Question

桂林岩溶区基坑支护方法与特点

Answer 1

近年来，我国的高层建筑越来越多，随之遇到的基坑开挖支护工程也越来越多，基坑工程具有工程量大，技术难度较高，不可预见因素多等特点。国内的基坑支护技术经过近三十年的发展，总体说来，在支护形式上，由过去的重力式支护、悬臂式支护、锚拉式或内支撑式排桩等单一支护，发展为两种或多种支护方式；在设计计算方法上，各种数值计算、软件等正在运用于基坑支护设计；在施工方面，采用现代化机械施工代替人工开挖，并采用信息反馈施工。基坑支护设计技术水平有了较大的发展和提高。

4.1.1　桂林岩溶区基坑支护类型

目前，桂林地区基坑支护的主要类型有以下几种。

4.1.1.1　放坡开挖

主要用于周围场地开阔，周围无重要建筑物，基坑开挖的深度不大，只要求稳定，位移控制没有严格要求，所需成本较低。

4.1.1.2　悬臂式支护结构

悬臂式支护结构是现场条件不允许天然放坡开挖，而使基坑开挖面保持稳定的结构物，广泛地应用于土质较好，如硬、可塑红粘土地基，开挖较浅的基坑工程。悬臂式支护结构是桂林岩溶区用得较多的一种支护方式，并常采用钻孔混凝土灌注桩。

钻孔灌注桩支护结构的特点是，施工时振动、噪音小，无挤土现象，对周围环境影响小；墙身强度高，刚度大，支护稳定性好，变形小；当工程桩也为灌注桩时，可以同步施工，从而施工有利于组织、方便、工期短；桩与桩之间主要通过桩顶冠梁和围檩连成整体，因而相对整体性较差，由于是悬臂，因此其抗弯能力较弱，当在重要地区，特殊工程及开挖深度大的基坑中应用时需要特别慎重。

4.1.1.3　混合支护结构

混合支护结构是由挡墙及固定挡墙就位的组合挡土结构，挡墙一般为板桩（钢、混凝土）、混凝土灌注桩，而固定挡墙的支点主要有锚杆或支撑梁。其支点可分为单层或多层，其设计方法略有不同。由于其施工相对复杂，且对周围环境有一定要求，要求锚杆施工范围内无地下管线、管道等地下设施。这种支护方式在桂林地区用得相对较少。但这种支护方式在国内其他地区广泛采用。

4.1.1.4　水泥土重力式挡墙支护结构

水泥土重力式挡墙是采用深层搅拌机就地将土和输入的水泥浆强行搅拌，形成连续搭接的水泥土柱状加固体挡墙，常用以开挖深度不大的基坑（常小于7 m）。水泥土围护墙优点是，由于一般坑内无支撑，便于机械化快速挖土；具有挡土、止水的双重功能；施工中无振动、噪音小、污染少、挤土轻微，因此在闹市区内施工更显出优越性。水泥土围护墙的缺点，首先是位移相对较大，尤其在基坑长度大时，为此可采取中间加墩、起拱等措施以限制过大的位移；其次是厚度较大，只有在红线位置和周围环境允许时才能采用。另外，在水泥土搅拌桩施工时要注意防止影响周围环境。

4.1.1.5　土钉墙支护

土钉首次使用是1972年在法国凡尔赛地区，国内则是1980年在山西柳弯煤矿的加固边坡，桂林地区采用此种支护方式是从20世纪90年代开始。有时采用在土钉墙挂网的形式，并喷射一层砼保护面层，支护效果更佳，其经济造价较低，施工较易。它具有稳定可靠、施工简便、工期较短、效果较好、经济性好的特点。

土钉墙支护，其作用与被动的挡土作用不同，它是起主动嵌固作用，增加基坑边坡的稳定性，使基坑开挖后坡面保持稳定。土钉墙主要用于土质较好地区，例如红粘土地基基坑，但它不适合在桂林漓江一级阶地的砂性土的基坑支护。

4.1.2　基坑支护设计计算

基坑支护作为一个结构体系，应满足稳定和变形的要求，即通常工程规范的两种极限状态的要求，即承载能力极限状态和正常使用极限状态。所谓承载能力极限状态，对基坑支护来说就是支护结构破坏、倾倒、滑动或周边环境的破坏，出现较大范围的失稳。一般的设计要求是不允许支护结构出现这种极限状态的。而正常使用极限状态则是指支护结构的变形或是由于开挖引起周边土体产生的变形过大，影响正常使用，但未造成结构的失稳。因此，基坑支护设计相对于承载力极限状态要有足够的安全系数，不致使支护结构产生失稳，而在保证不出现失稳的条件下，还要控制位移量，不影响周边建筑物的安全。

基坑工程支护的设计计算，从总体来说，有静力平衡法、等值梁法、弹性曲线法、有限单元法等。在1995年以前，国内还没有颁布基坑支护设计方面的规范或标准，工程技术人员大都是参考各种手册或教科书进行基坑支护设计，其计算方法、公式、参数取值各异，有时相差较大。后来，深圳、上海、武汉、广东等地相继颁布了地方设计规范，原冶金工业部和原建设部分别于1998年和1999 年颁布了《建筑基坑工程技术规范》（Y B 9258—97）和《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—99）^[45,46]。目前，桂林地区的工程技术人员，大多以建设部或冶金工业部颁布的规范作为设计依据。国内也还有许多基坑支护设计的软件，这些软件可用来计算支护结构内力、变形等，但其对设计参数的准确性要求较高；否则，计算结果误差较大。

4.1.3　基坑工程施工要求

4.1.3.1　土方开挖

基坑开挖方式直接影响支护结构的内力和变形，对基坑的稳定和安全有重要影响。土方开挖的顺序、方法必须与支护结构的设计工况一致，并遵循开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖的原则。大型深基坑开挖时，需有周密的施工方案，挖土要配合支撑施工，减少时间效应，控制围护墙变形；要保护工程桩、内支撑和降水设备；加快施工速度。

4.1.3.2　基坑降（排）水

基坑降（排）水是基坑支护的一个重要的环节，一般有明沟排水及井点降水，明沟排水适于基坑深度不大、坑内水量较小的情况，桂林地区多采用明沟排水方式。对于国内其他的一些地区，当基坑深度大，地下水位埋深浅，且基坑土体为弱透水性时，宜采用井点降水。目前，井点降水已有较成熟的计算方法，但对于计算中的一些关键参数取值，如土层渗透系数K，降水影响半径R，目前还较难准确获得，这将会直接影响计算结果。

4.1.3.3　动态信息施工

鉴于深基坑的复杂性和不确定性，理论计算还难以全面准确地反映工程进行中的各种变化，所以，在理论分析指导下有目的地进行工程监测十分必要。利用其反馈的信息和数据，一方面可及时采取技术措施防止发生重大工程事故，另一方面亦可为完善计算理论提供依据。工程监测要编制监测方案，监测内容视工程规模、周围环境情况、支护结构类型等而定。一般包括：支护结构水平变位；周围建筑物、地下管线等的变形；周护墙和支撑体系的内力；立柱的变形；土体分层位移；地下水变化；土压力及抗力等。但目前，许多基坑工程并没有这样要求。其实，进行动态信息施工，及时反馈信息，及时采取技术措施，可起到事半功倍的效果。

4.1.4　当前基坑支护设计中几个热点问题

我国的基坑支护设计是近30年才迅速发展起来的，尽管积累了许多成功的经验，但还是有许多的设计理论需要进一步探讨摸索和改进。

4.1.4.1　设计计算模式

传统基坑支护设计中的土压力计算模式，主要依赖于朗肯理论和库伦理论，国内的许多规范、手册大多倾向于朗肯土压力计算模式。朗肯土压力理论有100多年的历史，简单方便，但它是在弹性半无限空间前提条件下，并假设挡墙垂直、光滑等，依据极限平衡条件而推导出来的。与基坑工程的实际情况有一定的差异：基坑具有一定的空间尺寸边界；基坑分步开挖卸荷，并非一次加载；支护结构的位移也不一定能满足朗肯理论所要求的位移等，这些都会导致用朗肯理论来计算基坑土压力产生误差。目前，国内许多基坑工程土压力实测结果与计算结果相差较大（有时相差一倍以上），这可能是一个主要原因。因此，寻求符合基坑工程特点，又简便实用的土压力计算模式，是非常重要与迫切的。

4.1.4.2　土压力计算中的水、土分（合）算

国内长期以来，对有地下水的土压力计算，到底是采用合算，还是分算，当前还在争论之中。一般认为，对于粉土、砂土地层采用水、土分算；对于粘性土，采用水、土合算。但就目前已有的基坑工程规范或规程中，各自的规定不同，如上海市基坑支护规范，即主张各种土层都采用水、土合算。《建筑基坑工程技术规范》（YB 9258—97）主张各种土层均采用水、土分算^[45]。而《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—99）认为粘性土、粉土宜采用水、土合算^[46]。对于各种土层到底是采用水土分算还是水土合算，各地、各行业的规范或规程没有一个统一标准，由此对设计中所带来的误差也是显然的。其总的原则应该是，若地下水能在基坑土体中自由流动，则宜水、土分算；若不能，则水、土合算。但要准确严格地划分土层中的地下水是否自由流动，目前仍十分困难。

4.1.4.3　土压力计算中c、φ值的选用

基坑土体抗剪强度c、φ值，是土压力计算中最重要的两个参数。土体c、φ值指标，可以因不同的排水固结条件而表现为不同的数值，目前工程中常用的有三轴剪切试验的不固结不排水剪、固结不排水剪、固结排水剪，与之相对应的直接剪切试验分别是快剪、固结快剪和慢剪，基坑工程一般要求采用三轴剪切试验结果。

一般来说不固结不排水剪适宜施工速度快，如机械化施工开挖，透水性差的土层；固结不排水剪适宜施工速度快，土体有一定固结的土层；而固结排水剪则适宜施工速度慢，如人工开挖，土体渗透性好，能充分固结的土层。但要给以上三分情况给出一个明确的定量界限，目前还不能做到，完全依赖于设计人员的经验及水平。还有一点，对于砂、卵石层的c、φ值，如桂林漓江一级阶地的砂卵石地基，由于很难采取非扰动试样进行室内试验，其c、φ值较难准确获得，而野外原位剪切试验实施起来较困难，因此，目前多采用经验值，这对设计人员的经验要求较高。

4.1.4.4　时空效应及角落效应

时空效应最初是在上海软土地区提出并运用的，主要是解决软土的流变性对支护结构内力和变形的影响。采取分步开挖软土基坑，并减少每步开挖所暴露土层的时间，在软土地区基坑开挖中获得了成功。但目前并无一个定量的计算公式，如定量计算出每步开挖多大尺寸，开挖多长时间等，都有待于进一步研究。另外，基坑开挖后，其角落会产生应力集中，认为是危险地段；在基坑地面变形测量中发现，基坑各边中部的变形位移往往是最大，当前也无一个定量计算基坑角落应力集中及基坑中部变形的公式。

4.1.4.5　基坑工程对环境影响的评价

基坑开挖及降（排）水，将会对基坑周边范围产生影响，如基坑开挖卸荷，产生地面位移开裂；基坑降（排）水，引起周围地面沉降，甚至导致邻近建筑物开裂，目前还很难准确地计算其影响范围、位移的大小、沉降的多少，大多采用信息监测施工，事后补救的被动办法。而有些基坑工程施工造成的影响是巨大的，如城市地下煤气管道因开挖变形而破裂，就十分危害，必须事先预防。

4.1.4.6　基坑支护设计标准

目前，基坑工程设计还没有颁布国家标准，只有一些地方的或行业的设计规范、规程和指南。这些规范或规程指南中的计算公式、计算方法、参数取值原则，有时相差较大，即使对同一设计内容，各自的规定也不相同，如前述的土压力水、土分（合）算问题。这些都会给设计人员带来一定的困难，不知道如何选用设计计算方法。其实，不论何种规范标准，都不可能包罗万象，要制定一个适合全国各地的规范标准，也不现实。这就要求基坑支护设计人员，充分领会各种规范、规程、指南及设计手册中的精神实质，建立适合当地实际情况的基坑支护设计方法原则。要淡化具体设计细节，多强调设计原则，部分专家学者也认为多制定设计指南，少制定规范，以强调其引导性和指导性。