深大基坑的支护施工与管理

【摘 要】基坑工程是指在地表以下开挖的地下空间以及与之相配套的支护体系,如今随着大型的高层建筑以及地下空间结构快速发展,基坑工程也就向着更深更大的要求逐渐推进.而基坑支护则是为了保证基坑开挖、基础施工的安全进行及基坑周围建筑物、构筑物的安全,对基坑侧壁及周围设施采用的支挡、加固以及保护措施.本文通过阐述深大基坑支护在施工与管理各个阶段的注意事项和工作要点,明确了只有将基坑支护的施工与管理相互协调才能保证建筑物基础的顺利施工与安全使用.

【关 键 词】深大基坑；基坑支护；施工与管理

1.引言

随着我国经济建设的发展,城市的大型和高层建筑大量建设.深基坑工程施工场地紧凑、临近既有建筑近、凸显基坑越来越深、大等特点.目前国内深基坑深度已超过-30多米,而深基坑支护结构技术无疑是保证深基坑顺利施工的关键[1].更重要的是,做好基坑支护的质量控制对保证施工安全、临近建筑物及施工人员生命、财产安全极其重要.

2.深大基坑支护的特点、要求与分类

2.1深大基坑的支护特点

深大基坑工程主要包括基坑支护体系的设计、施工以及土石方开挖,这些具备以下特点：

（1）基坑支护体系大多为临时结构物,安全储备小,一般具有较大风险；

（2）基坑工程地质、水文条件复杂,不同工程地质及水文条件下基坑工程的重难点差异很大；

（3）城市深大基坑工程环境复杂,基坑支护结构不仅要保证基坑自身的安全稳定,还要尽可能减低基坑施工队周围环境的影响.

2.2深大基坑的支护要求

根据以上总结的深大基坑工程特点,可以得出深大基坑对其支护体系的要求,总结起来可以分为以下三个方面：

（1）保证基坑槽壁的安全、稳定,满足坑槽的空间要求；

（2）保证基坑附近相领建筑物及地下管线在基坑施工期间不影响其安全、正常使用,要求基坑附近地面沉降和水平位移在允许范围以内；

（3）尽可能地保证基坑工程施工作业面在地下水位以上（可通过降水、截水、排水体系来实现）.

2.3基坑支护结构形式的分类

根据支护结构的受力特点和被支护土体的作用机理,可以将基坑支护结构分为以下5种：

（1）重力围护结构

目前在工程中用的较为广泛的是水泥土重力式围护结构,大多选用深层搅拌桩构成,部分工程也采用高压喷射注浆法,最终依靠天然土与水泥土组合而成围护结构用以支挡周围土体.

（2）内撑围护结构

该结构分为两部分：围护体系和内撑结构.其中围护体系主要有钢筋混凝土桩墙和地下连续墙等；内撑结构按照形状可分为水平支撑和斜支撑,按照材料可分为混凝土支撑和钢管支撑两种.该结构主要承受挡墙结构所传递的水和土压力.

（3）悬臂围护结构

单纯的悬臂式围护通常借助地下连续墙、木板桩、钢筋混凝土排桩墙、钢板桩等结构,依靠足够的入土深度以及结构的抗弯能力来维持基坑整体的稳定和结构的安全,这种结构对开挖深度的变动十分敏感,易发生较大变形.一般适用于开挖深度较浅且土质较好的基坑工程.

（4）拉锚围护结构

拉锚围护结构包括围护和锚固结构体系两部分,其中的锚固体系大多由锚杆以及喷射混凝土等构成.

（5）土钉墙围护结构

土钉墙围护结构通常使用钻孔、注浆、插筋或者通过打入的方法在基坑侧壁中设置土钉,组成近似重力挡土墙的结构.

（6）放坡开挖

放坡开挖是一种简单且成本较低的施工方式,它主要适用于开挖较浅,项目可利用工作面大,附近土质较好的基坑.施工时要注意保证开挖的过程中边坡足够稳定,不会发生边坡破坏.

各种基坑支护结构的特点如表1所示：

总结起来,支护结构类型归纳为图1形式：

3.基坑支护形式的选择

对于基坑众多的支护方式,如何针对工程特点选取恰当的支护方式,是基坑支护施工与管理的重点.

尽管基坑支护有以上多种形式,但深基坑支护结构的选择,应优先考虑施工单位现有施工技术水平,优先使用与工程基础桩相同、相近类型的桩体作为基坑支护结构,例如当工程桩采用钢筋混凝土灌注桩,则基坑支护结构应尽量选用这种桩型,如此一来可减少机械设备进场费用.如果基坑较深并且围护桩空间布置允许时,应尽量选用两排支护桩.这是因为该种布置方式力学性能较好,前后排桩与桩顶圈梁能够形成刚架结构,桩间土可以参与支护工作,最终改善围护桩的受力状况,降低桩的配筋数量[2].

在当下的基坑支护施工中,要综合考虑安全性和经济性两方面.实际施工中,有些工程侧重于安全性或者支护选型,设计就偏于保守,这样就需要增加投资,会造成一定的浪费；有些工程片面追求经济性,降低对基坑稳定性、变形控制以及安全方面的要求,从而引发了工程事故,导致了更大的经济损失.解决这一矛盾的合理方式是研究基坑的施工与管理,既要在设计上对支护选型上优化管理,也要在支护施工过程中进行恰当的管理.

4.深基坑工程中存在的主要问题

在基坑支护的施工工程中,主要进行的管理主要包括变形、强度、稳定性三个方面.岩土工程技术人员经过多年的实际工程经验和对计算方法、土力学理论的研究以及多次的分析和修正,得出了大量并且十分重要的成果.然而,随着基坑工程要求的逐渐提高,深基坑工程中依然存在一些尚未解决的问题,总结起来主要包括以下四方面：

（1）施工单位在实际的作业中,存在一定的随意性,无法满足理论方法的要求程度；

（2）不同计算方法（尤其是仿真数值模拟）得出的结果差异较大,与实际工程结论的差异也较大；

（3）对一些新型的支护方式的计算理论发展滞后；

（4）无法及时准确的得到现场的支护结构的受力情况,导致支撑和锚固时产生偏差.

4.1基坑变形的三个主要特征

基坑支护施工的主要目的是为了防止或者使基坑变形满足规范要求,基坑变形主要包括围护结构位移、基坑周围地表沉降和坑底隆起三个方面,基坑变形主要有一下三个主要特征：（1）围护结构位移变形

在基坑的开挖施工和支护过程中,支护结构变形主要表现为支护体水平变形和竖向变形两个方面.

当基坑开挖深度较浅时,围护结构的变形主要为朝向基坑方向的水平变形,地表也相应发生变形；随着开挖深度的增加,土体变形逐渐增大；与此同时,支护结构产生上升或下沉,进而导致插入坑底的深度发生变化.由此可知,支挡结构水平位移的大小,主要取决于支护结构的刚度以及入土深度、基坑的开挖深度、开挖土体的力学性质等.

（2）基坑周围地表沉降变形

基坑开挖过程中,所产生的地表沉降一般是由支护结构位移变化和地下水疏干两方面叠加的作用造成的.其中,基坑围护结构的侧向位移发生变化而引起的地面沉降,主要集中发生在基坑的四周；而另一方面,当地下水疏干造成水位降低过大时,就会产生不均匀沉降,这种差异沉降可能引起建筑物产生倾斜、甚至会导致墙体产生开裂.这种沉降大多发生在以基坑为中心的环形区域的较大范围内.

（3）基坑底部隆起变形

随着基坑开挖深度的增加,基坑内外的标高差不断扩大,当开挖到一定深度时,基坑的围护结构外侧土体向基坑内侧移动,使得基坑坑底向上隆起变形,基坑隆起会对工程产生严重的影响,必须加强监测和控制管理.

4.2基坑的变形机理

基坑开挖的过程也就是土体卸载的过程,卸载施工发生在基坑的开挖面上.由于卸载的进行,坑底土体发生以向上为主方向的位移,进而导致基底发生隆起变形.此外,在卸载过程进行中,支护结构在坑壁土压力差的作用下产生水平向位移,进而导致墙外土体产生位移.由此得出,基坑开挖引起周围地层移动的主要原因是围护结构的位移与基底隆起变形,下面主要从两方面重点阐释基坑的变形机理.

（1）围护结构位移变化

基坑开挖后,围护结构在力的作用下产生了变形.在基坑侧壁内侧的卸荷过程中,围护结构外侧受到主动土压力的作用,而坑底的支护内侧则受到被动土压力.开挖总是先于支护,因此在开挖过程中,当安装每道支撑或者锚杆以前,围护墙就己经发生了位移.这一变化使支护结构的主动压力区和被动压力区的土体也产生了位移.围护结构外侧的主动土压力使得土体向基坑内部发生水平移动,剪应力增大,导致支护结构背部土体水平应力减小,产生了塑性区.基坑开挖面以下的墙内侧,被动压力区的土体向基坑内水平移动,坑底土体水平应力增大,加上剪应力水平挤压,基底发生隆起变形,坑底形成局部塑性区.支护结构的变形不仅引起了地面的沉降,而且扩大了墙外侧的塑性区,因而加剧了墙外土体向坑内的位移和相应的坑内隆起.

（2）坑底土体隆起

由以上分析可知,坑底隆起变形主要是由于围护结构外侧土体在自身重力和外部荷载的作用下在坑底向坑内方向移动,以及底部土体竖向卸载两方面原因造成的.当开挖面积较小时,基坑主要产生弹性隆起,其中中部的隆起量最高.而当开挖较深且开挖面较大时,基坑底部的隆起是塑性的,隆起量呈现出中间小周围大的形式.

在基坑支护施工中,支护结构的变形和基底的隆起不仅发生在施工阶段,由于地层损失引起基坑周围地层移动,而且地层移动使土体受到扰动,因此在施工后期相当长的时间内,基坑周围地层还会产生逐步收敛的固结沉降,需要工程技术人员进行长期的变形观测.

5.施工与管理协调同步

深基坑的支护施工要重点把握过程控制,一旦施工质量出现问题,事后补救的难度很大.因此一定要严格控制施工的标准化和管理规范化,应当把基坑支护的施工与管理协调、同步进行,最终确保基坑施工的安全、顺利进行.

5.1前期地质勘探与施工方案探讨

深大基坑的支护施工与管理首先要重视前期的地质勘察工作,设计方和施工方都要了解并熟悉工程的地质勘察资料,清楚了解基坑所在地的地形、地貌以及地质特点,分析深基坑借助何种支护才能满足自身稳定性的要求,对影响基坑稳定的重点区域、地层和土质指标参数做到心中有数.

基坑支护的施工方案必须由有关专家组对其进行技术论证；由满足相关资质的设计单位和支护施工单位对其进行施工方案的设计与施工.对于深大基坑的支护施工,还要聘请具备丰富经验的专家组进行设计、施工方案的评审,降低基坑开挖的风险,杜绝工程事故的发生.

5.2施工前做好充分准备

在施工单位按照设计方案组织施工之前,应当做到以下几条准备工作：①熟知地勘资料、周围环境以及设计图纸；②确保降水系统设备正常工作并备好应急抢险排水系统,保证必须的施工设备满足正常工作要求；③施工单位在施工过程中不得随意改变支撑所在位置,钢支撑的型号、长度、数量等；④如需对设计方案变更时必须提出申请,待专家评审合格、得到批复后才能生效.

5.3严格把关施工质量

在基坑开挖过程中,监理工程师要随时督促施工单位对基坑的开挖深度、边坡坡度和水平标高进行检查,并密切观察基坑周边的沉降及变形.监控观测重点区域要日夜巡查,如若出现险情需立即报告.对进场材料、设备要严格把关,做好隐蔽工程的验收工作；监理工程师要对注浆配比、注浆量,地下连续墙厚度,钢筋笼尺寸等支护结构仔细检查,按规定留置现场混凝土试块等.

5.4深基坑支护的应急预案

要加强管理针对深基坑支护的应急预案,要做好信息采集与反馈、风险预估、控制与决策等方面的内容.由于深大基坑在开挖过程中,边坡稳定存在很多潜在的危险和破坏的可能性,地下工程受地质、水文等各种条件的影响,尤其当基坑临近高层或重要建筑物,亦或是有重要的地下光缆、电缆和管线等穿过基坑施工范围等,基坑支护的施工难度与复杂性更是大大增加.

综合以上分析,必须加强基坑支护的应急预案及其管理工作,一旦出现问题,立即按照预先计划的方案进行救险施工,根据土层位移的时空效应,及时掌握土体的变形特征、基坑槽壁的稳定性以及支护效果,发现异常情况及时采取措施,杜绝基坑塌陷和临近建筑沉降等事故发生.

5.5基坑支护施工的监控量测管理深大基坑支护的施工管理重点就是针对基坑开挖与支护的监控量测,监测项目包括有：支护结构的水平位移,基坑附近管线、周围建筑物的变形,地下水位的变化,支撑轴力,立柱变形,基坑桩、墙的内力值,土体分层竖向位移,支护结构面的侧向压力等[3].对于监测工作要做到以下几点：位移观测基准点不应少于两处,并且不能影响基坑支护的正常工作；所有监测项目在基坑开挖前应测量并记录初始值,且不少于两次；各个项目监测的时间间隔可跟随施工进度相协调,监测值不满足相关标准或监测结果变化明显时,要适当加密观测次数；基坑开挖监测过程中,监测单位应根据合同要求提交阶段性监测报告,工程结束时应提交完整的监测报告.

5.6其他施工细节的管理

基坑支护施工不仅要关注基坑支护施工阶段的安全与稳定,同时还要考虑到下阶段的施工能顺利、有序地进行.因此,基坑施工的细节管理应包括如下方面的内容.

（1）基坑顶部堆载的管理

坑顶堆载的控制要结合现场实际情况,充分考虑结构施工阶段的现场堆载要求,在进行基坑支护设计荷载选择时要做到全面考虑.在现场说明中,要明确坑顶堆载量与基坑距离的控制值.以便将来的结构施工时明确基坑坑顶的堆载要求,避免基坑顶部过量堆载而导致基坑边坡变形或破坏.

（2）临建的布置与管理

在进行基坑支护施工时,应结合现场情况,要尽可能的提前规划施工单位的临建布置位置,以便在设计时考虑坑顶荷载.

6.结论

当前,随着我国土建行业高速发展,深大基坑施工项目迅速增多,深基坑支护施工难度逐步加大.由于深大基坑地质条件复杂、不确定因素较多,加上许多城市繁华区域的基坑工程常常同时要面临管线迁移、临近建筑物安全、施工场地狭小、地面交通疏导等问题.因此,基坑支护的施工与管理必须同步、协调进行,用科学的管理手段指挥施工,用合理的施工方法处理复杂的工程问题.这其中包括了充分的前期准备,详尽的设计施工方案探讨与对比,事无巨细的工作态度,科学合理的施工方法等等.只要科学运用施工技术和管理方法,精心施工,深大基坑支护的工程质量及安全是完全可以保证的.