深基坑支護結構體系的分析

鄧友生, 龍新樂， 閆衛玲， 黃恒恒

(湖北工業大學土木工程與建筑學院， 湖北 武漢 430068)

近年來，我國各大中型城市高層建筑紛紛拔地而起．隨著建筑高度增加, 根據高層建筑設計規范要求[1],基礎埋深也隨之不斷增加,出現了大量的深基坑工程,其基坑深度已逐漸由過去的 6 m、8 m 發展至 10 m、20 m 以上[2]．深基坑工程是指開挖深度超過5 m(含5 m)或地下室三層以上(含三層)，或深度雖未超多5 m(含5 m)，但地質條件和周圍環境及地下管線極其復雜的工程[3]．

基坑可以分直接開挖、放坡開挖和支護開挖．直接開挖或放坡開挖適用于地面開闊和地下地質條件較好的情況．深基坑一般采用基坑支護結構．

深基坑支護工程主要包括：

1)地質勘查及工程調研；

2)支護結構設計:支護結構包括擋土墻圍護結構、支承體系以及土體加固等；

3)基坑開挖和支護工作：包括土方工程、工程降水和工程的施工組織設計與實施；

4)地層巖土位移的預測和四周工程保護；

5)支護施工現場的測量和監控．

本文結合理論研究與工程實踐，主要針對深基坑支護結構的以下三個方面進行闡述和探討：

1)深基坑支護結構類型與方式；

2)深基坑支護結構計算方法；

3)深基坑施工現場監測技術．

最后對深基坑支護工程的發展作出了進一步展望．

1 深基坑支護結構類型與方式

1.1 深基坑支護結構類型

隨著基坑深度和開挖體量的增大，支護技術也有了較大進展，我國已經形成了適合于不同地質條件和基坑深度的經濟合理的支護結構體系．

深基坑支護結構按功能分有以下一些：

1)擋土系統：常用的有鋼板樁、鋼筋混凝土板樁、深層水泥攪拌樁、鉆孔灌注樁、地下連續墻、水泥土墻支護、土釘墻支護、逆作拱墻；

2)擋水系統: 常用的有深層水泥攪拌樁、旋噴樁、壓密注漿、地下連續墻、鎖口鋼板樁；

3)支撐系統:常用的有鋼管與型鋼內支撐、鋼筋混凝土內支撐、鋼與鋼筋混凝土組合支撐．

1.2 深基坑支護方式

目前常用的深基坑支護方式主要有鋼板樁、地下連續墻、鉆孔灌注樁、SMW工法、高壓旋噴樁、鋼筋混凝土板樁等方式．支護結構方式的選用應考慮工程地質條件及其對相鄰建筑物的影響．

1.2.1鋼板樁

鋼板樁支護是用一種特制的型鋼板樁，利用打樁機沉入地下構成一道連續的板墻，作為深基坑開挖的臨時擋土、擋水圍護結構．鋼板樁適用于淤泥、淤泥質土、飽和軟土及地下水位較高的深基坑支護．張明軒研究了鋼板樁支護的設計和施工技術，說明鋼板樁可解決基坑開挖塌方問題,達到節省投資、縮短工期、提高效益的目的[4]．

1.2.2地下連續墻

地下連續墻是在泥槳護壁的條件下分槽段構筑的鋼筋混凝土墻體，其剛度大，強度大，隔水性好，可適用于所有土層，但是造價高．它既可作基坑施工時的擋墻圍護結構,又能作為擬建主體結構的側墻．韓愛民對上海銀行大廈深基坑施工技術進行分析，說明地下連續墻支護形式在該工程中是合理可靠的[5]．

1.2.3鉆孔灌注樁

鉆孔灌注樁是在工程施工現場通過機械鉆孔的方法在地基土中形成樁孔，并在其內放置鋼筋籠、灌注混凝土而成．這種樁剛度大、承載力高、抗震性好,可在大、深基坑中應用．

1.2.4SMW工法

SMW工法是Soil Mixing Wall的縮寫，亦稱勁性水泥土攪拌樁法，即在深層攪拌樁施工后,在水泥土混合體未硬前插入H型鋼或鋼板作為其應力補強材料,至水泥結硬,形成一道地下墻體,該法只適合于巖性為粘土、粉土、砂性土的堆積層或沉積層及粒徑較小的沙礫層．霍如明結合工程實例闡述了SMW工法關鍵技術的施工工藝及其主要特點,并介紹了施工質量保證措施[6]．

1.2.5高壓噴射注漿法

高壓噴射注漿法是通過高壓作用,將水泥漿噴射到支護體內部,將支護體與深部巖層共同粘結成統一的地基體,來加固地基．該法適用范圍廣，對于特殊地層和特殊地基的處理效果較好．尚繼紅研究了高壓噴射注漿法在復雜場地條件下的設計與施工工藝及質量控制措施，說明該法適用于各種復雜地基，施工時采用多次復噴、定噴等措施可達到預期效果[7]．

1.2.6鋼筋混凝土板樁

鋼筋混凝土板樁采用鋼筋混凝土打入樁和鋼筋混凝土擋土板聯合作用,打入樁為主要支撐結構,擋土板為擋土和傳力構件的一種支擋結構．該法不宜在建筑密集的市區使用,也不適于在硬土層中施工．王莉薇和劉聲遠研究了鋼筋混凝土板樁在施工中的應用，通過實例具體說明鋼筋混凝土板樁在深基抗支護工程中的造價、工期等方面的優勢[8].

2 深基坑支護結構計算方法

深基坑支護結構計算包括土壓力、地基超載、支護結構彎矩和剪力、支撐體系的設計計算、基坑整體穩定性和局部穩定性、地基承載力、支護結構頂部位移、結構和地面的變形以及軟弱土層的局部加固、對鄰近建筑的影響等方面的計算．深基坑支護結構計算方法主要有以下三種：

2.1 極限平衡法

極限平衡法取單位寬度受側力荷載作用的梁系進行計算，如等值梁法、靜力平衡法、二分之一分割法以及剛性支承連續梁法等，主要考慮力的平衡．極限平衡法把超靜定問題轉化為靜定問題求解，沒有考慮支護結構變形對土壓力的影響，所以不適用于多支點結構計算，而懸臂式及單支點支護結構的嵌固深度確定和內力計算可以采取極限平衡法．它對于計算普通擋土墻或者開挖深度不深的鋼板樁是比較成熟的．

2.2 彈性地基梁法

彈性地基梁法對極限平衡法中擋墻內側坑底被動土壓力計算問題提出改進，計算中引用承受水平荷載樁的橫向抗力的概念，將外側土壓力作為施加在墻體上的水平荷載，把支護結構看作一個彈性支承的地基梁．它可以用在多支點結構設計計算中．彈性地基梁法能夠較好的反映基坑開挖過程中各種因素對圍護結構受力的影響,但該法基本上沒有涉及強度問題,無法確定圍護墻的插入深度．

2.3 有限元方法

有限元法將土體、支護結構進行單元劃分,通過數值模擬,從而得到支護結構的內力、位移,也可以算出整個土體的位移場和應力場．它把包括地基土在內的整個深基坑作為一個空間結構體系，考慮開挖過程、支護結構與巖土體共同作用、滲流、時間等因素的影響，綜合分析支護結構的內力與變形[9]．有限元法主要有連續介質有限元法和彈性桿系有限元法兩種．連續介質有限元法理論復雜、參數多、本構模型難以確定；彈性桿系有限元法能考慮支護結構的平衡條件和結構與土之間的相互作用，分析所需參數簡單，所以被廣泛應用．目前,深基坑支護結構多采用有限元法來進行計算,因為它可以有效地計入施工過程中各種因素的影響,能夠較好的反應基坑開挖過程中擋土結構與支撐結構的軸力變化．

用有限元法進行數值模擬時分為二維有限元和三維有限元兩種．由于在深基坑兩端壁處存在顯著的空間效應 ，深基坑坑壁中央范圍的土壓力和位移值均大于兩坑壁一定范圍內土壓力和位移值，采用其他計算方法計算時沒有考慮到空間效應的影響，而利用空間三維有限元法可以模擬分析支護結構與巖土體的相互作用和空間效應．隨著有限元法和計算機技術的逐步成熟，我國出現了大量可以用于深基坑支護結構計算的軟件，例如同濟啟明星深基坑支擋結構分析計算軟件FRWS、深基坑支護之星軟件、ANSYS、ABAQUS等．這些軟件的開發利用使有限元法在深基坑支護結構計算中應用更加廣泛．

賴永剛和何江達運用非線性有限元法和剛體極限平衡法系統研究廠房深基坑開挖邊坡的穩定性，表明這兩種方法在深基坑邊坡穩定性分析中的效果較好[10]．陳燦壽、張尚根和余有山等人采用彈性地基梁法，通過現場量測的深基坑圍護結構變形信息資料，建立了深基坑開挖中支護結構變形計算的預報方法[11]．宋二祥、婁鵬和陸新征等人對潤揚長江大橋北錨碇基礎深基坑進行了三維非線性有限元分析，給出主要計算結果并對有關影響因素進行了分析[12]．王桂平和劉國彬對考慮時空效應的軟土深基坑變形進行了有限元分析，提出了軟土地區基坑支護結構內力和變形的工程實用計算方法[13]．

3 深基坑支護施工現場監測技術

深基坑支護施工現場監測是在基坑開挖和地下工程施工過程中對基坑土層性狀、支護結構變位和周圍環境條件的變化進行各種觀測及分析工作,從而掌握支護結構和基坑內外土體移動情況,隨時調整施工參數,優化設計,采取相應措施,以確保施工安全．

深基坑的監測內容通常包括：1)支護結構的位移和內力；2)支撐軸力變化、立柱的水平位移、沉降或隆起；3)基坑周圍土體位移及土壓力變化；4)坑底土體隆起；5)地下水位及孔隙水壓力變化；6)近建構筑物、地下管線、地下工程等保護對象的沉降、水平位移與異常現象．在這些內容中，位移量最容易準確測量并反饋，所以位移量測應放在首位，其他量測和位移量測配合進行．

深基坑支護結構的監測應可靠、系統、關鍵部位優先、兼顧全面、方便實用、經濟合理，并且與設計、施工相結合，同時也能確保其實效性、高精度、等精度．布置控制點應因地制宜，均應采用強制對中觀測墩，對于自由等邊三角形所組成的規則網形，邊長在200 m 以內時，測角網的點精度較好．水準點應埋設在基巖上或在沉降影響范圍之外穩定的建筑物基礎上．深基坑水平位移監測時，應在測斜管中注滿清水以保護管體．監測頻率根據施工進度確定,在基坑開挖階段,每天一次,其余可每隔3～5天1次．深基坑支護工程中應根據監測結果反演出合理的支護結構和巖土體物理力學參數，減少因試樣選取或試驗方法的差異而造成的誤差，更好地來指導現場施工．

施工監測手段方面，以水準測量位移最為可靠，其次是測斜管測墻體位移，其他測量儀配合測量，綜合分析觀測結果．目前深基坑監測停留在人工監測，尚不能做到實時監測，自動化監測技術現在還處在起步階段，主要應用于地鐵等重要基坑的施工監測中．目前俫卡TCA系列全站儀配合GeoMOS軟件的全自動監測系統能在計算機的控制下實施全自動的實時監測，使監測工作的效率得到很大提高．該技術隨著自動化監測技術的發展和完善，必將得到更加廣泛的運用．

褚偉洪、黃永進和張曉滬等人對上海環球國際金融中心塔樓深基坑施工監測結果進行了全面分析,為工程的順利進行提供了可靠的保障[14]．安關峰和宋二祥對廣州地鐵琶洲塔站基坑監測結果進行了分析,認為錨桿支護基坑開挖影響范圍大于內支撐基坑開挖影響范圍[15]．Leung, Erin H Y 和Ng, Charles W W分析了香港的十四個基坑工程現場監測及理論計算,得到了在復雜地質條件下的地表沉降、基坑變形、圍護結構變形和開挖深度的關系[16]．尹文斌、鄧明勝、王建英和程學軍等人研究了自動監控技術在某深基坑工程中的應用，利用計算機信息技術對鋼支撐軸力的監測和控制實現了24 h不間斷數據傳輸[17]．

4 展望

深基坑開挖對鄰近建筑物及其環境不可避免造成影響,隨著可持續發展的要求,深基坑支護結構體系將會進一步改進:

1)采用基坑內降水、坑內側土體加固、及時支撐并施加預應力、增加擋墻的入土深度、墻外地層中筑帷幕、坑內降水坑外注水、分步開挖 ，對改善基坑變形、提高其穩定性有重要意義．加固時宜使用深層攪拌或注漿技術．除地下連續墻以外，止水帷幕宜采用旋噴樁或深層攪拌樁形式．

2)在軟土基坑開挖中，有效運用時空效應規律解決軟土深基坑穩定變形問題，即適當減少每步開挖土方的空間尺寸，并減少每步開挖所暴露的部分基坑擋墻的未支撐前的暴露時間．

3)隨著深基坑開挖與支護難度的逐漸增大，地下連續墻與內襯墻兩墻合一的逆作法是今后發展的方向之一．逆作法施工受樁承載力的限制，如何設計一柱一樁，減少中間支承柱，從而加快施工進度，縮短總工期，將成為今后的研究方向．

4)極限平衡法能較好地解決土的強度問題,但無法計算變形問題．彈性地基梁法較好地反映了土與支護結構之間的相關變形,但基本未涉及土的強度問題．所以，在深基坑支護結構計算時，可以利用彈性地基梁法結合極限平衡法來計算，同時解決強度和變形問題．

5)目前深基坑工程的綜合監測水平還不夠完善．監測儀器水平較低，一些監測方法不能全面、客觀地反映結構的變形動態，無法準確地判斷其變形趨勢．建議采用自動化監測系統來建立一種實時動態觀測，實現信息化施工．

[參考文獻]

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