近20年来,我国各大中城市万幢高楼拔地而起,10层以上的建筑物已逾1亿平方米;其中高度超过100m的建筑物已有约200座。上海金茂大厦高420.5m,深圳地王大厦高325m,广州中天大厦高322m,它们跻身于当今世界20座超级巨厦之列,令人瞩目。同时,这些已建和在建的高楼超高大楼,其基坑深度已逐渐由6m、8m发展至10m、20m以上。伴随着这些工程大实施,深基坑工程的设计施工技术已取得了长足进步。

深基坑工程在国外称为“深开挖工程”(DeepExcavation),这比称之为“深基坑”更合适。因为为了设置建筑物的地下室需开挖深基坑,这只是深基坑开挖的一种类型。深开挖还包括为了埋设各种地下设施而必须进行的深层开挖。深基坑工程问题在我国随着城市建设的迅猛发展而出现,并且曾造成人们困惑的一个技术热点和难点。

城市中深基坑工程常处于密集的既有建筑物、道路桥梁、地下管线、地铁隧道或人防工程的近旁,虽属临时性工程,但其技术复杂性却远甚于永久性的基础结构或上部结构,稍有不慎,不仅将危及基坑本身安全,而且会殃及临近的建构筑物、道路桥梁和各种地下设施,造成巨大损失。从另一方面讲,深基坑工程设计需以开挖施工时的诸多技术参数为依据,但开挖施工过程中往往会引起支护结构内力和位移以及基坑内外土体变形发生种种意外变化,传统的设计方法难以事先设定或事后处理。有鉴于此,人们不断总结实践经验,针对深基坑工程,萌发了信息化设计和动态设计的新思想,结合施工监测、信息反馈、临界报警、应变(或应急)措施设计等一系列理论和技术,制定相应的设计标准、安全等级、计算图式、计算方法等。

1百花齐放的基坑支护结构类型

经过工程实践的筛选,形成了适合于不同地质条件和基坑深度的经济合理的支护结构体系。

水泥土搅拌桩和土钉墙是我国目前的5m以内,后者乃至10m以内首选的支护形式,土层条件好时,15m左右基坑亦经常使用。前者既能挡土又能挡水,后者较多地应用于地下水位较低或者地下水位能够被疏干降低的场区。水泥土搅拌桩有好几种布置型式:实体式、空腹式、格构式、拱型或拱型加钻孔灌注桩,既可以浆喷也可以粉喷。土钉墙可以单独使用,也可以与其它支护型式联合使用。

对于5-10m深软土基坑,常采用钻(冲、挖)孔桩、沉管灌注桩或钢筋砼预制桩等,并可作各种布置,如需防渗止水时,则辅之以水泥土搅拌桩、化学灌浆或高压注浆形成止水帷幕,有时亦用钢板桩或H型钢桩。

当基坑深度大于10m时,可考虑采用地下连续墙,或SMW工法连续墙,并根据需要设置支撑或锚杆。

遇特殊结构物(如地铁盾构的工作井、排水泵站、取水构筑物等)则采用沉井或沉箱。在建筑物基坑中也有用沉箱的。上述基坑支护体系选型完全是在近二十年中在大量的工程实践中逐渐形成的。它与国外及港台地区常倾向于采用地下连续墙有所不同。诚然,地下连续墙的优越性早已为世界公认。在大深度基坑和复杂的工程环境下非它莫属。唯其造价较高,需综合考虑。

迄今为止,上海已在高层建筑和地铁车站等数十项工程中应用地下连续墙支护技术,广州、北京、深圳、天津、福州、杭州等地都在应用中取得了良好效果。为了提高经济效益,地下连续墙有时兼作地下室外墙,甚至可作为主体结构的承重墙,同时承受竖向与水平向荷载。当今中华第一高楼上海金茂大厦(地上88层,地下3层)以及天津的金皇大厦(地上47层,地下3层)等都是按地下连续墙兼作上部结构承重墙设计的。

SMW工法连续墙在近年应用以来,普遍认为其性能良好,造价适宜。但我国尚缺乏自制的能用于大深度的专用机械。武汉、上海已从日本引进SMW工法专用机械,正在推广使用。在此基础上研制了减磨擦剂,能将加劲钢材拔出后重复利用,更可以降低造价。

2逆作法施工技术

最早的逆作法施工技术应用于上海电信大楼(地下3层),其后如上海特种基础科研楼(地下2层)、上海人民广场地下变电站(基坑深23.8m,直径64m,为我国最大直径圆筒形地下连续墙)、上海延安东路隧道1号风塔、福州世界金龙大厦(地下3层)、上海恒积大厦(地下4层)、天津紫金花园商住楼(地下3层)、北京地铁大北窑车站、上海地铁黄陂路车站、陕西路车站、常熟路车站等,均以地下连续墙为挡土墙兼作地下室外墙,采用逆作法施工。也有因地制宜而采用“半逆作法”施工者,如天津劝业场新大厦等(先明挖一部分土方)。

此外,还有以钻孔桩作为挡墙而采用逆作法施工的工程,例如:北京地铁永安里车站、抚顺宾馆(地下2层)、石家庄站前地下商场(2层)、哈尔滨奋斗路地下商业街(2层)等。

逆作法施工可缩短基坑开挖和支护结构大面积暴露的时间,改善支护结构受力性能,使其刚度大为增强,节省支撑或锚杆的费用,使支护结构的变形及对相邻建筑物的影响大为减少,从而使总造价降低,一举多得,是一种先进的施工作业方法。

3一些新的支护结构经试用取得成功

例如:“闭合(或非闭合)挡土拱圈”、“拱形水泥土槽壁结构”、“连拱式支护结构”、“桩——拱围护体系”等。

“闭合挡土拱圈”用钢筋砼就地灌筑,适合于基坑周边场地允许挡墙在水平向起拱之处。拱圈矢高f>0.12L(基坑边长)。拱圈可由几条二次曲线组成(曲线不连续),也可以是一个完整的椭圆或蛋形拱圈(曲线连续)。作用在拱圈上的土压力大部分在拱圈内自身平衡。

“闭合挡土拱圈”不需要深入至基坑底面以下,也不需要从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内配置,并可分若干道施工,每道高2m左右。当基坑周边局部因场地限制而不能采用闭合拱圈时,可采用“非闭合拱圈”,而局部采用排桩或其他支护结构,组成混合型支护体系。采用“闭合”或“非闭合”拱圈,需注意验算整体滑移和坑底隆起。

拱圈有时尚需采用水泥土搅拌桩或化学灌浆等方法形成止水帷幕。但即使如此,其造价仍低于一般的桩墙支护结构。已在广州、珠海、深圳等地6~12m深基坑中应用,比一般桩墙结构降低造价约50%.

4支撑体系出现了多种型式

目前常用的支撑体系按其受力性能和形状大致可分为:单跨压杆式、多跨压杆式、双向多跨压杆式、水平桁架式、水平框架式、竖向斜撑、平面斜角撑、井字撑与斜角撑结合、大直径环梁与辐射状支撑相结合,或与周边桁架相结合等;同时可充分发挥圆形、椭圆形、抛物线形和拱杆的力学性能,从中采用其中一种或多种形状相结合的形式。支撑体系出现了多种型式,可根据不同的基坑形状、平面尺寸、开挖深度、施工方法等需要,灵活地进行设计。

上海虹桥万都大厦多边形基坑采用直径92.3m的环梁与周边框架相结合的支撑体系,是迄今国内最大的环形支撑体系。此类体系能将不均匀的径向土、水压力转化为环向压应力,使支护结构处于最佳受力状况,在限制土体变形方面也能获得最佳效果。为避免整个体系向上拱起而失稳,将整个体系设计成锅底形,使环梁的标高低于坑周圈梁。同时,对支撑体系的温度应力不能忽视。

5锚杆技术

锚杆技术以其能为基坑开挖提供较广阔的空间优势,在我国从北到南相继获得应用。

自早年北京地铁西直门车站、北京京广大厦等及上海太平洋大饭店、上海展览中心北馆等分别在北京粉细中砂地层和上海饱和软粘土地层作了系统的测试研究后,各地对其施工工艺、材料选用,乃至拔除方法等又分别作了深入研究。上海、天津先后提出了二次注浆技术、干成孔注浆技术等,有利于在饱和软土中推广应用。近年施工有许多成功的实例。

目前锚杆施工工艺领先于其设计理论。但因施工不当,在东北等地曾发生了若干起严重事故,应予重视。

6土体的加固

对软土基坑,特别是深大而周围环境条件严峻的基坑,在基坑内外一定范围进行土体加固,可取得防止隆起、稳定坑壁、减少位移、保护环境的良好效果。

工程界已普遍认识到,基坑支护设计应是支挡结构、支撑锚拉体系及土体加固三项技术综合运用,方可达到安全、经济的目的。

土体加固除利用常规的地基处理技术外还常利用降水技术,取得了好效果。例如,上海新世界商城在基坑内设置深井泵结合真空泵降水装置,进行变流量间断性抽吸地下水。降水后实测坑底土(原为流塑性粘性土夹薄砂)现场不排水抗剪强度平均达到30.0kPa,比降水前提高36.4%,使土抗力显着提高。实践证明,在一般情况下加固坑内被动区的效果比加固坑外主动区的效果更好。

7对地质勘察的新要求

支护结构设计的内容扩展到了必须考虑基坑变形影响所及的周边范围,而不仅是局限于支护基坑本身而已。为此,在设计前常先做好对基坑以外周边地区的地质勘察。

勘察范围一般至少扩大至开挖线以外相当于预计开挖深度1至2倍的范围;而对于软土地区,尚宜扩大。勘察点的深度应满足基坑支护结构设计要求,在软土地区宜达到开挖深度的2~3倍。对于深大基坑,尚应按预估基坑周围下卧层位移的需要而确定勘察深度。勘察点的间距一般取15~30m,对毗邻既有建构筑物及地下设施的基坑周边,应特别仔细勘察。并应查明地表和地下水体分布、各含水层和隔水层的位置、埋深、水位及其变幅;各地层的渗透系数和水压、流速、流向、补充来源和排泄方向。特别注意流砂和水土流失问题。为探明地下埋设物、洞穴及地层变化,采用了地震雷达仪进行扫描检测。

8对周边环境的监护

调查对象包括基坑周围相当于基坑开挖深度的2~3倍范围内地上的建筑物、高耸塔杆、输电线缆、古建文物、道路桥梁,以及地下管线(应区别其属压力的或非压力的)、人防、隧道、地铁等设施和障碍物。如发现既有建筑物等已有裂损倾斜等情况,同时收集其详细资料,并在必要处做出标记或摄像、绘图等。然后对调查对象承受地基变形的性能做出分析鉴定,确定应加监护方法。

监护方法有三类:一类是适当加强支护体系,对基坑毗邻监护对象的部位将挡墙加深或将桩加长以隔断之;第二类是对监护对象采用基础托换、结构补强、地基加固等方法直接加以保护,使其免受基坑施工影响;第三类是对基坑底部和周围土体局部加固,借以把基坑变形控制在容许范围。这些方法分别根据工程具体情况经分析比较而后采用。

9数值法和反演分析

对不同边界条件下土压力的分布形式、土参数的正确取值。支护结构及基坑周围土体的位移进行实测研究和理论探讨。

已编制了能模拟实际开挖施工全过程的大型平面有限元程序,除考虑结构和土的受力与变形外,还考虑土与结构的共同作用,进行了大量的数值模拟计算,分析了开挖深度、支护结构刚度、支撑设置位置、支撑刚度、坑底加固范围以及超载宽度等各种因素对基坑开挖性状的影响,并与工程实测作了对比,加深了对基坑工程性状的认识。

10设计方法的变革

对支护结构采用按变形控制的设计方法,正逐渐代替传统的单纯验算强度和稳定性的方法,并正在完善中。

变形分析方法有经验公式法、安全系数法、数值分析法,以及根据控制值反分析法等多种方法。变形控制标准按地区经验而有不同,并与基坑暴露时间有关。此外,还在一些工程中进行了离心加载模型试验、预测支护结构墙体和土体变形,例如上海人民广场地下车库、上海太阳广场大厦、上海地铁徐家汇车站、上海延安东路黄浦江隧道1号竖井等。

11对土方开挖施工工艺的组织与管理

研究发现,在软土深大基坑中精心安排开挖施工分层分区分块的部位和时间要求,以及相应的支撑设置的时间要求,以有效地控制基坑已开挖部分的无支撑暴露时间和减少土体被扰动的时间与范围,将可以利用尚未被挖及的土体尚能在一定程度上控制其自身位移的潜力,而达到使其协力控制挡墙位移和坑周土体位移的目的。换言之,在基坑开挖施工(包括支撑设置过程)同支护结构及坑周土体位移之间,存在着一定的相关性。故科学地安排土方开挖施工顺序和控制施工进度,将有助于控制挡墙和坑周土体的位移。

此项研究成果被称为“时空效应”,已在上海地铁车站和高层建筑的许多基坑中加以运用,获得良好的效益。它极具推广应用的前景。

12对开挖过程实施跟踪监测,并将信息及时反馈

这是为了掌握支护结构和基坑内外土体移动,随时调整施工参数,优化设计,或采取相应措施,以确保施工安全,顺利进行。施工监测的作用还在于检验设计的正确性,并有利于积累资料,为今后改进设计理论和施工技术提供依据。

对深大基坑的监测内容通常包括:

a.支护结构的位移和内力(弯矩);b.支撑轴力变化;立柱的水平位移、沉降或隆起;c.坑周土体位移及土压力变化;d.坑底土体隆起;e.地下水位及孔隙水压力变化;f.相邻建构筑物、地下管线、地下工程等保护对象的沉降、水平位移与异常现象。

监测手段常采用水准仪、经纬仪、测斜仪、分层沉降仪、土压力盒、孔隙水压力仪、水位观测仪、钢筋应力计等。目前在实际工作中,以水准仪量测墙顶和地面位移以及以测斜仪量测墙体和土体深层位移较为可靠而且特别重要。其他监测手段常被用来进行综合分析。用钢筋应力计测支撑轴力时,尚应配以温度计埋设在支撑中,以便计算温度变化引起的应力。实测表明,由于温度变化,支撑往往产生较大的附加轴力,对钢筋砼支撑,可达15~20%.这说明设计时不能忽视。钢支撑的温度变化应力更大。

但目前基坑工程的综合监测水平尚不够理想。尽管有了计算机和遥控等先进设备,而测试元件的质量及其标定、埋设、保护和施工配合等方面存在不少问题,有待改进。

监测报警是一个极其严肃的问题。做好了,可化险为夷,避免损失;否则,留下隐患,酿成事故。有的工程虽作了报警,而有关当事人并不警觉,结果酿成“大祸”,实践中不乏经验和教训。反之,如沈阳故宫附近某工程处于回填土和含水量高的粘性土地层,基坑开挖过程中意外地测得了锚杆拉力(它反映土压力)随基坑暴露时间而明显增长。由于及时报警,避免了一起事故。

13全国性规范的编制

国家行业标准《建筑基坑支护技术规程》已编制完成并投入使用,这是我国第一部关于基坑支护的全国性专业规程。与此同时,上海、深圳、北京、广州、武汉等地及冶金部建研总院等已分别编制了地方或部门的有关深基坑支护的指南、规范或规程或征求意见稿。回顾对照1989年的《上海市标准:地基基础设计规范》中与基坑支护有关的条文仅十余条(约数百字),足见我国基坑支护技术的标准化工作已迈进了一大步。