孫 靜

(黑龍江大學 建筑工程學院,哈爾濱 150080)

隨著城市建設的發(fā)展,高層建筑和市政工程大量涌現。有限的城市地面空間已不能滿足人們日益增長的工作和生活的需要,于是人們開始向高空和地下尋求發(fā)展空間。目前,各類地下工程諸如越江隧道、地下商場、地下民防等已隨處可見。國外著名的地下工程有法國巴黎的中央廣場,日本東京的八重洲地下街等。這些工程的共同特點是都要進行大規(guī)模地下開挖,必然導致大量的基坑工程產生[1]?；庸こ淌且粋€古老而具有劃時代特點的綜合性的巖土工程課題,既涉及土力學中典型的強度和變形問題,又涉及到土體與支護結構的相互作用問題。對于這些問題的認識及其對策的研究,將隨著土力學理論、計算技術、測試技術以及施工機械、施工技術的發(fā)展而逐步完善。

1 基坑工程發(fā)展現狀

早在20世紀40年代,Terzaghi和Peck等人就已經開始研究基坑工程中的巖土工程問題并提出了預估挖方穩(wěn)定程度和支撐荷載大小的總應力法,這一理論一直沿用至今,只不過有了許多改進與修正;50年代Bjeruum和Eide給出了分析深基坑底板隆起的方法;60年代開始在奧斯陸和墨西哥城軟黏土深基坑中使用儀器進行監(jiān)測,此后大量的實測資料提高了預測的準確性,并從70年代起產生了相應的指導開挖的法規(guī)。在以后的時間里,世界各國的許多學著都投入研究,并不斷地在這一領域取得豐碩成果。90年代以來,隨著城鎮(zhèn)建設中高層及超高層建筑的大量涌現,深基坑工程越來越多,同時密集的建筑物、復雜的深坑形式,使得基坑開挖的條件越來越復雜。因此,對基坑開挖與支護的計算與設計理論、施工技術等的要求也越來越高[2]。

基坑工程在我國出現較晚,20世紀70年代,國內只在少數大工程項目中有開挖深度達10 m以上的基坑工程,而且是在較少或者沒有相鄰建筑物和地下結構物的地區(qū)。80年代以來,我國首先在北京、上海、廣州、深圳等大型城市大量興建高層建筑,而高層建筑多數帶有地下室,基坑支護工程隨之劇增,基坑支護設計、施工與監(jiān)測成為基礎工程中的新熱點。90年代以后,大多數城市都進入了大規(guī)模的舊城改造階段,在繁華的市區(qū)內進行深基坑開挖給這一古老的課題提出了新的內容,那就是如何提高深基坑開挖的環(huán)境效應問題,從而進一步促進了深基坑開挖技術的研究與發(fā)展,產生了許多先進的設計計算方法,眾多新的施工工藝也不斷付諸實施,出現了許多技術先進的成功的工程實例。但由于基坑工程的復雜性以及設計、施工的不當,工程事故的概率仍然很高[3-4]。

基坑支護技術在我國相對較年輕,無論是設計計算,還是施工、監(jiān)控等方面都處在不斷進步和發(fā)展的過程中。我國基坑工程的特點可以概括為“深、差、密、多 、低”5個字,亦即我國的基坑越挖越深,工程地質條件越來越差,四周已建或在建建筑物密集或緊靠市政公路,基坑支護方法多,但是支護的成功率低。因此對于基坑工程還應進行精心設計與施工,提高對支護結構的要求,而且在建筑物稠密地區(qū)更應注意對于環(huán)境的保護,這樣一來,雖然工期和施工費用均要提升,但是工程質量與安全性卻可以得到相當的保證。

基坑工程分類較多,按照施工工藝大體分為放坡開挖及支護開挖兩大類。放坡開挖既簡單又經濟,一般在條件具備時優(yōu)先選用,但目前深基坑工程大多是在市內修建,基坑較深而場地往往又比較狹小,不具備放坡開挖條件,通常均采用有支護開挖。迄今為止,支護開挖型式已經發(fā)展至數十種,主要包括懸臂支護、內支撐或拉錨支護、組合型支護等。支護結構最早用木樁,現在常用鋼筋混凝土樁、地下連續(xù)墻、鋼板樁以及通過加固改良基坑周圍土體的方法形成水泥土擋墻和土釘墻等[5]。

2 基坑支護類型

基坑開挖的一個重要內容就是要保護其周邊構筑物的安全使用。如何安全、合理地選擇合適的支護結構并根據基坑工程的特點進行科學的設計是基坑工程要解決的主要內容。基坑支護類型有很多種,常見的有水泥土墻、土釘墻、錨桿、排樁與地下連續(xù)墻等[6],以下簡單介紹這幾種常用的支護類型。

2.1 水泥土墻工程

水泥土墻是重力式支護結構的主要形式,主要包括水泥土攪拌樁和高壓噴射注漿法兩種。

水泥土攪拌樁是以水泥作為固化劑的主劑,通過特制的攪拌機械邊鉆邊往軟土中噴射漿液或霧狀粉體,在地基深處就地將軟土和固化劑強制攪拌,由固化劑和軟土之間所產生的一系列物理化學作用,形成抗壓強度比天然土強度高得多,并具有整體性、水穩(wěn)性的水泥加固土樁柱體,由若干根這類加固土樁柱體和樁間土構成復合地基。水泥攪拌樁適用于加固各種成因的軟黏土,能夠增加軟土地基的承載能力,同時減少沉降量,提高邊坡的穩(wěn)定性。

高壓噴射注漿法是把注漿管放入預定深度后,通過地面的高壓設備使裝置在注漿管上的噴嘴噴出20～40 MPa的高壓射流沖擊切割地基土體,與此同時,注入漿液使之與沖下的土強制混合,待凝結后,在土中形成具有一定強度的固結體,以達到加固改良土體的目的,增強地基強度。主要適用于軟弱土層,如第四紀的沖積層、殘積層以及人工填土等,這些正是建筑物地基常出現病害,需要進行地基處理的地層。

2.2 土釘墻

土釘墻技術是在基坑邊壁土體中放置一定長度和分布密集的土釘,土釘與周圍土體緊密結合共同工作,形成復合土體,提高了土體的整體剛度,彌補了土體自身強度的不足,從而顯著提高基坑邊坡的整體穩(wěn)定性。土釘墻由土釘、混凝土面層和防水系統(tǒng)組成。主要適用于土質較好地區(qū),我國華北和華東北部一帶應用較多,目前我國南方地區(qū)亦有應用,有的已用于坑深10 m以上的基坑,穩(wěn)定可靠、施工簡便且工期短、效果較好、經濟性好、在土質較好地區(qū)應積極推廣。

對于具有高血壓等基礎疾病患者控制好血壓，對照組患者采取血塞通治療：250ml 5%葡萄糖溶液（無糖尿病患者）或0.9%氯化鈉溶液（糖尿病患者）加入400mg注射用血塞通中，多患者靜脈滴注治療，每日1次。觀察組在此基礎上加入復方丹參滴丸：10丸/次，3次/d，治療15d為一個療程。兩組患者均治療一個療程，治療結束后比較臨床療效。

2.3 錨桿工程

錨桿支護是一種較新的深基坑支護技術,是擋土結構與外拉系統(tǒng)相結合的一種深基坑組合式支護結構。錨桿是一種受拉桿件,它的一端與工程結構物或擋土樁墻聯結,另一端錨固于地基的土層或巖層中,以承受結構物的上托力、拉拔力、傾側力或擋土墻的土壓力,它利用地層的錨固力維持結構物的穩(wěn)定,錨桿主要由錨頭、錨拉桿、錨固體3部分組成。目前錨桿的施工長度可達50 m以上,在黏性土中抗拔力可達1000 kN,被錨固的擋土墻可達40 m以上。錨桿作為一項新技術,它是施工走在前頭,設計理論落在后面,即施工工藝領先于其設計理論,目前在很多方面主要憑經驗取得成功,因此它還有待于理論上的完善。

2.4 排樁與地下連續(xù)墻

排樁墻支護體系,是由樁排式圍護墻或地下連續(xù)墻組成的圍護墻、支撐體系、防滲結構所構成的防水擋土體系。支護墻體的主要形式有:鋼板樁、鋼筋混凝土板樁、H型鋼木擋板、鉆孔灌注樁、SMW支護結構和地下連續(xù)墻。

鋼板樁是一種施工簡單,投資經濟的支護方法,它由鋼板樁、錨拉桿(或內支撐、錨碇結構、腰梁等)組成。由于鋼板樁本身柔性較大,如支撐或錨拉系統(tǒng)設置不當,其變形會增大?；由疃? m以上的軟土地層,基坑不宜采用鋼板樁支護,除非設置多層支撐或錨拉桿。鋼板樁適用于柔軟地基及地下水位較高的深基坑支護,施工簡便,其優(yōu)點是止水性能好,可以重復使用。

鋼筋混凝土板樁是一種傳統(tǒng)的支護結構,截面帶企口有一定擋水作用。鋼筋混凝土板樁施工方便,速度快,打樁后可立即開挖,工期短,與地下連續(xù)墻相比較造價低,經濟效果顯著。其支護強度高、剛度較大、變形小,打樁時的振動,擠土及噪聲對周圍環(huán)境影響較大,因此不適合在建筑物及地下管線密集的區(qū)域使用。接頭外企口具有一定的防水效果,但在高水位軟土地區(qū),仍需注意防止接頭處漏水所引起的水土流失,在硬土層中打設施工困難,不適合使用。

H型鋼木擋板是國內外常見的基坑支護結構,能充分發(fā)揮H型鋼抗彎能力強的特點,減少所需支撐或拉錨道數。適用于土質較好、不需抗?jié)B止水或是地下水位較低的基坑,如果在含水地層中使用時,需要采用人工降低地下水位或配合明溝排水,保證施工作業(yè)面的干燥環(huán)境,對水土流失的封閉作用差,需采取隔水降水措施。由于該種支護墻體形式基底以下無擋板,必要時需采取措施保證基底穩(wěn)定性。

鉆孔灌注樁將單個樁體并排連續(xù)起來便可形成排樁式擋墻,施工工藝簡單、成本低、平面布置靈活,墻身強度高,剛度大,支護穩(wěn)定性好,變形小,但整體性差,在地下水位較高的地區(qū)不能單獨起到擋水的作用,需設置擋水帷幕墻來擋水。適用于軟黏土質和砂土地區(qū),在砂礫層和卵石中施工困難,在重要地區(qū)、特殊工程及開挖深度較大的基坑中應用時特別需要慎重。

SMW支護結構是在水泥攪拌樁內插入H型鋼或其它種類的受拉材料,形成支護和防水的復合結構,在日本稱為SMW工法,同時具有受力和防滲兩種功能。在日本結合多道支撐已經應用于開挖深度達20m的基坑,近年來我國國內開始將其用于開挖深度在6～14 m的基坑支護。它施工時噪聲小,對周圍環(huán)境影響小,結構強度可靠,凡是適合應用水泥攪拌樁的場合都可以使用,特別適合于以黏土和粉細砂為主的軟土地層,擋水防滲性能好,不必另設擋水帷幕。如果能夠采取一定施工措施成功收回H型鋼等受拉材料,在費用上則大大低于地下連續(xù)墻,具有較廣闊的發(fā)展前景。

3 基坑工程存在的問題

基坑工程與其隸屬的巖土工程學科一樣,是實用性,經驗性極強的學科,是隨著工程實踐不斷提高的學科。近些年的工程實踐已經證明,在基坑工程這一領域,我們取得了許多值得驕傲的成就,但是也必須承認同時出現了很多工程事故。造成基坑事故的原因很復雜,唐業(yè)清等曾對103項深基坑工程事故的原因進行調查,統(tǒng)計結果表明,其中由于深基坑設計失誤、水處理不當、結構和基坑失穩(wěn)事故,占總事故的80%,其所造成的經濟損失也相當嚴重[7]。目前基坑存在的問題大體可表現在兩個方面:①設計階段存在的問題;②施工階段存在的問題。

設計階段存在的問題主要是基坑工程結構選型不合理?；又ёo及撐錨方法較多,為了達到同一目的,可以有多種方法,而每一種方法都有其獨特的優(yōu)點,有的速度快、有的投資少、有的噪音小等[8]。我國土地遼闊,自然地理環(huán)境不同,土質各異,地基條件區(qū)域性較強,在選擇建筑場地時,應盡量選擇地質條件良好的場地從事建設。除地基土類別的不同外,地下水位的高低、土的物理力學性質指標以及周圍環(huán)境條件等,都直接與支護結構的選型有關。

施工階段存在的問題:①基坑施工中地下水的處理不當?；邮┕ぶ?地下水的處理是一個難點,因土質與地下水位的差異,基坑開挖施工的方法也隨之不同,尤其是在沿海等高水位地區(qū)或者表層滯水很豐富的地區(qū),深基坑工程施工中地下水的處理是整個工程成敗的關鍵[8]。降低地下水位可能引起地面沉降,對環(huán)境造成不良影響,尤以深井降水影響最大,在很多失敗的深基坑工程中,有很多是因為基坑施工中地下水的降排水沒有處理好。唐業(yè)清等[7]曾對103項深基坑工程事故的原因進行調查,其中僅水處理不當就占總事故的21.4%;②信息化施工的程度不高。信息化施工是一項很有發(fā)展前途的新技術,具有代價小成效大的優(yōu)點,安全監(jiān)測是深基坑工程安全的重要保證條件之一,基坑監(jiān)測與工程的設計、施工也被稱為深基坑工程施工的三大基本要素?；庸こ淘诎l(fā)生事故前或多或少都有預兆,因為基坑工程支護結構的破壞要經歷一個由量變到質變的過程,通過信息化施工可以不斷地優(yōu)化設計方案,確?；娱_挖安全可靠而又經濟合理[8]。

我國地域廣闊,土層變化大,同時建筑物密集、地下管線眾多、交通網絡縱橫、環(huán)境保護要求較高,給基坑工程設計和施工帶來很多困難。因此,進行基坑工程的設計和施工要結合具體情況,因地制宜,不能生搬硬套,否則會帶來嚴重后果。

4 基坑工程的展望

基坑工程是巖土工程中一個新的領域,是一個很有發(fā)展?jié)摿Φ墓こ?不斷增加的工程數量,復雜多變的工程環(huán)境為基坑的發(fā)展提供了一個廣闊的舞臺。在今后的發(fā)展中,基坑工程發(fā)展趨勢主要表現在以下幾個方面:

4.1 深基坑支護結構選型

支護結構型式選擇合理,就能做到安全可靠、施工順利、縮短工期,帶來可觀的經濟與社會效益。如型式選擇不恰當,不但會危急基坑以及整個建筑物的安全,還會影響周邊環(huán)境,所以今后深基坑工程發(fā)展的一個必然趨勢就是如何使支護結構選型更加恰當。

4.2 施工工藝上的發(fā)展

隨著土釘墻方案的大量運用,噴射混凝土技術得到了充分的運用和發(fā)展;受地下空間的限制,內支撐或新型錨桿逐漸得以推廣和運用;防滲技術也不斷得到發(fā)展;在軟土地區(qū)深層攪拌樁或注漿技術大量運用。因此,隨著基坑支護新技術的大量運用,必將促進施工工藝的不斷發(fā)展。

4.3 信息監(jiān)測與信息化施工技術

信息化施工可以對基坑土層性狀、支護結構變位和周邊環(huán)境條件的變化,進行各種觀測及分析,并將觀測結果及時反饋,以指導設計與施工。為確保基坑開挖安全可靠又經濟合理,信息監(jiān)測與信息化施工技術必將成為基坑工程發(fā)展的必然趨勢。

為了滿足社會主義現代化建設的需要,相信在以后的基坑工程實踐中,隨著我國經濟建設的持續(xù)高速的發(fā)展和基坑支護理論與新技術的不斷發(fā)展,基坑工程技術水平將會不斷提高和發(fā)展,深基坑工程必將日益完善。

[1]占豐林,周玉瑩.基坑工程的研究動態(tài)及發(fā)展趨勢[J].山西建筑,2005,31(11):3-5.

[2]劉建航,候學淵.基坑工程手冊[K].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997:1-5.

[3]趙 杰,邵龍譚,李淑英.基坑工程發(fā)展現狀及存在的問題[C]//第十三屆全國結構工程學術會議論文集,南昌,2004:371-376.

[4]龔曉南,高有潮.深基坑設計施工手冊[K].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.

[5]徐宜和.基坑工程技術現狀分析[J].四川建筑科學研究,2005,31(6):113-117.

[6]劉宗仁.基坑工程[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,2007.

[7]黃運飛.深基坑工程實用技術[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2000.

[8]謝文利,王 方,何 琴.深基坑工程存在的問題以及發(fā)展展望[J].山西建筑,2007,33(10):146-148.