鄧友生, 龍新樂， 閆衛(wèi)玲， 黃恒恒

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

近年來，我國(guó)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(jù)高層建筑設(shè)計(jì)規(guī)范要求[1],基礎(chǔ)埋深也隨之不斷增加,出現(xiàn)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(fā)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(zhì)條件和周圍環(huán)境及地下管線極其復(fù)雜的工程[3]．

基坑可以分直接開挖、放坡開挖和支護(hù)開挖．直接開挖或放坡開挖適用于地面開闊和地下地質(zhì)條件較好的情況．深基坑一般采用基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)．

深基坑支護(hù)工程主要包括：

1)地質(zhì)勘查及工程調(diào)研；

2)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):支護(hù)結(jié)構(gòu)包括擋土墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支承體系以及土體加固等；

3)基坑開挖和支護(hù)工作：包括土方工程、工程降水和工程的施工組織設(shè)計(jì)與實(shí)施；

4)地層巖土位移的預(yù)測(cè)和四周工程保護(hù)；

5)支護(hù)施工現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量和監(jiān)控．

本文結(jié)合理論研究與工程實(shí)踐，主要針對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的以下三個(gè)方面進(jìn)行闡述和探討：

1)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)類型與方式；

2)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法；

3)深基坑施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)．

最后對(duì)深基坑支護(hù)工程的發(fā)展作出了進(jìn)一步展望．

1 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)類型與方式

1.1 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)類型

隨著基坑深度和開挖體量的增大，支護(hù)技術(shù)也有了較大進(jìn)展，我國(guó)已經(jīng)形成了適合于不同地質(zhì)條件和基坑深度的經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系．

深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)按功能分有以下一些：

1)擋土系統(tǒng)：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(xù)墻、水泥土墻支護(hù)、土釘墻支護(hù)、逆作拱墻；

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

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

1.2 深基坑支護(hù)方式

目前常用的深基坑支護(hù)方式主要有鋼板樁、地下連續(xù)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(hù)結(jié)構(gòu)方式的選用應(yīng)考慮工程地質(zhì)條件及其對(duì)相鄰建筑物的影響．

1.2.1鋼板樁

鋼板樁支護(hù)是用一種特制的型鋼板樁，利用打樁機(jī)沉入地下構(gòu)成一道連續(xù)的板墻，作為深基坑開挖的臨時(shí)擋土、擋水圍護(hù)結(jié)構(gòu)．鋼板樁適用于淤泥、淤泥質(zhì)土、飽和軟土及地下水位較高的深基坑支護(hù)．張明軒研究了鋼板樁支護(hù)的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)，說明鋼板樁可解決基坑開挖塌方問題,達(dá)到節(jié)省投資、縮短工期、提高效益的目的[4]．

1.2.2地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻是在泥槳護(hù)壁的條件下分槽段構(gòu)筑的鋼筋混凝土墻體，其剛度大，強(qiáng)度大，隔水性好，可適用于所有土層，但是造價(jià)高．它既可作基坑施工時(shí)的擋墻圍護(hù)結(jié)構(gòu),又能作為擬建主體結(jié)構(gòu)的側(cè)墻．韓愛民對(duì)上海銀行大廈深基坑施工技術(shù)進(jìn)行分析，說明地下連續(xù)墻支護(hù)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(xiàn)場(chǎng)通過機(jī)械鉆孔的方法在地基土中形成樁孔，并在其內(nèi)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(yīng)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(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)材料,至水泥結(jié)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(jié)合工程實(shí)例闡述了SMW工法關(guān)鍵技術(shù)的施工工藝及其主要特點(diǎn),并介紹了施工質(zhì)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(hù)體內(nèi)部,將支護(hù)體與深部巖層共同粘結(jié)成統(tǒng)一的地基體,來加固地基．該法適用范圍廣，對(duì)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(fù)雜場(chǎng)地條件下的設(shè)計(jì)與施工工藝及質(zhì)量控制措施，說明該法適用于各種復(fù)雜地基，施工時(shí)采用多次復(fù)噴、定噴等措施可達(dá)到預(yù)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(lián)合作用,打入樁為主要支撐結(jié)構(gòu),擋土板為擋土和傳力構(gòu)件的一種支擋結(jié)構(gòu)．該法不宜在建筑密集的市區(qū)使用,也不適于在硬土層中施工．王莉薇和劉聲遠(yuǎn)研究了鋼筋混凝土板樁在施工中的應(yīng)用，通過實(shí)例具體說明鋼筋混凝土板樁在深基抗支護(hù)工程中的造價(jià)、工期等方面的優(yōu)勢(shì)[8].

2 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算包括土壓力、地基超載、支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩和剪力、支撐體系的設(shè)計(jì)計(jì)算、基坑整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性、地基承載力、支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部位移、結(jié)構(gòu)和地面的變形以及軟弱土層的局部加固、對(duì)鄰近建筑的影響等方面的計(jì)算．深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)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(cè)力荷載作用的梁系進(jìn)行計(jì)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(xù)梁法等，主要考慮力的平衡．極限平衡法把超靜定問題轉(zhuǎn)化為靜定問題求解，沒有考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)變形對(duì)土壓力的影響，所以不適用于多支點(diǎn)結(jié)構(gòu)計(jì)算，而懸臂式及單支點(diǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固深度確定和內(nèi)力計(jì)算可以采取極限平衡法．它對(duì)于計(jì)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(duì)極限平衡法中擋墻內(nèi)側(cè)坑底被動(dòng)土壓力計(jì)算問題提出改進(jìn)，計(jì)算中引用承受水平荷載樁的橫向抗力的概念，將外側(cè)土壓力作為施加在墻體上的水平荷載，把支護(hù)結(jié)構(gòu)看作一個(gè)彈性支承的地基梁．它可以用在多支點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)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(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響,但該法基本上沒有涉及強(qiáng)度問題,無(wú)法確定圍護(hù)墻的插入深度．

2.3 有限元方法

有限元法將土體、支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元?jiǎng)澐?通過數(shù)值模擬,從而得到支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移,也可以算出整個(gè)土體的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)．它把包括地基土在內(nèi)的整個(gè)深基坑作為一個(gè)空間結(jié)構(gòu)體系，考慮開挖過程、支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖土體共同作用、滲流、時(shí)間等因素的影響，綜合分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形[9]．有限元法主要有連續(xù)介質(zhì)有限元法和彈性桿系有限元法兩種．連續(xù)介質(zhì)有限元法理論復(fù)雜、參數(shù)多、本構(gòu)模型難以確定；彈性桿系有限元法能考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的平衡條件和結(jié)構(gòu)與土之間的相互作用，分析所需參數(shù)簡(jiǎn)單，所以被廣泛應(yīng)用．目前,深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)多采用有限元法來進(jìn)行計(jì)算,因?yàn)樗梢杂行У赜?jì)入施工過程中各種因素的影響,能夠較好的反應(yīng)基坑開挖過程中擋土結(jié)構(gòu)與支撐結(jié)構(gòu)的軸力變化．

用有限元法進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)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(yīng) ，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(nèi)土壓力和位移值，采用其他計(jì)算方法計(jì)算時(shí)沒有考慮到空間效應(yīng)的影響，而利用空間三維有限元法可以模擬分析支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖土體的相互作用和空間效應(yīng)．隨著有限元法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的逐步成熟，我國(guó)出現(xiàn)了大量可以用于深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算的軟件，例如同濟(jì)啟明星深基坑支擋結(jié)構(gòu)分析計(jì)算軟件FRWS、深基坑支護(hù)之星軟件、ANSYS、ABAQUS等．這些軟件的開發(fā)利用使有限元法在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算中應(yīng)用更加廣泛．

賴永剛和何江達(dá)運(yùn)用非線性有限元法和剛體極限平衡法系統(tǒng)研究廠房深基坑開挖邊坡的穩(wěn)定性，表明這兩種方法在深基坑邊坡穩(wěn)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(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形信息資料，建立了深基坑開挖中支護(hù)結(jié)構(gòu)變形計(jì)算的預(yù)報(bào)方法[11]．宋二祥、婁鵬和陸新征等人對(duì)潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋北錨碇基礎(chǔ)深基坑進(jìn)行了三維非線性有限元分析，給出主要計(jì)算結(jié)果并對(duì)有關(guān)影響因素進(jìn)行了分析[12]．王桂平和劉國(guó)彬?qū)紤]時(shí)空效應(yīng)的軟土深基坑變形進(jìn)行了有限元分析，提出了軟土地區(qū)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的工程實(shí)用計(jì)算方法[13]．

3 深基坑支護(hù)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

深基坑支護(hù)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是在基坑開挖和地下工程施工過程中對(duì)基坑土層性狀、支護(hù)結(jié)構(gòu)變位和周圍環(huán)境條件的變化進(jìn)行各種觀測(cè)及分析工作,從而掌握支護(hù)結(jié)構(gòu)和基坑內(nèi)外土體移動(dòng)情況,隨時(shí)調(diào)整施工參數(shù),優(yōu)化設(shè)計(jì),采取相應(yīng)措施,以確保施工安全．

深基坑的監(jiān)測(cè)內(nèi)容通常包括：1)支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)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(gòu)筑物、地下管線、地下工程等保護(hù)對(duì)象的沉降、水平位移與異?，F(xiàn)象．在這些內(nèi)容中，位移量最容易準(zhǔn)確測(cè)量并反饋，所以位移量測(cè)應(yīng)放在首位，其他量測(cè)和位移量測(cè)配合進(jìn)行．

深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)應(yīng)可靠、系統(tǒng)、關(guān)鍵部位優(yōu)先、兼顧全面、方便實(shí)用、經(jīng)濟(jì)合理，并且與設(shè)計(jì)、施工相結(jié)合，同時(shí)也能確保其實(shí)效性、高精度、等精度．布置控制點(diǎn)應(yīng)因地制宜，均應(yīng)采用強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩，對(duì)于自由等邊三角形所組成的規(guī)則網(wǎng)形，邊長(zhǎng)在200 m 以內(nèi)時(shí)，測(cè)角網(wǎng)的點(diǎn)精度較好．水準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)在基巖上或在沉降影響范圍之外穩(wěn)定的建筑物基礎(chǔ)上．深基坑水平位移監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)在測(cè)斜管中注滿清水以保護(hù)管體．監(jiān)測(cè)頻率根據(jù)施工進(jìn)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(hù)工程中應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果反演出合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)和巖土體物理力學(xué)參數(shù)，減少因試樣選取或試驗(yàn)方法的差異而造成的誤差，更好地來指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工．

施工監(jiān)測(cè)手段方面，以水準(zhǔn)測(cè)量位移最為可靠，其次是測(cè)斜管測(cè)墻體位移，其他測(cè)量?jī)x配合測(cè)量，綜合分析觀測(cè)結(jié)果．目前深基坑監(jiān)測(cè)停留在人工監(jiān)測(cè)，尚不能做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)在還處在起步階段，主要應(yīng)用于地鐵等重要基坑的施工監(jiān)測(cè)中．目前俫卡TCA系列全站儀配合GeoMOS軟件的全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能在計(jì)算機(jī)的控制下實(shí)施全自動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使監(jiān)測(cè)工作的效率得到很大提高．該技術(shù)隨著自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和完善，必將得到更加廣泛的運(yùn)用．

褚偉洪、黃永進(jìn)和張曉滬等人對(duì)上海環(huán)球國(guó)際金融中心塔樓深基坑施工監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了全面分析,為工程的順利進(jìn)行提供了可靠的保障[14]．安關(guān)峰和宋二祥對(duì)廣州地鐵琶洲塔站基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析,認(rèn)為錨桿支護(hù)基坑開挖影響范圍大于內(nèi)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(gè)基坑工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及理論計(jì)算,得到了在復(fù)雜地質(zhì)條件下的地表沉降、基坑變形、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和開挖深度的關(guān)系[16]．尹文斌、鄧明勝、王建英和程學(xué)軍等人研究了自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)在某深基坑工程中的應(yīng)用，利用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)對(duì)鋼支撐軸力的監(jiān)測(cè)和控制實(shí)現(xiàn)了24 h不間斷數(shù)據(jù)傳輸[17]．

4 展望

深基坑開挖對(duì)鄰近建筑物及其環(huán)境不可避免造成影響,隨著可持續(xù)發(fā)展的要求,深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系將會(huì)進(jìn)一步改進(jìn):

1)采用基坑內(nèi)降水、坑內(nèi)側(cè)土體加固、及時(shí)支撐并施加預(yù)應(yīng)力、增加擋墻的入土深度、墻外地層中筑帷幕、坑內(nèi)降水坑外注水、分步開挖 ，對(duì)改善基坑變形、提高其穩(wěn)定性有重要意義．加固時(shí)宜使用深層攪拌或注漿技術(shù)．除地下連續(xù)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(yùn)用時(shí)空效應(yīng)規(guī)律解決軟土深基坑穩(wěn)定變形問題，即適當(dāng)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(shí)間．

3)隨著深基坑開挖與支護(hù)難度的逐漸增大，地下連續(xù)墻與內(nèi)襯墻兩墻合一的逆作法是今后發(fā)展的方向之一．逆作法施工受樁承載力的限制，如何設(shè)計(jì)一柱一樁，減少中間支承柱，從而加快施工進(jìn)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(qiáng)度問題,但無(wú)法計(jì)算變形問題．彈性地基梁法較好地反映了土與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)變形,但基本未涉及土的強(qiáng)度問題．所以，在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，可以利用彈性地基梁法結(jié)合極限平衡法來計(jì)算，同時(shí)解決強(qiáng)度和變形問題．

5)目前深基坑工程的綜合監(jiān)測(cè)水平還不夠完善．監(jiān)測(cè)儀器水平較低，一些監(jiān)測(cè)方法不能全面、客觀地反映結(jié)構(gòu)的變形動(dòng)態(tài)，無(wú)法準(zhǔn)確地判斷其變形趨勢(shì)．建議采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來建立一種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)信息化施工．

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