深基坑支護技術的現狀與發展趨勢

徐希萍   楊永卿

(1河南工工業大學土木建筑學院  450052；2河南四建股份有限公司  450003)

1.引言

    深基坑開挖與支護結構是基礎和地下工程施工中的一個傳統課題．也是一個綜合性的巖上工程難題，涉及工程地質、水文地質、工程結構、施工工藝和施工管理。隨著城市居住空間的發展，高層、超高層建筑以及地下工程的不斷涌現．對基坑工程的要求越來越高．出現的問題也越來越多，促使工程技術人員以新的眼光去審視這一古老課題，使許多新的經驗和理論的研究方法得以出現和成熟。

    早在20世紀30年代．Terzaghi等人已開始研究基坑工程中的巖土工程問題，提出了預估挖方穩定程度和支撐荷載人小總應力法，這理論直沿用至今．只不過有了許多改進與修正。在以后的時問里，世界各國的許多學者都投入了研究，并不斷存這一領域取得豐碩的成果。在我國，20世紀80年代以后，隨著經濟發展和城市建設的需要，土地資源緊張的矛盾日益突出，向高空、向地下爭取建筑空間成為一個發展趨勢，對基坑工程的研究逐步發展起來。特別是20世紀90年代以來，隨著城鎮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，同時南集的建筑物、復雜的深基坑形式．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.深基坑支護結構類型

    2.1懸臂式支護結構

    懸臂式支護結構是指未加任何支撐或錨桿，僅靠嵌入基坑底下定深度的巖土體來平衡上部地面超載、主動土壓力以及水壓力的支護結構。分為連續的扳樁式結構、分離的排樁式結構和地下連續墻結構。對于該種支護結構．其嵌入深度至關重要。由于基坑底以上部分呈懸臂狀態，無任何支點力作用，與有內支撐的支護結構相比，這種結構的樁頂位移及構件彎矩值比較大。因此，這種立護結構形式主要用于土質條件較好、基坑深度不大及對基坑水平位移要求不很嚴格的基坑，一般開挖深度不宜大于lOm。

    2.2拉錨式支護結構

    拉錨式支護結構是由擋十結構與外拉系統組成的，分地面拉錨支護結構(外拉系統在地面設置)和錨桿支護結構(外拉系統沿坑壁土體內設置)兩類。地面拉錨支護結構由擋土結構、拉桿(索)和錨固體組成，錨固體通常使用錨周樁或錨碇板。常用于深度及規模不大的基坑或懸臂支護結構的搶險工程中。錨桿支護結構是由擋土結構及錨固于蒸坑滑動面以外的穩定土體的錨桿組成。一般用于規模較大的深基坑，鄰近有建筑物或重要管線而不允許有較大變形的基坑，以及不允許設內支撐或設內支撐不經濟等情況。

    2.3內支撐支護結構

    內支撐支護結構是由擋土結構和內支撐系統組成的結構形式。擋土結構主要承受基坑開挖所產生的土壓力和水壓力井將此側向壓力傳遞給內支撐，有地下水時也可防止地下水的滲漏，是穩定基坑的一種臨時支擋結構，一般采用護壁樁和地下連續墻。內支撐為擋土結構的穩定提供足夠的支撐力，直接平衡兩端圍護結構上所承受的側壓力。常用的有鋼支撐和現澆鋼筋混凝土支撐。

    2.4重力式擋士支護結構

    重力式擋土支護結構是重力式擋上墻的一種延伸和發展，主要以自身重力來維持支護結構在側壓力作用下的穩定。其特點是先有墻后開挖形成邊坡，因此在某種程度上重力式基坑支護結構與重力式擋十墻有較大的區別。目前，常用的重  力式支護結構主要是水泥土重力式圍護結構。該結構用于軟十的支護結構， 一般深度不大于6m，用丁非軟土基坑的支護深度可達l0m。

    2.5土釘支護

    土釘支護是用于十體開挖和邊坡穩定的一種新的擋土技術，由于經濟、可靠且施工快速簡便，已在我國得到迅速推廣和應用。它由密集的土釘群、被加固的上體、噴射混凝上面層形成支護體系。由于隨挖隨支，能有效地保持上體強度，減少七體的擾動。適用于地F水位以上或經降水后的人工填上、粘性十和弱膠結砂土，開挖深度為5m～10m的基坑支護。土釘支護不適用十含水豐富的粉細砂層、砂礫卵石層、飽和軟弱土層和對變形有嚴格要求的基坑支護，

    2.6復合土釘支護

    由于土釘支護自身具有局限性，在松散砂土、軟土及含水豐富的粉細砂層、砂礫卵石層、飽和軟弱土層不能單獨使用該  支護形式，必須與其他支護相結合使用，即所謂的“復合土釘支擴”。復合上釘支護就是由土釘、噴射混凝土與預應力錨桿或預支護微型樁或水泥土樁組合，以解決因基坑變形、土體自立和隔水而形成的支護形式。常用的復臺土釘支護南土釘+預應力錨桿+噴射混凝士、上釘+預支護微犁樁+噴射混凝土、土釘+預支護微型樁+預應力錨桿+噴射混凝上、土釘+水泥上樁+噴射混凝土、土釘+預應力錨桿+水泥土樁+噴射混凝土、土釘+預應力錨桿+噴射混凝土。

    2.7預應力錨桿柔性支護

    預應力錨桿柔性支護是用于基坑開挖和邊坡穩定的一種新型支擋技術，是南預應力錨桿與噴射混凝土面層或木板面層結合而成的一種支護方法。其中預應力錨桿是由眾多噸位較小的預應力錨桿組成的系統錨桿。由于強大預應力的作用，改變了基坑的受力狀態，減小了基坑位移，因此該方法特別適合于位移挖制要求嚴格的基坑及超深基坑的支護。

3.我國當前深基坑支護設計和施工中存在的問題  

    3.1支護結構設計計算問題

    目前，深基坑支護結構的設計計算仍基于極限平衡理論。而極限平衡理論是一種靜態設計，而實際上基坑開挖后的土體是種動態平衡狀態，也是一個松弛過程，隨著時間的增長，土體強度逐漸下降，并產生一定的變形。工程實踐證明，有的支護結構按極限平衡理論計算的安全系數，從理論上講是絕對安全的，但卻發生破壞；有的支護結構卻恰恰相反，即安全系數雖然比較小，甚至達不到規范的要求，但在實際工程中獲得成功。這說明在設計中變形和時間效應必須給子充分的考慮．但在目前的設計計算巾卻常被忽視。

    3.2基坑的上壓力計算問題

    支護結構上的土壓力的計算是基坑立護結構計算的關鍵．但目前要精確計算土壓力還十分困難。目前的支護結構設計中．一般都以古典的庫倫公式或朗肯公式作為計算上壓力的基本公式。應用這2個公式進行基坑上壓力汁算存在以下問題：(1)庫倫-朗肯土壓力理論所制對的擋士墻問題是平面問題，而深基坑開挖支護問題實際上是空問問題。(2)庫倫朗肯土壓力理論計算的是極限平衡狀態時的土壓力，但是在實際的基坑工程中，對基坑位移均有嚴格的控制要求，位移過大是不容許的。基坑擋土結構上實際發生的土壓力總是介于靜止土壓力與主動土壓力或靜止土壓力與被動土壓力之間。尤其在開挖過程中，上壓力隨開挖和支護的進行是一個動態變化過程，應用庫倫-朗肯上壓力理論無法計算出這一動態過程中相應的土壓力。

    3.3基坑的變形控制問題

    隨著城市建設的發展，城市用地越來越緊張，基坑工程往往處于房屋和生命線工程的密集地區，對基坑工程技術提出了更高、更嚴的要求，不僅要確保基坑的穩定，而且要滿足變形控制的要求，以確保基坑周圍的建筑物、地下管線、道路等設施的安全。而變形控制是現有基坑工程強度控制設計理論不夠重視的一個方面，常規計算方法對立護結構及基坑周圍十體的變形未能給出相應的解答，這是導致一些基坑工程失敗的主要原因之。侯學淵、孫家樂等深入討論，變形控制設計．提出了變形控制設計的基本思想：立護結構在滿足強度的前提下，尚需滿足其使用要求，即基坑在施工過程中既要保證其安全、不失穩，又要保證其對周圍環境不造成破壞性的影響。

    3.4地下水控制設計問題

    地下水控制是基坑工程的個難點，較通常的“降水有更加廣泛的含意，它包括降水與截水。因土質與地下水位的條件不同，基坑開挖的施工方法大不相同，不能制定統一的設計模式，這就要求設計者根據實際情況，進行地下水位控制設計。實踐中絕大多數基坑工程在控制地下水方面獲得了成功，但也有少數基坑(存在透水性大的粉土、砂土層，含水量豐富、相鄰建筑物密集)山于其降水或截水在設計或施工中存在問題而出現基坑嚴重滲漏、管涌．致使工期延長(或者更嚴重的后果)，故地下水控制設計是基坑丁程設訓和施工中十分重要的環節，必須引起重視”。

    3.5支護結構的空間效應問題

    深基坑本身是個具有長、寬、深尺寸的三維空間結構，基坑開挖過程中，基坑周邊向基坑內發生的水平位移是中間大兩邊小，深基坑邊坡失穩常常以長邊的居中位置發生，這說明深基坑開挖是個空間問題．但傳統的深基坑支護結構的設計是按平面應變問題處理的。對一些細長條基坑來講，這種平面應變假設比較符合實際，而對近似方形或長方形深基坑則差別比較大。對于支護結構的空間效應，近幾年國內外的研究取得了可喜的成果。但因為在土體力學參數的確定、有限元分析模式的選取等方面仍不能令人滿意，基坑支護結構的三維在限元分析還處于輔助設計水平。所以．在未能進行字問問題處理前支護結構的構造要適當調整，以適應開挖空間效應的要求。

4.深基坑支護技術的發展趨勢

    4.1改變傳統的靜態設計觀念

    對于深基坑支護結構的設計，國內外至爭尚沒有一種精確的計算方法，我國也沒有統一的土護結構設計規范。深基坑支護結構的設計仍采用傳統的“結構荷載法”，計算結果與深基坑支護結構的實際受力有較大差距．既不安全也不經濟。國內外巖土工作者對探討和建立動態設計體系已形成共識，許多學者已開始從事這方面的研究。近十幾年來，我國在深基坑支護技術上已經積累很多實踐經驗，收集了墻工過程中的些拄術數據，己初步摸索出巖土變化支護結構實際受力的規律，為建立深基坑支護結構設計的新理論打下了良好的基礎。

    4.2建立變形控制的新的工程設計方法

    按變形控制設計中變形控制量應根據基坑周圍環境條件因地制宜確定，不是要求基坑圍護變形愈小愈好，也不宜簡單地規定一個變形允許值．應以基坑變形對周圍市政道路、地下管線、建(構)筑物不會產生不良影響．不會影響其正常使用為標準。鑒于此，應建立新的變形控制設計方法，著重研究以下問題：(1)支護結構變形控制的標準。這是關系支護結構成敗的決定性數據-但至今仍來有一個具體標準。(2)空間應變簡化為平面應變。這是如何將開挖過程中的空間效應轉化為設計中的平面應變問題。(3)地面超載的確定及其對支護結構變形的影響”。

    4.3探討新犁支護結構的計算方法

    隨著大量高層、超高層建筑以及地下工程的不斷涌現，對基坑工程的要求越來越高，隨之出現的問題也越來越多，導致許多新的支護結構型式相繼問世，如：取排樁、土釘、組臺拱帷幕、旋噴土錨、預應力鋼筋混凝土多孔板等。但是，這些支護結構型式的計算模型如何建立、計算簡圖怎樣選取、設計方法如何趨于正確，仍是當前新型支護結構設計中急需解決的問題。目前，深基坑支護結構正在向著綜臺性方向發展．即受力結構與止水結構相結合、臨時支護結構與永久支護結構相結合、基坑開挖方式與支護結構型式相結合。這些結合必然使支護結構受力復雜，因此，工程技術人員必須探討新型支護結構的計算方法。

    4.4開展支護結構的試驗研究

    理論來自于實踐，我國至今在深基坑支護結構方面尚未進行系統的試驗研究。在支護工程施工的過程中積累的技術資料很豐富，但缺少科學的測試數據，無法進行科學分析。一些支護結構工程成功了，也講不出具體成功之處；一些支護結構工程失敗了，也說不清失敗的真實原因。因此，開展支護結構的試驗研究是非常有必要的。通過實驗室模擬試驗和工程現場試驗，發現問題、總結規律，尋找解決的問題的最佳選徑，為其他工程提供經驗和方法，減少工程事故的發生，為深基坑支護結構計算方法提供了可靠的第一手資料。

    4.5優化深基坑支護結構方案

    深基坑支護結構的設計與施工不同于上部結構，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境條件等，部直接與支護結構的選型有關。在深基坑工程中，支護結構方案的選擇至關重要，支護結構型式選擇的臺理，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。反之，一個不合理的方案即使造價報高，也不一定能保證安全。可見，支護結構形式的優化選擇是深基坑支護技術發展的必然趨勢。

    4.6發展信息監測與信息化施工技術

    基坑工程力學參數的不確定性及施工過程的不可預見性，使基坑工程設計和施工中難免出現與實際地層條件不符合的情況，需要在施工過程中通過監測信息的反饋來修正設計，指導施工。因此，基坑工程監測是基坑工程施工中的個重要的環節，組織良好的監測能夠將施工中各方面信息及時反饋給基坑開挖組織者，根據預測判定施工對周圍環境造成影響的程度，對基坑工程圍護體系變彤及穩定狀態加以評價，井預測進一步挖土施工后將導致的變形及穩定狀態的發展．制定進一步施工策略，實現所謂信息化施工。

5.結語

    深基坑支護是巖士工程中個新的領域，由于地質的復雜性、受力狀態的多變性、結構型式的多樣性，構成了其自身的特殊性，給深基礎工程領域帶來了新課題。本文對深基坑支護工程的興起和發展作了簡要的介紹．對基坑支護的現有結構類型進行了總結，重點對基坑工程中目前存在的一些主要問題和發展趨勢作了詳細的論述。相信隨著科學技術的E速發展和計算機的應用，依靠工程界、學術界的共同努力．在深基坑支護技術方面一定會出現新的突破。

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)