深基坑支护施工问题与技术措施

摘  要：随着社会经济水平的提升和城市化进程的加快，许多大型建筑和高层建筑工程剧增，为了合理利用地下空间，许多大型建筑物都会建设地下室等地下设施，深基坑支护技术随之迅速发展。我国建筑事业发展尤为迅速，大规模、多功能建筑数量与日俱增。经过几年的实际应用，相关的设计与施工人员积累了丰富的经验，根据技术的不断创新，使得大量的新结构、新工艺出现。但当前的城市规划得知，城市建筑物间的距离很近，部分基坑的边缘距仅有十几米或者几米，传统的地下建筑技术已不能适应建筑需求，因此急需发展新的深基坑支护技术，为大型或高层建筑带来安全建设的保障。建筑工程质量是建立在好的基础上的，对于大型建筑来说更是如此，为此，深基坑支护施工技术的重要性日益突出。文章主要介绍了建筑工程中深基坑支护工程的特点，并对深基坑支护施工技术进行了探讨，旨在为建筑工程的安全施工提供保障。基坑工程是指在地表以下开挖的一个地下空间及其配套的支护体系。而基坑支护就是为保证基坑开挖，基础施工的顺利进行及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁以及周边环境采用的支挡，加固与保护措施。  基坑支护体系是临时结构，安全储备较小，具有较大风险，基坑工程具有很强的区域性。不同水文，工程地质环境条件下基坑工程的差异很大。基坑工程环境效应复杂，基坑开挖不仅要保证基坑本身的安全稳定，而且要有效的控制基坑周边地层移动以及保护周围环境。

关键词：建筑工程；深基坑支护；基坑降水；止水帷幕；监测

近年来，随着建筑事业的迅速发展，建筑逐渐朝着大规模、多功能方向发展，在此过程中，大型高层、超高层建筑工程也得到了进一步发展，深基坑支护施工技术的重要性日益突出。深基坑支护施工是工程建设中的重点和难点，支护措施是否有效直接关系着建筑工程施工的安全进行，也关系着基础周边建筑物的安全，因此，有必要掌握深基坑支护工程特点，结合基础周边环境采取切实有效的保护和加固措施，加强对深基坑的管理，以便确保建筑工程主体结构施工的高质、安全进行。国内外大量工程实践表明，许多工程的最危险阶段不一定是在正常使用阶段，而是在建造阶段和老化阶段。对许多工程事故常常发生在施工阶段而言，其原因除了施工质量没有保证、施工方法发生了不合理的该表、人为错误等原因以外，重要原因之一是由于对环境、地址、荷载等因素认识不足而导致设计和施工中的某种食物和疏忽所致。深基坑工程是与众多因素相关的综合技术，是一个系统的工程问题，必须具有结构力学、土力学、地基基础、原位测试等多种学科知识，同时具有丰富的施工经验，并结合拟建场地的土质和周围环境情况，才能制定出因地制宜的支护结构方案和实施办法。它与场地工程勘察、支护结构设计、施工开挖、基坑稳定、降水、施工管理、现场监测、相邻场地施工相互影响等密切相关。基坑设计与施工涉及地址条件、岩土性质、场地环境、工程要求、气候变化、地下水动态、施工程序和方法等许多相关的复杂问题，是理论上尚待完善、成熟和发展的综合技术学科。如何根据场地工程性质，水文地质、环境条件制定合理的设计方案，如何在保证稳定性的前提条件下，设计最经济的方案，也是基坑比较重要的问题，因此在基坑工程设计与施工中，需要严谨、周密的分析与计算。

1.深基坑支护工程的特点

首先，工程受自然因素、水文地质条件的影响较大，差异性显著，即使工程地处同一城市，但由于不同区域的自然环境条件不同，岩土性质也是千变万化，地址埋藏条件和水文地质条件的复杂性，不均匀性，往往造成勘察所得到的数据离散性很大，难以代表图层的总体情况，且精确度很低。因此，深基坑开挖须因地制宜，其深基坑支护工程也会不同。其次，施工会受到地下管线、周边和相邻建筑物的影响，为了确保周边环境的安全，每个基坑的施工都必须充分考虑基坑周边环境，必须对施工工序做出精密组织，对地下不明障碍物做出妥善处理。第三，作为一个临时工程，深基坑支护工程施工具有较大的风险性，其施工周期较长，隐蔽工程多，面临着众多不确定性因素，若长时间受到堆载、降雨或震动的影响，工程随时都可能发生安全事故。第四，深基坑支护工程是一项综合性、系统性的工程，涉及到支护结构的稳定性问题、地面变形问题以及土体渗流问题，只有对这三个问题进行综合处理才能保证工程质量。第五，工程对施工工期和施工质量的要求非常高，抓紧对深基坑支护工程工期的管理不单单是管理方面的要求，其对于减小基坑周边建筑物、地面、环境的变形也具有重要现实意义，另外，深基坑是后续主体结构施工的重要区域，有些深基坑支护结构甚至是建筑工程基础结构的永久组成部分，这就决定了深基坑支护工程施工必须有很高的质量水平。

1.1深基坑支护的基本特点①技术先进,结构简单,受力可靠,确保基坑维护体系能起到挡土作用,使基坑四周边坡保持稳定。②确保基坑四周相邻建筑物、地下管线道路等的安全,在基坑土方开挖及地下工程施工期间,不因土体的变形、沉陷、坍塌或位移而受到危害。③通过排水、降水、截水等措施,使基础施工在地下水位以上进行。④经济上合理,保护环境,保证施工安全。 

   1.2技术要求特点①熟悉各种地基加固、防水、降水等特种工艺的施工方法,施工流程及相关设备的选择,能够对各种方案进行质量、工期、造价的对比。②能根据各地区地质、环境施工条件的特点因地制宜选择合理的设计施工方案,在支护结构设计计算时要充分吸取当地施工技术以及工程成功和失败的经验。③能够了解主体结构的设计要求、掌握起与基坑围护结构的相互关系、处理好临时围护结构与永久性主体结构的相互关系,以及围护结构和支撑作永久性结构的技术问题。 

   1.3深基坑施工的工作特点①在技术方面应做的工作,组成从项目经理到施工班组长的技术交底班子。充分认识深基坑支护设计与施工所要达到的目的和作用,并让每位参与者都熟悉施工的每一个环节,严格执行有关规范,做到监督和管理的作用,确保施工技术方案的实施。②按图施工,动态监控。深基坑支护工作主要以挡土,防水等为主要目的,而设计的单一或复合挡土支护结构,有理论依据和可行性,必须尊重设计,按图施工,但施工中的不确定因素及设计所依据的资料有可能与实际情况不一致,要求在施工中必须依据实际的情况,相应作出一些调整,达到规范要求。 

    1.4重视信息法施工,强化信息反馈施工的技术分析与管理深基坑支护工程是包括基坑的开挖,支护,防水及环境保护于一体的复杂系统,单靠数学力学学法难以对系统的变化性状作出足够准确的预测,只凭施工经验亦是有一定。因此,只有利用监测信息反馈分析能较好地与预测系统趋势,监测方案应在施工设计方案时一同考虑,定出监测内容与要求,做到及时收集,整理,分析有关动态性,从而为及时修改设计方案及施工方案等提供准确的数据。当出现险情预兆时可提高警惕,以便及时采取措施。

2.建筑工程中深基坑支护施工技术

2.1深基坑支护设计

制定科学合理的设计方案，根据建筑工程具体施工要求，对基坑侧壁支护的承载能力极限状态进行计算，若建筑基坑侧壁的安全等级为一级或者是对其支护结构变形有严格限定的，应对基坑的周边环境以及支护结构变形进行验算。在此期间，必须做到以下几点：由于深基坑支护工程具有一定特殊性，在进行结构设计时设计人员应转变传统设计观念，掌握深基坑支护工程特点，对先进技术和设计理念进行充分利用，坚持具体问题具体分析原则；必须加大对深基坑支护结构稳定性、变形以及施工材料的试验和研究力度，使施工建立在科学的实践理论上；设计前，应根据工程具体条件收集相关水文地质资料，对建筑工程现场的地质情况进行详细勘察，必要情况下可进行室内试验以提出更好的设计方案。

对于基坑工程支护结构的设计来说，首先要面对的问题时支挡结构所受荷载，也即土压力问题。如何确定作用在支护结构上的土压力的大小和分布是基坑支护设计理论发展的一个关键问题，也是实际工程设计计算中的基本问题。

传统的设计理论（即强度控制设计理论）根据挡土结构变形方向和大小，仅考虑三种极限平衡状态的土压力（即主动、被动和静止土压力）。经典的Rankine(1857)和Coulumb(1733)土压力理论目前仍被广泛应用于深基坑工程的设计中。

根据柏林和芝加哥的实测资料，Terzaghi和Peck于40年代给出了具有支撑的支护结构土压力分布图式，Tschebotarioff（1951）也给出了类似的土压力形式，Terzaghi和Peck于1967年又进行了修正。

Finn（1967）和陈惠发等曾用极限分析方法研究了古典的Coulomb直线破坏机理问题：Daris（1968）研究了两个刚性滑块组成的稍微复杂的机理；Rosenfarb和陈惠发在土压力极限分析中做了大量的工作，研究了多种破坏机理下的主动和被动土压力。

Richard L. H.（1985）利用水平土条极限平衡原理，研究了考虑拱效应时刚性挡墙的土压力分布，发现靠近粗糙挡墙的大主应力发生了偏转，水平侧压力超过了传统计算方法得到的土压力，在矮墙上的土压力为主体自重应力的0.42倍，国外其他学者对主、被状态下的土压力也作了研究，多以刚性挡墙为研究对象，遵循平面滑裂面假定。

杨雪强、刘祖德从基坑坑壁土体的三维破坏模式出发，基于土的塑性上限理论及极限平衡分析理论，探讨了坑壁端部对支护结构上的土压力的整体屏蔽作用，提出了考虑空间效应的土压力计算公式。

考虑到基坑支护结构上的土压力受时间和空间效应的影响较大，同时基坑支护结构位移受到严格，土压力很难达到极限平衡状态，张吾渝提出了考虑位移和时间的土压力计算公式。

实际上，在工作状态上作用在施护结构上的土压力的大小和分布除了与土体的性质密切相关外，还随着支护结构的位移、支护结构的空间形状和施工工况的变化而变化。

如何对基坑支护结构内力进行计算，是基坑工程设计的又一重要问题。目前来说，基坑支护结构内力计算方式大致有以下三种方法：常规内力计算方法、弹性抗力方法、有限元法。常规内力计算方法又称为静力平衡法，是最常用的方法，包括简支梁法、等值梁法、Terzaghi-peck法等，其要点是在选择一定的入土深度，在满足总体稳定、抗隆起、抗渗流要求下，用经典土力学理论计算土压力，在利用结构力学计算支护结构内力，完成设计。弹性抗力方法又称杆系有限元法、基床系数法，针对常规方法中挡土墙内侧被动土压力计算中出现的问题提出了改进。由于挡土墙位移有控制要求，内侧不可能达到完全的被动状态，实际上仍在弹性抗力阶段，因此，引用承受水平荷载桩的横向抗力的概念，将外侧主动土压力作为施加在墙体上的已知水平荷载，用弹性地基梁的方法计算挡土墙的变位与内力。有限元法提供了一种更为合理的内力计算方法，它可以从整体上分析支护结构以及基坑周围土体各点的应力和位移形状，能够考虑土体的非线性、流变性等性质，而且可以动态模拟开挖、支撑的施工过程。随着计算机性能的提高，有限元法被越来越多的应用与基坑工程的设计中。

Clough等（1971）首先将有限元法应用到基坑变形分析中。Andrew J应用有限元分析法对波士顿邮政大楼地下停车场深基坑工程进行了计算，其中考虑了二流渗流的影响。Sunil S Rishnami（1993）应用数值模拟方法研究了渗流及土与结构相互作用对基坑围护体系的影响，并指出：渗流不仅改变了墙后土压力的大小及分布，而且还可能导致地面高程的损失。Charles W Ng和Martin Lings (1995)应用完全弹性的Mohr-Columb理论及非线块体模型对硬黏土中德基坑在有支护和无支护开挖性状进行了数值模拟研究。Wong用有限元法对施工江水的影响进行了分析，计算结构表明：降水产生的位移占总位移的比例比较大。孙钧等用有限元、边界元方法分析基坑开挖等地下工程与围岩介质的静、动态共同作用，在本构关系上引入弹性、塑性、拈弹塑性等不同的岩土介质本构模型，在几何关系上从线性发展到非线性分析。Anthong使用有限元法研究了钢筋混凝土悬臂式围护墙的性状，分析表明：侧压力的分布与土体移动密切相关，作用在墙体上的侧压力仅在墙的三分之二处接近于主动土压力。

在当前的基坑工程支护结构设计中，一直有一对矛盾困扰着设计人员，即经济性和安全性。由于目前尚缺乏可靠的设计理论和支护方案优选的方法，实际工程中有时为了安全性，支护结构选型和设计较为保守，这样就不得不加大投资，造成不必要的浪费；另一方面为了片面追求经济效益，降低了基坑的稳定性、变形控制和设计安全方面的要求，而造成工程事故，导致了更大的经济损失。解决这一矛盾的合理途径就是要找到一种有效的基坑工程支护结构优化设计的方法。例如刘建航和侯学渊主编的《基坑工程手册》中根据开挖深度和地区的不同给出了一个方案选择表；龚晓楠在主编《基坑工程设计施工手册》中只是把支护方案的选择原则简单的概括为：安全、经济、施工方便和因地制宜；另外一些专家则倾向于按某种特定的方案顺序进行选择，如秦四清提出了这样的支护方案顺序：

近年来，一些新的基坑支护方案优选方法被提出并应用于实践。优化方法是一种以数学为基础，用于求解各种工程问题优化解得应用技术，在深坑工程中优化技术得到了相应的应用。由于传统的优化方法存在许多不足，越来越不能满足工程的需求。因此，产生一些新颖的优化算法，如模糊优化理论、人工神经网络、混沌、遗传算法、金华规则、模拟退火、禁忌搜索及其混合优化策略等，为解决复杂的工程问题提供了新的思路和手段。近年来，许多学者和工程技术人员对这些优化算法在深基坑支护中应用进行了研究和探讨。

2.2深基坑支护施工

深基坑支护工程的施工要求及安全管理(1)要由有经验的专业队伍施工:深基坑支护工程是技术含量特别高的工作,其风险很大,不管从设计到施工都要有过硬的本领,一项好的设计方案,如果没有一支好的施工队伍,那么要想成功完成深基坑支护工作那是很难的。(2)做到严格管理、文明施工、安全生产,贯彻“动态设计,信息化施工”原则,认真分析施工中的土层特点和现象,及时反馈并能采取有效措施对各种问题进行处理。(3)基坑开挖的技术要求:要编写专门的开挖方案,基坑边界周围地面和坑底应设排水沟;基坑周围严禁超堆荷载;软土基坑必须分段分层间跳开挖,层高不宜超过1m;开挖时严禁碰撞支护结构;发生异常情况时应立即停止挖土,并查清原因和采取措施处理后方可再挖。(4)基坑监测的技术要求:基坑开挖前应做出系统的开挖监控方案;监测点的布置应满足监控要求,从基坑边缘以外1～2倍开挖,深度范围内需要保护物体均应作为监控对象;位移观测基准点数量多点布置,且应设在影响范围以外;各项监测的时间间隔可根据施工进程确定。当变形超过有关标准或监测结果变化速率较大时,应加密观测次数,当裂缝、沉降接近报警值时,应连续监测;监测结果应及时提交。做好抢救措施。(5)在质安管理方面的工作:施工中要及时做好材料送检工作,所用材料必须有出厂合格,送检合格后方可使用,杜绝使用不合格材料。建立以人、物为中心的安全管理体系。建产以项目经理为核心的安全管理体系(从技术上,生产安全上)选任得力,专业性强安全意识强的人作安全员,并相应明确安全职责,签订安全合同书。做好安全文教育工作,牢固树立“安全第一,预防为主”的生产方针,做好“五同时”教育工作,将各项安全工作落实并强化到人,提高全员安全意识。制定并做好质量安全检查措施,列表列出常见施工事故和施工质量隐患或通病的出现部位,产生原因,预防和补救措施。对深基坑不安全或有安全隐患部位,应明视挂牌,提醒工人注意安全,且应及时整改。 

建筑工程的深基坑支护施工中，必须确保基坑侧壁稳定，同时还应满足支护结构变形以及地下水位的控制要求，以有效保证基坑周边环境的安全。随着深基坑支护施工技术的日臻成熟，支护结构的形式更为多样，各种稳定边坡的方法也相继出现。分析本地区的实际情况，在土方开挖和支护施工时必须对施工的降排水进行充分考虑，可采用以下施工技术：

（1）基坑降水施工

在基坑降水施工中，采用循环钻机钻降水井孔，成孔完成后要进行泥浆护壁，之后采用卷扬机将无砂水泥虑管下入井中。为了防止无砂虑管出现偏位，在回填降水井滤料的时候，必须保证回填的均匀性，在降水井顶部距离地面2m的地方应回填粘性土直至地面，地面的排水管要设置在深基坑周围。通常，对于深基坑支护施工中的基坑降水，需要提前半个月进行，保证基坑开挖之前地下水位标高符合开挖要求，最好低于开挖标高的0.5-0.8m，在此过程中，应保证水位稳定，以便于在进行深基坑开挖时实施干扬作业。

在开挖深基坑时，应分别每隔8h、4h就对降水井、观测井的水位进行一次观测，将观测数据详细记录下来，以为后续工程施工的统计和分析提供必要数据支持。观测过程中，当发现观测井突然出现水位下降的情况，应马上采取措施比如回灌措施等稳定槽外水位，最大限度降低水位变化对基坑相邻建筑的不利影响。

（2）止水帷幕施工

常见的止水帷幕有高压旋喷桩止水帷幕、深层搅拌桩止水帷幕、螺旋钻机压浆止水帷幕。止水帷幕施工前，应熟悉各项施工措施，科学制定施工工艺流程和施工技术方案，做好技术交底。施工人员应当对基坑进行测量放线，将支护结构区域范围内的障碍物清除干净，检查钻杆的长度和钻头直径是否符合施工要求；将搅拌系统移动到指定桩位，在到达桩位后，测量、调整桩基垂直度，保证桩基与地面之间的夹角为直角，垂直度误差应小于1%；对于水泥浆的拌制，通常采用三喷三搅的施工工艺，应严格按照相关技术参数进行，确保水泥浆搅拌的均匀性和供浆的连续性；在压降前将浆液倒入集料斗中，之后启动搅拌机进行下沉搅拌，不宜在搅拌过程中冲水，如果遇到较大的硬土层阻碍下沉搅拌时，可适当冲水，当搅拌机下沉到设计深度后可开启灰浆泵，将其出口压力控制在0.4-0.6Mpa，连续喷入水泥浆；为了进一步保证桩顶的均匀密实性，在搅拌机提升到设计高度时，应停止提升搅拌数秒。在止水帷幕施工中还应注意以下几点：必须控制好搅拌桩的水泥用量，做好水泥类型的选择，通常采用普通硅酸盐水泥；对于桩体的压浆应当连续进行，中间不得中断施工；为了保证相邻桩的搭接质量，搭接间隔时间应小于12h，如果超过这个期限，必须采取必要的补救措施；如果施工过程中因故停浆，在供浆恢复之前应将搅拌机下沉至停浆点50cm处。

深基坑的施工管理及质量控制深基坑支护重在过程控制,一旦出现质量问题,事后纠正和补救比较困难。因此,现场工程师必须严格把关,确保基坑施工质量。(1)实行全面质量管理制度,管理落实到每一个施工工序和细节上,确保施工按设计要求及相关规范进行;凡是从事基坑支护工程设计、施工、监理的主要人员都必须经过专门培训,持证上岗;坚持见证取样制度,对进场材料严格把关。对所使用的材料、配比进行试验检查,在达到质量要求和具有合格证后方可使用。(2)基坑开挖过程中应根据监测数据进行信息化施工,及时对开挖方案进行调整,当监测数据超过报警值时,应及时通报设计、监理等有关部门,基坑开挖后应连续施工,减少基坑暴露时间,并循分层、分段、对称平衡的开挖原则。(3)核验水准点及坐标点的正确性和保护措施,审查水平及竖向施工放线是否正确,开挖过程中现场工程师要随时对基坑的开挖尺寸,水平标高和边坡坡度进行检查,随时注意基坑的变化,做好各种施工纪录,施工完成后提交完整的规范的竣工资料。(4)推行信息化施工,包括预测、信息采集与反馈、控制与决策等方面的内容。由于深基坑开挖过程中,边坡稳定存在很多潜在的危险和破坏的突然性,地下工程受各种水文、地质、雨水等复杂条件的影响,特别在基坑有基础埋置较浅的建筑,或有重要的地下电缆和市政管线,很难从理论上预估出现的问题。因此,必须加强观测,进行信息化施工,根据土层位移的时空效应,及时掌握土体变形特性,边坡的稳定状态和支护效果,发现异常情况及时采取措施,预防边坡失稳和周围建筑沉降等事故发生。(5)围护结构的施工质量及土方开挖的合理组织也是开挖成败的关键之一。良好的施工质量和合理的施工组织可以弥补设计上的某些不足,反之,低劣的施工质量和错误的施工组织会使合理的设计付诸东流,在这方面有着许多深刻的教训。此外,施工前要充分估计各种可能出现的情况,当出现险情时,准备可供选择的应急措施,以免险情出现时,措手不及,延误抢险时机,导致工程失败,造成严重损失。 

2.3拆除支撑结构

待到工程主体结构建设到四层以上、地下室的剪力墙以及框架柱具备足够的强度后，可采用机械和人工相结合的方式拆除支撑结构。在拆除过程中，应严格按照拆除顺序进行，保证现场机械、人员之间的相互配合性，时刻观察深基坑支护结构的变形情况，做好相应保护措施。拆除的顺序应本着先施工的后拆除，后施工的先拆除的原则进行。即：从下至上然后从上至下分层进行。根据流程要求拆除的顺序是先拆除第四层混凝土钢筋支撑体系，然后是三、二、一层的混凝土钢筋支撑体系，因此，拆除所必备的条件是该层楼板及结构施工完毕后，混凝土强度必须达到设计所要求的强度后方可按顺序拆除。

3.深基坑支护监测

采取多种方法对深基坑施工过程进行全面跟踪和监测。从基坑开挖开始到基坑工程全部完成，在土方开挖施工期间以及遇到特殊天气时，应每天早晚观测一次，其他时间每周观测数量应不少于2次，对观测数据进行详细记录，以为控制施工进度提供必要数据支持。另外还要根据周边环境设置一定数量的监测点加大对深基坑临近建筑物沉降的监测力度，充分利用信息化监测系统和高精度监测仪器，以准确掌握基坑临近建筑物的沉降和倾斜情况，以便对深基坑支护施工是否会对建筑物带来不利影响做出准确判断。

4.结语

深基坑支护施工是一项系统性、综合性的工作，不仅涉及到土力学、变形等相关问题，还涉及到了土与支护结构的共同作用的问题，加上建筑规模的加大在一定程度上增加了深基坑施工规模，致使其施工工期较长，这些都大大增加了施工难度。要想确保深基坑工程的安全可靠，就应加大对深基坑支护施工技术的研究，从设计和施工两方面出发，做好施工准备，进行充分协调和沟通，密切关注施工现场的变化情况，确保基坑施工质量，为整个工程建设的顺利、安全进行奠定坚实基础。

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