深基坑开挖支护现状分析及其对策

鲁班乐标探讨了深基坑工程开挖支护的特点及现状，分析了典型基坑工程事故，提出了一些行之有效的建议及措施。

1、存在的问题

近年来，城市中的建筑密度随着城市现代化的推进而增大，随着高层建筑的不断兴建，深基坑开挖支护问题日益突出。因而深基坑开挖支护及对邻近建筑、道路及设施的影响日益为工程师们所关注，研究开发出许多好的措施.但是基坑开挖深度越来越深，开挖环境日益复杂，设计及施工人员经常遇到新的问题及新的挑战，从而使基坑工程的成功率降低。尤其在上海、深圳等大城市，事故发生率更高。上海在一年之中就发生近四十例基坑事故，上海广东路某基坑事故，导致交通主干线广东路下陷1.8m，致使各种地下管线产生严重破坏，煤气泄露产生爆炸，当场熏倒二十多人，直接经济损失达五千多万元，造成了极坏的社会影响；98年深圳某基坑工程，出现了严重的塌方事故，几名施工人员被埋，基坑周围几栋建筑物出现严重破坏，轰动全国.本文通过对深基坑开挖支护现状的分析，提出一些看法和建议，供设计和施工参考。

2、深基坑工程特点及现状

(1) 基坑越挖越深。或为了使用方便，或因为地皮昂贵，或为了符合城管规定及人防需要，建筑投资者不得不向地下发展.过去建1～2层地下室，即使在大城市也不普遍，中等城市更为少见.现在在大城市、沿海地区尤其是特区，地下3～4层已很寻常，5～6层也有。因此基坑深度多在10～16m间，在20m左右的也为数不少。

(2)工程地质条件越来越差。这一点在某些沿海经济开发区较为突出。

(3)基坑周围环境复杂。重要高层和超高层建筑集中在人口稠密、建筑物密集的地方，并紧靠重要市政公路。而此处原有建筑结构陈旧，地上与地下管线密布。因此，基坑开挖不仅要保证基坑本身的稳定，也要保证周围的建筑物和构筑物不受破坏。

(4)基坑支护方法众多。诸如人工挖孔桩，预制桩，深层搅拌桩，钢板桩，地下连续墙，内支撑，各种桩、板、墙、管、撑同锚杆联合支护，此外还有锚钉墙等。

(5)基坑工程的成功率较低。一旦基坑支护失效，常造成邻近房屋、地下管线及道路的开裂，引发工程纠纷，甚至出现严重的破坏，造成重大的经济损失及人员的伤亡。

3、深基坑工程事故的分析

由于深基工程的上述特点，使深基坑支护成为一个最感头痛的工程难题.通过工程事故实例的调查分析，对其原因提出如下看法：

3.1 设计方案失误

(1)方案选择错误.此类工程事故出现较多，如济南某大厦工程，位于繁华市区，地上23层，地下3层，基坑深12m，场地狭窄，东、南、北三面距建筑物较近.施工单位提出，采用大直径灌注桩，设一土层锚杆，桩顶设混凝土圈梁的桩锚支护体系，需费用约100万元.建设单位提出，部分采用φ800悬臂灌注桩，部分采用φ150钢管悬臂桩，部分放坡方案，费用40万元.结果按建设单位方案：西侧采用1∶0.3放坡.东、南、西北浇筑C30的φ800悬臂灌注桩57根，@1800，桩长18m，悬臂12m，入坑底6m.北部用φ150钢管悬臂桩7根，@1000，桩长15m，悬臂12m，入坑底3m.结果几次断桩，塌方来势凶猛，均在瞬间发生，共造成坑内土方堆积3000m3，断桩23根，桩倾斜2根，7根φ150钢管歪倒.可见，基坑支护必需认真对待，绝不能为节省费用，随便定个方案.经分析，原先施工单位提出的方案还是可行的，建设单位乱定方案，不科学办事，结果是浪费了投资，拖延了工期，欲速则不达。

(2)实施方案与设计方案不符。

(3)止水帷幕力度不当。如南京交通银行大楼，地上28层，地下室1层，基坑深6.7m.设计方案是：支护采用800悬臂灌注桩，@1000，桩长14m，在桩顶设800×500mm圈梁，桩嵌入坑底8.8m；防水及降水在排桩背后设高压旋喷混凝土，形成止水帷幕.坑东侧42m长，距房屋15m左右，采用1∶1放坡开挖.在坑内设3个深20m管井作为降水井。实施方案是：基坑加深0.7m至7.4m，桩长改为13m，桩嵌入坑底5.6m.放坡面因场地限制改为1∶0.3～0.5。为抢进度，桩顶圈梁未施工即开始挖土，且一次挖到设计标高。基坑开挖后，东南角桩间出现大量涌泥和流沙，支护结构向基坑内侧移位达20cm以上，桩后形成5～10cm地面裂缝，放坡地段滑移失稳，降水井失效，以至东南面的和平电影院严重开裂破坏，被迫停止拆除，北侧湖南路路面开裂，被迫采用土层锚杆加固，直接经济损失100多万元。可见，不按原设计方案施工，灌注桩与喷射混凝土未形成止水帷幕是基坑事故的主要原因。

3.2 设计计算错误

(1)锚杆计算错误。如石家庄某高层建筑，建筑面积10万多平方米，地上28层，地下4层，基坑深达20.5m，东西长120m，南北宽100m.基坑用φ600灌注桩，@1000，桩长20m，入土5m，混凝土强度为C25，配12根φ22的Ⅱ级钢筋，桩顶设帽梁，帽梁顶砌5.5m高370砖墙作护墙，墙内有构造柱及压顶圈梁.护壁桩设三道130锚杆：第一道锚杆长15.5m，@2000；第二道锚杆长20m，@1500；第三道锚杆长18m，@1000.用槽钢与护壁桩相结合.1993年9月12日，施工完西部坑底垫层，施工管理人员发现基坑西部护壁桩间成片掉土，并有渗水现象，顶部砖墙外倾，顶部地面出现裂缝.9月15日西侧北部有部分腰梁槽钢脱落，部分锚杆螺母松动.施工人员将槽钢补焊接上，拧紧螺母.在坑顶局部挖土卸载.9月16日下午5时左右，基坑西部南北约50m的护壁结构迅速倒塌，折断钢筋混凝土桩48根，倒塌边缘距坑边约13m，护壁桩折成三段，折点分别在第二、三层锚杆处，第一层锚杆从土中完全拔出，第二、三层锚杆锚头拉脱，腰梁扭断开.经分析计算，第一道锚杆的锚固长度需25.6～30m，第二道锚杆的锚固长度需22～25m。可见倒塌的主要原因是设计中完全拔出，第二、三层锚杆锚头拉脱，腰梁扭断开.经分析计算，第一道锚杆的锚固长度需25.6～30m，第二道锚杆的锚固长度需22～25m。可见倒塌的主要原因是设计计算错误所导致。

(2)支护桩嵌入深度不够.上海某工程基坑采用深层水泥搅拌桩做支护，基坑开挖深度5～7m，桩长12m，嵌入深度5m.开挖到5m时未发生事故，但开挖到7m时，发生管涌，涌砂涌水.由于大量砂土冒出，最终导致支护结构全部倒塌.仅加固费就增加投资30万元(原支护结构费80万元)，工期延长2个月.经对管涌计算知，支护桩嵌入深度需7m。

(3)安全系数偏小。许多基坑设计时，为单纯追求造价，而忽略许多因素，使工程的安全系数偏小。如遇雨水或少量偶然的坑边堆载，就导致基坑的失稳。

3.3 未进行稳定验算

由很多工程事故可见，仅进行基坑支护设计或选择一个方案是不行的，还必须进行稳定验算，以确保基坑的整体及局部稳定，特别是软土地区。

3.4 施工管理方面的问题

(1)严重超挖，不遵守分层分段开挖原则；(2)坑边过量堆载；(3)管理混乱。

4、建议及对策

4.1 坚持分层分段开挖与支护的原则

一般情况下，边坡破坏有一个从局部开始，逐渐扩大的过程.首先产生局部破坏的部位为突破点.当某部位土体应力达到或超过其强度时，突破点开始破坏，并引起周围土体力学性质的变化和临近部位应力的升值，使破坏面扩大.城市高层建筑的发展，使基坑深度日益增大，边坡也越来越陡立(一般在80～90°).目前各种边坡稳定的理论计算模式都是在60°左右建立的，与陡立边坡的初始受力状态有较大差异.边坡开挖后，破坏了原自然土体的三向受力状态，在开挖面附近产生一个高能区.其中一部分能量传给周围土体，一部就成为使土体变形的动力.对近于直立的边坡，若一次开挖深度太大，积聚的能量就很大，有可能成为破坏的突破点而产生塌方.所以施工中必须控制开挖面的长度与深度，并进行快速支护，使支护尽早发挥效能，达到控制和消灭破坏突破点的目的.分层分段开挖并支护有利于边坡能量的释放.前期开挖掘层段的能量有一部分通过锚体传到土层较深部位，有一部分受已施工面板影响留在坡面浅层部位.当下一层段开挖后，就被后期开挖段吸收并释放.因此，分层分段开挖并支护的施工方法也是一个能量释放的过程，最后总的开挖能量留在坡面的较少，这对整个破面的稳定是有利的。

边坡层段开挖的大小应作为设计的重要内容，在分析土体力学性能、地下水和边坡附加荷载分布的基础上预测突破点可能产生的部位，这是划分层段的重要依据.据此绘出每一坡面的层段开挖图，作为施工依据，并在施工中根据具体情况进行调整。

4.2 信息反馈是基坑施工的重要组成部分

所谓施工过程中的信息反馈基本上指两方面：一是指坡面开挖过程中对暴露出来的地质构造、地下水分布的变化及未知地下建筑物的信息反馈；二是指施工过程中对边坡位移及应力监测的信息反馈.其中，施工中发生侧移有以下原因：(1)土力学的模糊性：土的层面结构多变，影响因素多，物理力学性能分散性大。其结构计算原理及各种参数取值有较大的模糊性，不可能一次计算到位。(2)外力作用下的变形。(3)施工阶段的不稳定性。

4.3 支护结构的革新

(1)从结构受力改变结构形式。闭合拱圈挡土、连拱式基坑支护，都是将平面结构改变为空间支护结构，利用拱的作用，一方面减小土对桩的侧向压力，另一方面将结构受弯变为拱圈受压，充分发挥混凝土的受压特性，降低了工程费用。

(2)从施工方法上改变。桩墙合一地下室逆作法，是将基坑支护桩和地下室墙合在一起，将地下室的梁板作为支护，从地下室顶往下施工，地下室外墙也施工.它的优点是节约投资，在地下水丰富、不易降低水位地区，尚须作防水帷幕。

(3)发展新的支护方法。近年来，喷锚网支护法、锚钉墙法在工程中得到应用，并显示了显著的经济效益.它不要一根桩、一块板、一根管、一根撑，完全抛弃了传统法及其被动支护概念，以尽可能保持、显著提高、最大限度地利用基坑边壁土体固有力学强度，变土体荷载为支护结构体系的一部分.它主动支护土体，并与土体共同工作，具有施工简便、快速、及时、机动、灵活、适用性强、随挖随支、挖完支完、安全经济等特点。其工期一般比传统法短30～60天以上，工程造价低10%～30%.支护最大垂直坑深18m，建筑淤泥基坑深达10m。

4.4 进一步研究基坑支护理论

可以看到，随着国民经济的飞速发展和城市现代化的进程，基坑工程的可靠性成为高层建筑亟待解决的问题.因此进一步探讨基坑支护的方法和计算理论，尤其是新型支护方法的计算理论，乃为工程实际所急需。如喷锚网支护法、锚钉墙法。

4.5 探讨基坑护壁抢险技术

如前所述，基坑工程的破坏率较高。因此，配合施工过程的监测与信息反馈技术，进行基坑护壁抢险技术的探讨非常必要.目前，发现基坑护壁失效，采用的方法是停止开挖或回填土方等，收效甚微。因此在支护设计或确定施工方案时，就必须考虑基坑护壁的抢险措施。如基坑护壁帷幕漏水化学灌浆抢险技术，具有简单、经济。快速和有效的特点，是目前基坑漏水涌砂最好的抢险补救方法。