in situ wall in mixed ground conditions[J]. Journal of Geotechnical Engineering. ASCE,2007, 133(2):129-143.

[17] 尹文斌,邓明胜,王建英,等.自动监控技术在某深基坑工程中的应用[J].施工技术,2009.38(3):89-92.