近年來我國深基坑工程技術的新進展

2023-01-11 15:39:04 字數 5858 閱讀 4348

深基坑工程在國外稱為「深開挖工程」(deepexc**ation),這比稱之為「深基坑」更合適。因為為了設定建築物的地下室需開挖深基坑,這只是深基坑開挖的一種型別。深開挖還包括為了埋設各種地下設施而必須進行的深層開挖。

深基坑工程問題在我國隨著城市建設的迅猛發展而出現,並且曾造**們困惑的乙個技術熱點和難點。

城市中深基坑工程常處於密集的既有建築物、道路橋梁、地下管線、地鐵隧道或人防工程的近旁,雖屬臨時性工程,但其技術複雜性卻遠甚於永久性的基礎結構或上部結構,稍有不慎,不僅將危及基坑本身安全,而且會殃及臨近的建構築物、道路橋梁和各種地下設施,造成巨大損失。從另一方面講,深基坑工程設計需以開挖施工時的諸多技術引數為依據,但開挖施工過程中往往會引起支護結構內力和位移以及基坑內外土體變形發生種種意外變化,傳統的設計方法難以事先設定或事後處理。有鑑於此,人們不斷總結實踐經驗,針對深基坑工程,萌發了資訊化設計和動態設計的新思想,結合施工監測、資訊反饋、臨界報警、應變(或應急)措施設計等一系列理論和技術,制定相應的設計標準、安全等級、計算圖式、計算方法等。

1百花齊放的基坑支護結構型別

經過工程實踐的篩選,形成了適合於不同地質條件和基坑深度的經濟合理的支護結構體系。

水泥土攪拌樁和土釘牆是我國目前的5m以內,後者乃至10m以內首選的支護形式,土層條件好時,15m左右基坑亦經常使用。前者既能擋土又能擋水,後者較多地應用於地下水位較低或者地下水位能夠被疏幹降低的場區。水泥土攪拌樁有好幾種布置型式:

實體式、空腹式、格構式、拱型或拱型加鑽孔灌注樁,既可以漿噴也可以粉噴。土釘牆可以單獨使用,也可以與其它支護型式聯合使用。

對於5-10m深軟土基坑,常採用鑽(衝、挖)孔樁、沉管灌注樁或鋼筋砼預製樁等,並可作各種布置,如需防滲止水時,則輔之以水泥土攪拌樁、化學灌漿或高壓注漿形成止水帷幕,有時亦用鋼板樁或h型鋼樁。

當基坑深度大於10m時,可考慮採用地下連續牆,或smw工法連續牆,並根據需要設定支撐或錨桿。

遇特殊結構物(如地鐵盾構的工作井、排水幫浦站、取水構築物等)則採用沉井或沉箱。在建築物基坑中也有用沉箱的。上述基坑支護體系選型完全是在近二十年中在大量的工程實踐中逐漸形成的。

它與國外及港台地區常傾向於採用地下連續牆有所不同。誠然,地下連續牆的優越性早已為世界公認。在大深度基坑和複雜的工程環境下非它莫屬。

唯其造價較高,需綜合考慮。

迄今為止,上海已在高層建築和地鐵車站等數十項工程中應用地下連續牆支護技術,廣州、北京、深圳、天津、福州、杭州等地都在應用中取得了良好效果。為了提高經濟效益,地下連續牆有時兼作地下室外牆,甚至可作為主體結構的承重牆,同時承受豎向與水平向荷載。當今中華第一高樓上海金茂大廈(地上88層,地下3層)以及天津的金皇大廈(地上47層,地下3層)等都是按地下連續牆兼作上部結構承重牆設計的。

smw工法連續牆在近年應用以來,普遍認為其效能良好,造價適宜。但我國尚缺乏自製的能用於大深度的專用機械。武漢、上海已從日本引進smw工法專用機械,正在推廣使用。

在此基礎上研製了減磨擦劑,能將加勁鋼材拔出後重複利用,更可以降低造價。

2逆作法施工技術

最早的逆作法施工技術應用於上海電信大樓(地下3層),其後如上海特種基礎科研樓(地下2層)、上海人民廣場地下變電站(基坑深23.8m,直徑64m,為我國最大直徑圓筒形地下連續牆)、上海延安東路隧道1號風塔、福州世界金龍大廈(地下3層)、上海恆積大廈(地下4層)、天津紫金花園商住樓(地下3層)、北京地鐵大北窯車站、上海地鐵黃陂路車站、陝西路車站、常熟路車站等,均以地下連續牆為擋土牆兼作地下室外牆,採用逆作法施工。也有因地制宜而採用「半逆作法」施工者,如天津勸業場新大廈等(先明挖一部分土方)。

此外,還有以鑽孔樁作為擋牆而採用逆作法施工的工程,例如:北京地鐵永安裡車站、撫順賓館(地下2層)、石家莊站前地下商場(2層)、哈爾濱奮鬥路地下商業街(2層)等。

逆作法施工可縮短基坑開挖和支護結構大面積暴露的時間,改善支護結構受力效能,使

其剛度大為增強,節省支撐或錨桿的費用,使支護結構的變形及對相鄰建築物的影響大為減少,從而使總造價降低,一舉多得,是一種先進的施工作業方法。

3一些新的支護結構經試用取得成功

例如:「閉合(或非閉合)擋土拱圈」、「拱形水泥土槽壁結構」、「連拱式支護結構」、「樁---拱圍護體系」等。

「閉合擋土拱圈」用鋼筋砼就地灌築,適合於基坑周邊場地允許擋牆在水平向起拱之處。拱圈矢高f>0.12l(基坑邊長)。

拱圈可由幾條二次曲線組成(曲線不連續),也可以是乙個完整的橢圓或蛋形拱圈(曲線連續)。作用在拱圈上的土壓力大部分在拱圈內自身平衡。

「閉合擋土拱圈」不需要深入至基坑底面以下,也不需要從地面按基坑全深度配置。它可以在坑底以上至地面以下某一高度內配置,並可分若干道施工,每道高2m左右。當基坑周邊區域性因場地限制而不能採用閉合拱圈時,可採用「非閉合拱圈」,而區域性採用排樁或其他支護結構,組成混合型支護體系。

採用「閉合」或「非閉合」拱圈,需注意驗算整體滑移和坑底隆起。

拱圈有時尚需採用水泥土攪拌樁或化學灌漿等方法形成止水帷幕。但即使如此,其造價仍低於一般的樁牆支護結構。已在廣州、珠海、深圳等地6~12m深基坑中應用,比一般樁牆結構降低造價約50%。

4支撐體系出現了多種型式

目前常用的支撐體系按其受力效能和形狀大致可分為:單跨壓桿式、多跨壓桿式、雙向多跨壓桿式、水平桁架式、水平框架式、豎向斜撐、平面斜角撐、井字撐與斜角撐結合、大直徑環梁與輻射狀支撐相結合,或與周邊桁架相結合等;同時可充分發揮圓形、橢圓形、拋物線形和拱杆的力學效能,從中採用其中一種或多種形狀相結合的形式。支撐體系出現了多種型式,可根據不同的基坑形狀、平面尺寸、開挖深度、施工方法等需要,靈活地進行設計。

上海虹橋萬都大廈多邊形基坑採用直徑92.3m的環梁與周邊框架相結合的支撐體系,是迄今國內最大的環形支撐體系。此類體系能將不均勻的徑向土、水壓力轉化為環向壓應力,使支護結構處於最佳受力狀況,在限制土體變形方面也能獲得最佳效果。

為避免整個體系向

上拱起而失穩,將整個體系設計成鍋底形,使環梁的標高低於坑周圈樑。同時,對支撐體系的溫度應力不能忽視。

5錨桿技術

錨桿技術以其能為基坑開挖提供較廣闊的空間優勢,在我國從北到南相繼獲得應用。

自早年北京地鐵西直門車站、北京京廣大廈等及上海太平洋大飯店、上海展覽中心北館等分別在北京粉細中砂地層和上海飽和軟粘土地層作了系統的測試研究後,各地對其施工工藝、材料選用,乃至拔除方法等又分別作了深入研究。上海、天津先後提出了二次注漿技術、乾成孔注漿技術等,有利於在飽和軟土中推廣應用。近年施工有許多成功的例項。

目前錨桿施工工藝領先於其設計理論。但因施工不當,在東北等地曾發生了若干起嚴重事故,應予重視。

6土體的加固

對軟土基坑,特別是深大而周圍環境條件嚴峻的基坑,在基坑內外一定範圍進行土體加固,可取得防止隆起、穩定坑壁、減少位移、保護環境的良好效果。

工程界已普遍認識到,基坑支護設計應是支擋結構、支撐錨拉體系及土體加固三項技術綜合運用,方可達到安全、經濟的目的。

土體加固除利用常規的地基處理技術外還常利用降水技術,取得了好效果。例如,上海新世界**在基坑內設定深井幫浦結合真空幫浦降水裝置,進行變流量間斷性抽吸地下水。降水後實測坑底土(原為流塑性粘性土夾薄砂)現場不排水抗剪強度平均達到30.

0kpa,比降水前提高36.4%,使土抗力顯著提高。實踐證明,在一般情況下加固坑內被動區的效果比加固坑外主動區的效果更好。

7對地質勘察的新要求

支護結構設計的內容擴充套件到了必須考慮基坑變形影響所及的周邊範圍,而不僅是侷限於支護基坑本身而已。為此,在設計前常先做好對基坑以外周邊地區的地質勘察。

勘察範圍一般至少擴大至開挖線以外相當於預計開挖深度1至2倍的範圍;而對於軟土地區,尚宜擴大。勘察點的深度應滿足基坑支護結構設計要求,在軟土地區宜達到開挖深度的2~3倍。對於深大基坑,尚應按預估基坑周圍下臥層位移的需要而確定勘察深度。

勘察點的間距一般取15~30m,對毗鄰既有建構築物及地下設施的基坑周邊,應特別仔細勘察。並應查明地表和地下水體分布、各含水層和隔水層的位置、埋深、水位及其變幅;各地層的滲透係數和水壓、流速、流向、補充**和排洩方向。特別注意流砂和水土流失問題。

為探明地下埋設物、洞穴及地層變化,採用了**雷達儀進行掃瞄檢測。

8對周邊環境的監護

調查物件包括基坑周圍相當於基坑開挖深度的2~3倍範圍內地上的建築物、高聳塔杆、輸電線纜、古建文物、道路橋梁,以及地下管線(應區別其屬壓力的或非壓力的)、人防、隧道、地鐵等設施和障礙物。如發現既有建築物等已有裂損傾斜等情況,同時收集其詳細資料,並在必要處做出標記或攝像、繪圖等。然後對調查物件承受地基變形的效能做出分析鑑定,確定應加監護方法。

監護方法有三類:一類是適當加強支護體系,對基坑毗鄰監護物件的部位將擋牆加深或將樁加長以隔斷之;第二類是對監護物件採用基礎託換、結構補強、地基加固等方法直接加以保護,使其免受基坑施工影響;第三類是對基坑底部和周圍土體區域性加固,藉以把基坑變形控制在容許範圍。這些方法分別根據工程具體情況經分析比較而後採用。

9數值法和反演分析

對不同邊界條件下土壓力的分布形式、土引數的正確取值。支護結構及基坑周圍土體的位移進行實測研究和理論**。

已編制了能模擬實際開挖施工全過程的大型平面有限元程式,除考慮結構和土的受力與變形外,還考慮土與結構的共同作用,進行了大量的數值模擬計算,分析了開挖深度、支護結構剛度、支撐設定位置、支撐剛度、坑底加固範圍以及超載寬度等各種因素對基坑開挖性狀的影響,並與工程實測作了對比,加深了對基坑工程性狀的認識。

10設計方法的變革

對支護結構採用按變形控制的設計方法,正逐漸代替傳統的單純驗算強度和穩定性的方法,並正在完善中。

變形分析方法有經驗公式法、安全係數法、數值分析法,以及根據控制值反分析法等多種方法。變形控制標準按地區經驗而有不同,並與基坑暴露時間有關。此外,還在一些工程中進行了離心載入模型試驗、**支護結構牆體和土體變形,例如上海人民廣場地下車庫、上海太陽廣場大廈、上海地鐵徐家匯車站、上海延安東路黃浦江隧道1號豎井等。

11對土方開挖施工工藝的組織與管理

研究發現,在軟土深大基坑中精心安排開挖施工分層分區分塊的部位和時間要求,以及相應的支撐設定的時間要求,以有效地控制基坑已開挖部分的無支撐暴露時間和減少土體被擾動的時間與範圍,將可以利用尚未被挖及的土體尚能在一定程度上控制其自身位移的潛力,而達到使其協力控制擋牆位移和坑周土體位移的目的。換言之,在基坑開挖施工(包括支撐設定過程)同支護結構及坑周土體位移之間,存在著一定的相關性。故科學地安排土方開挖施工順序和控制施工進度,將有助於控制擋牆和坑周土體的位移。

此項研究成果被稱為「時空效應」,已在上海地鐵車站和高層建築的許多基坑中加以運用,獲得良好的效益。它極具推廣應用的前景。

12對開挖過程實施跟蹤監測,並將資訊及時反饋

這是為了掌握支護結構和基坑內外土體移動,隨時調整施工引數,優化設計,或採取相應措施,以確保施工安全,順利進行。施工監測的作用還在於檢驗設計的正確性,並有利於積累資料,為今後改進設計理論和施工技術提供依據。

對深大基坑的監測內容通常包括:

a.支護結構的位移和內力(彎矩);

b.支撐軸力變化;立柱的水平位移、沉降或隆起;

c.坑周土體位移及土壓力變化;

d.坑底土體隆起;

e.地下水位及孔隙水壓力變化;

f.相鄰建構築物、地下管線、地下工程等保護物件的沉降、水平位移與異常現象。

監測手段常採用水準儀、經緯儀、測斜儀、分層沉降儀、土壓力盒、孔隙水壓力儀、水位觀測儀、鋼筋應力計等。目前在實際工作中,以水準儀量測牆頂和地面位移以及以測斜儀量測牆體和土體深層位移較為可靠而且特別重要。其他監測手段常被用來進行綜合分析。

用鋼筋應力計測支撐軸力時,尚應配以溫度計埋設在支撐中,以便計算溫度變化引起的應力。實測表明,由於溫度變化,支撐往往產生較大的附加軸力,對鋼筋砼支撐,可達15~20%。這說明設計時不能忽視。

鋼支撐的溫度變化應力更大。

但目前基坑工程的綜合監測水平尚不夠理想。儘管有了計算機和遙控等先進裝置,而測試元件的質量及其標定、埋設、保護和施工配合等方面存在不少問題,有待改進。

監測報警是乙個極其嚴肅的問題。做好了,可化險為夷,避免損失;否則,留下隱患,釀成事故。有的工程雖作了報警,而有關當事人並不警覺,結果釀成「大禍」,實踐中不乏經驗和教訓。

反之,如瀋陽故宮附近某工程處於回填土和含水量高的粘性土地層,基坑開挖過程中意外地測得了錨桿拉力(它反映土壓力)隨基坑暴露時間而明顯增長。由於及時報警,避免了一起事故。

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