深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施工中的安全度和變形控制

原俊杰

(中鋁國(guó)際(天津)建設(shè)有限公司山西鋁基地分公司，山西河津 044000)

0 引言

深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施工早期考慮的僅是深基坑本身施工的安全，也就是它在施工過程中的設(shè)計(jì)安全度控制;隨著基坑范圍和深度的擴(kuò)大，深基坑對(duì)周邊環(huán)境的影響越來越明顯，周邊建(構(gòu))筑物、管線、道路沉降、斷裂造成的損失也越來越大，保護(hù)周邊環(huán)境設(shè)施的變形控制越來越重要，深基坑的特殊性和事故突發(fā)性，使得設(shè)計(jì)和施工過程均需從不同角度進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全度控制和變形控制。

1 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過程中的控制要求

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足的功能要求是:1)保證基坑周邊建(構(gòu))筑物、地下管線、道路的安全和正常使用。2)保證主體地下結(jié)構(gòu)的施工空間。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)工作的極限狀態(tài)有兩種:一種是超過承載能力(包括抗剪切、抗傾覆、抗滑移、抗彎矩能力)極限狀態(tài)的破壞狀態(tài);另一種是超過正常使用極限狀態(tài)的失效狀態(tài)。分別對(duì)應(yīng)安全度控制和變形控制。在深基坑工程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形超過一定程度，即超過規(guī)定的正常使用極限狀態(tài)，安全度控制是防止超過承載能力極限狀態(tài)的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)斷裂、傾覆、滑移、垮塌失穩(wěn);變形控制是防止超過正常使用極限狀態(tài)時(shí)導(dǎo)致基坑周邊建(構(gòu))筑物的不均勻沉降、地下管線斷裂、道路塌陷等，一般情況，超過承載能力極限狀態(tài)所造成的后果比超過正常使用極限狀態(tài)更嚴(yán)重。在土質(zhì)較好時(shí)，保護(hù)周邊環(huán)境的允許變形較大，使得正常使用極限取值可以較大，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)以安全度控制為主，而在軟土地區(qū)變形要求往往占主導(dǎo)地位，正常使用極限取值較小，設(shè)計(jì)和施工過程中不但要分清基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)控制的關(guān)鍵因素，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境的變形關(guān)系作出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，而且有必要建立設(shè)計(jì)安全度控制與設(shè)計(jì)變形控制之間的關(guān)系，以便更好的進(jìn)行施工過程的安全度控制和變形控制。

設(shè)計(jì)方案的安全度控制是設(shè)計(jì)計(jì)算的承載能力極限狀態(tài)，即支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗剪切破壞、抗傾覆破壞、抗滑移破壞、抗彎破壞的極限狀態(tài)值乘以一定的安全系數(shù)，使支護(hù)結(jié)構(gòu)有一定的安全儲(chǔ)備而達(dá)到安全的目的。而在施工過程中如何確保設(shè)計(jì)要求的安全度，滿足設(shè)計(jì)要求、開挖支護(hù)時(shí)確保設(shè)計(jì)工況和根據(jù)實(shí)際基坑開挖后的狀況同設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的循環(huán)改進(jìn)，也就是協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)安全度的驗(yàn)證、反饋和修改，使設(shè)計(jì)方案更加安全、經(jīng)濟(jì)合理、方便施工，是施工過程安全度控制的主要內(nèi)容。支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工過程安全度控制和設(shè)計(jì)過程安全度控制從不同角度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)安全可靠性進(jìn)行了控制，施工過程安全度控制是以設(shè)計(jì)過程安全度控制為基礎(chǔ)的，反映了設(shè)計(jì)的要求和工況，滿足了設(shè)計(jì)循環(huán)改進(jìn)需求，施工過程安全度控制使得設(shè)計(jì)過程安全度更加符合實(shí)際，更好的滿足地下主體部分的施工、保護(hù)周邊環(huán)境和降低基坑事故率。

設(shè)計(jì)和施工過程安全度控制的主要目的均是防止支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，保證主體地下結(jié)構(gòu)的施工有安全的空間，施工過程安全度控制可分為兩個(gè)部分:一部分是支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制，也就是支護(hù)結(jié)構(gòu)本身施工質(zhì)量控制，防止因其強(qiáng)度、剛度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求而折斷;另一部分是支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制，主要控制周圍環(huán)境地質(zhì)、水文條件以及周邊環(huán)境條件變化對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度的影響，涉及支護(hù)結(jié)構(gòu)的平衡問題，以排除事故隱患，防止支護(hù)結(jié)構(gòu)傾覆和滑移造成的失穩(wěn)為控制目標(biāo)。基坑的安全等級(jí)越高，如確定為一級(jí)時(shí)，就越需要更嚴(yán)格的控制。

早期的深基坑設(shè)計(jì)方案是以安全度為目的進(jìn)行控制的，但由于城市內(nèi)的深基坑周邊緊鄰建(構(gòu))筑物、市政管線、道路等，對(duì)周邊環(huán)境影響越來越大，支護(hù)結(jié)構(gòu)還沒有產(chǎn)生失穩(wěn)前，周邊環(huán)境設(shè)施已因超過允許變形而損壞，造成了很大的損失;周邊環(huán)境設(shè)施的損壞反過來造成了支護(hù)結(jié)構(gòu)的更大變形或失穩(wěn)，如周邊上水、排水、污水管線的破裂;因而現(xiàn)在的設(shè)計(jì)方案更注重保護(hù)周邊環(huán)境設(shè)施，施工過程同樣需要重視周邊環(huán)境設(shè)施的保護(hù)。

施工過程的變形控制主要以保證基坑周邊建(構(gòu))筑物、地下管線、道路的安全和正常使用為主要目的，可分為兩個(gè)部分:一部分是深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制，當(dāng)然這個(gè)變形必須是在支護(hù)結(jié)構(gòu)允許的變形范圍內(nèi);另一部分是周圍環(huán)境的變形控制，如周圍建筑物、地下管線、道路等的允許變形控制，在施工過程中突出對(duì)周圍環(huán)境變形的主動(dòng)控制，減少單獨(dú)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行被動(dòng)控制的壓力。這兩部分變形量控制是一個(gè)相互影響的過程，一般情況下，設(shè)計(jì)確定的基坑安全等級(jí)越高時(shí)，周圍建筑物、地下管線、道路等允許最低變形量越小，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量控制范圍也越小，反之則較大;有時(shí)為了減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制難度，即增大支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量控制范圍，常采用隔離和加固的方法提高周圍建筑物、地下管線、道路等允許的最低變形量范圍。施工過程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行主動(dòng)變形控制是減少深基坑風(fēng)險(xiǎn)和事故損失，較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的一種控制途徑。

2 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全度控制

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制

1)支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度在設(shè)計(jì)方案中已初步確定，施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度控制主要是進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量控制，防止因支護(hù)結(jié)構(gòu)(包括樁、墻、支撐、錨固系統(tǒng)等)的強(qiáng)度、剛度不足引起支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞而造成基坑倒塌。

2)支護(hù)結(jié)構(gòu)雖是臨時(shí)設(shè)施，但其施工質(zhì)量很重要，特別是關(guān)鍵部位的強(qiáng)度和剛度，是安全度和變形控制的基礎(chǔ)。在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)方案最初確定的支護(hù)結(jié)構(gòu)安全度一般較小，如果支護(hù)結(jié)構(gòu)本身存在質(zhì)量問題，控制過程的難度會(huì)加大，后期補(bǔ)救所需費(fèi)用會(huì)成倍增加，即使在設(shè)計(jì)工況下嚴(yán)格控制開挖過程也將難以保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全度和變形要求，一旦因支護(hù)結(jié)構(gòu)本身出現(xiàn)質(zhì)量事故，不僅損失很大，事后糾正和補(bǔ)救比較困難;因而在施工過程中要重視支護(hù)結(jié)構(gòu)本身的施工質(zhì)量，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量也是深基坑施工過程預(yù)防控制措施的重要部分。

施工過程應(yīng)按批準(zhǔn)的專項(xiàng)施工方案進(jìn)行施工，必須要有相應(yīng)的地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁、噴錨支護(hù)、樁錨支護(hù)、土釘墻等專項(xiàng)施工方案和相應(yīng)的質(zhì)量控制程序，確保按設(shè)計(jì)方案要求進(jìn)行施工過程控制，施工質(zhì)量的控制以支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中的質(zhì)量通病為關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行控制，以減少質(zhì)量通病，確保施工質(zhì)量。

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制

支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制指的是在實(shí)際工程地質(zhì)、水文地質(zhì)在基坑開挖產(chǎn)生變化的條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全有效性控制，不僅與支護(hù)結(jié)構(gòu)本身強(qiáng)度有關(guān)，還與支護(hù)結(jié)構(gòu)外圍工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況及其在施工過程中的變化有關(guān)，如因基坑土體的強(qiáng)度不足、地下水滲流作用而造成基坑失穩(wěn)，包括基坑內(nèi)外側(cè)土體的整體滑動(dòng)失穩(wěn);基坑底土因承載力不足而隆起;地層因承壓水作用、管涌、滲漏等，導(dǎo)致基坑工程失穩(wěn)破壞。因而支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制是施工過程控制的重中之重。

目前，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的強(qiáng)度計(jì)算仍基于極限平衡理論，但支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力并不那么簡(jiǎn)單。工程實(shí)踐證明，有的支護(hù)結(jié)構(gòu)按極限平衡理論設(shè)計(jì)計(jì)算的安全系數(shù)，從理論上講是絕對(duì)安全的，但有時(shí)卻發(fā)生破壞;有的支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)雖然比較小，甚至達(dá)不到規(guī)范的要求，但在實(shí)際工程中卻滿足要求。這與周圍環(huán)境的影響是分不開的，這實(shí)際是基坑的穩(wěn)定性控制問題沒有處理好，不僅設(shè)計(jì)過程中要考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，施工過程中更要在獲得實(shí)際開挖地質(zhì)數(shù)據(jù)后協(xié)同設(shè)計(jì)考慮和處理好支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如果設(shè)計(jì)過程中沒有處理好支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制問題，存在的問題延續(xù)至施工過程中，就增加了在施工過程中進(jìn)行穩(wěn)定性控制的責(zé)任，對(duì)設(shè)計(jì)方案的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)需要認(rèn)真配合，慎重對(duì)待。

雖然設(shè)計(jì)方案對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的傾覆和滑移進(jìn)行了充分考慮和驗(yàn)算，但在深基坑實(shí)際開挖過程中，實(shí)際的地質(zhì)條件可能與原設(shè)計(jì)假定的地質(zhì)條件有出入，開挖過程中改變了土體和周圍地下水的狀況，坑邊堆載、動(dòng)載的影響、外部雨水的影響，使基坑周邊環(huán)境存在時(shí)空效應(yīng)，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)處于不斷的動(dòng)態(tài)平衡過程中，由于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)過程的滯后和不能獲得反映實(shí)際狀況較為全面的監(jiān)測(cè)數(shù)值，在施工過程中不僅僅是按圖施工，還必須強(qiáng)調(diào)和堅(jiān)持程序施工、有針對(duì)性的預(yù)測(cè)預(yù)防、信息施工，根據(jù)開挖情況及時(shí)進(jìn)行穩(wěn)定性預(yù)測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)合理調(diào)整施工步驟，及時(shí)向設(shè)計(jì)反饋開挖實(shí)際狀況，發(fā)現(xiàn)實(shí)際情況與原設(shè)計(jì)假設(shè)條件不一致、出現(xiàn)新的問題時(shí)，要及時(shí)與設(shè)計(jì)共同研究處理方案，較大的方案變化還要提交專家組討論審查通過，以確保實(shí)際支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全有效性，即支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制要確保支護(hù)結(jié)構(gòu)體系不能留有后期難以補(bǔ)救的重大隱患和相應(yīng)的防范措施不能缺失，對(duì)于在后期能及時(shí)補(bǔ)救和所需費(fèi)用相對(duì)較小的實(shí)際問題，可以共同商定留置觀察控制處理。在施工過程中盡量通過實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和施工觀察經(jīng)驗(yàn)的反饋為基坑支護(hù)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供充分的依據(jù)，從而能優(yōu)化設(shè)計(jì)，使支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)合理、施工便利的目的。

3 深基坑的變形控制

基坑開挖勢(shì)必引起周圍地基中地下水的變化和壓力場(chǎng)的改變，導(dǎo)致周圍地基土體的變形，對(duì)相鄰建筑物、構(gòu)筑物及地下管線產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)危及到安全和使用，與此同時(shí)，大量土方運(yùn)輸、周邊堆載、雨水浸入也會(huì)產(chǎn)生較大影響，深基坑變形控制的目的雖能保證基坑周邊建(構(gòu))筑物、地下管線、道路的安全和正常使用，但在目前情況下，考慮經(jīng)濟(jì)原因，一般主要是控制基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制，只有在周邊環(huán)境變形處理能較節(jié)省費(fèi)用或相關(guān)設(shè)施重要程度較高時(shí)，才考慮對(duì)周邊環(huán)境設(shè)施進(jìn)行隔離或加固處理。

一般情況下，深基坑的允許變形控制量是根據(jù)基坑的深度和周圍建(構(gòu))筑物、地下管線、道路等承受變形能力的情況，由設(shè)計(jì)確定深基坑的安全等級(jí)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量;而在施工過程中不僅需要按設(shè)計(jì)要求控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量，而且要同設(shè)計(jì)確定周圍建(構(gòu))筑物、地下管線、道路的允許變形量并隨時(shí)監(jiān)控。施工前不但要對(duì)圍護(hù)墻體及周圍環(huán)境的變形作出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，而且有必要建立支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制與周邊環(huán)境變形控制之間的關(guān)系，通過提前預(yù)測(cè)和及時(shí)監(jiān)控，進(jìn)行積極主動(dòng)的控制。

一般情況下，變形控制是在支護(hù)結(jié)構(gòu)安全度控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行的變形量控制，如果周邊環(huán)境預(yù)測(cè)的允許最低變形量大于支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際變形量，可在對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行一定程度的監(jiān)控情況下，實(shí)施深基坑的安全度控制即可。如果基坑較深或開挖面積較大，周邊環(huán)境允許最低變形量較小，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形量難以滿足要求時(shí)，或支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制較難時(shí)，則需要對(duì)周邊環(huán)境內(nèi)的最低允許變形量的建(構(gòu))筑物或地下管線或道路采取加固、隔離措施，提高周邊環(huán)境內(nèi)的最低允許變形量，以降低深基坑變形控制的難度。

在深基坑開挖過程中，土體的含水率、內(nèi)摩擦角和粘聚力三個(gè)參數(shù)是可變值，需要采用原位測(cè)試手段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，如現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)，協(xié)同設(shè)計(jì)共同確定現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際土體參數(shù)，進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的反分析計(jì)算，如發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修正，以防止因支護(hù)設(shè)計(jì)方案問題使支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形。

一般深基坑周圍環(huán)境復(fù)雜，場(chǎng)地條件差，隨著基坑深度和面積不斷加大，深基坑的變形控制越來越難。實(shí)際上開挖后的土體是一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，也是一個(gè)土體逐漸松弛的過程，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，土體強(qiáng)度逐漸下降，并產(chǎn)生一定的變形，水的影響使深基坑的變形控制更加復(fù)雜。變形控制過程需要特別注重減輕水的危害性，把水的問題處理好，特別是高地下水位、砂質(zhì)土地基，由于止水、截水、降水、排水不當(dāng)或失效，造成周圍地面、建筑物、管網(wǎng)等沉陷、變形、開裂等，處理好水的問題是變形控制的重中之重。

加強(qiáng)施工過程的監(jiān)測(cè)控制，減少施工的盲目性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過程中的異常并預(yù)警，預(yù)測(cè)基坑及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性及變形趨勢(shì)，提出工序施工的調(diào)整意見及應(yīng)采取的安全措施，保證整個(gè)工程安全、可靠推進(jìn)。施工過程中變形監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)是:支護(hù)結(jié)構(gòu)的測(cè)斜位移、鄰近建筑物的沉降、傾斜和裂縫及發(fā)生時(shí)間和發(fā)展過程的監(jiān)測(cè);鄰近構(gòu)筑物、道路、地下管網(wǎng)設(shè)施的沉降和變形監(jiān)測(cè);基坑開挖后的基底隆起觀測(cè);地下水位監(jiān)測(cè);裂縫觀測(cè)。目前的基坑監(jiān)測(cè)還不能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，可靠性低，要注意采用多項(xiàng)監(jiān)測(cè)手段，利用發(fā)生事故前支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、受力、周邊環(huán)境沉降、裂縫等都有變化的特點(diǎn)，使其監(jiān)測(cè)結(jié)果能互相驗(yàn)證。同時(shí)需要有經(jīng)驗(yàn)的工程師每天進(jìn)行肉眼巡視，主要對(duì)地圈梁(帽梁)、鄰近建筑物及鄰近地面的裂縫、沉降和支護(hù)結(jié)構(gòu)工作位移、流土、滲漏或局部管涌等不良現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展進(jìn)行檢查、記錄和分析，形成有效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使工程設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，以達(dá)到保證工程和周圍環(huán)境安全和及時(shí)調(diào)整優(yōu)化設(shè)計(jì)及施工的目的。

解決好基坑周邊堆載的問題，施工過程中基坑周邊可利用的空間較小，迫不得已在基坑周邊堆載，但設(shè)計(jì)方案沒有考慮這些荷載，使得周邊堆載常常不符合設(shè)計(jì)要求的工況，特別是有較大的動(dòng)荷載時(shí)，更容易造成基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形過大。解決這個(gè)問題需要將施工方案和設(shè)計(jì)方案相結(jié)合，或在設(shè)計(jì)方案階段考慮施工過程中的實(shí)際堆載，或施工方案中控制周邊堆載，滿足設(shè)計(jì)要求和工況，總之設(shè)計(jì)和施工要緊密配合，及時(shí)在設(shè)計(jì)方案或施工方案確定前解決此類問題，不留隱患。

4 結(jié)語(yǔ)

深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全度和變形控制是一個(gè)系統(tǒng)工程，施工過程的控制是實(shí)施、驗(yàn)證、修改設(shè)計(jì)方案，并優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程，也是判斷施工方案是否合理、施工過程能否按設(shè)計(jì)工況實(shí)施、改進(jìn)循環(huán)的過程，提前預(yù)測(cè)、預(yù)防、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、信息施工是深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全度和變形控制經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法，并且實(shí)施過程需要通過不斷的循環(huán)改進(jìn)才能降低深基坑風(fēng)險(xiǎn)，確保最終的施工質(zhì)量。