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深基坑开挖支护与变形控制浅析

2014-02-10 281 0

　近年来，随着城市建设的高速发展和土地资源的日益匮乏，越来越多的建筑物向高、深处发展，就寿光这个县级市来说，2012年在建的1199个单体工程中，高层、小高层就占到了90%以上。高层建筑物的增多，必然要涉及到深基坑施工技术，本文就深基坑施工中有关开挖支护与基坑变形控制方面的问题作以简要探析。
    一、深基坑的定义
    何谓深基坑？深基坑工程在国外叫“深开挖工程”（DeepExcavation），国内深基坑的定义说法不一，现在较为通用的定义是按建设部建质 2009- 87号文关于印发《危险性较大的分部分项工程安全管理办法的通知》规定：一般深基坑是指开挖深度超过5米（含5米）或地下室三层以上（含三层），或深度虽未超过5米，但地质条件和周围环境及地下管线特别复杂的工程。
    二、深基坑围护结构体系及常用结构类型
    基坑围护结构体系包括板（桩）墙、围檩（冠梁）、支撑及其他附属构件。板（桩）墙主要承受基坑开挖卸荷所产生的土压力和水压力，并将此压力传递到支撑。围护结构的类型很多，应根据基坑深度、工程地质和水文地质条件、地面环境条件等，特别要考虑到城市施工特点，经技术经济综合比较后确定。目前我国应用较多的主要有以下几种结构形式。
    1、土钉及复合土钉围护结构。这种方法是采用钻孔机械在土体或岩石上钻孔，然后根据设计安置带肋钢筋或锚索，并沿孔全长注入水泥浆，设置钢筋网，并喷射混凝土。这种方法适合于土质较好的地段，寿光市区内大多数工程采用了这种方法。
    2、工字钢桩围护结构。工字钢一般采用Ⅰ50号、Ⅰ55号和Ⅰ60号大型工字钢。基坑开挖前，在地面用冲击式打桩机沿基坑设计边线打入地下，桩间距一般为 1.0~1.2米。基坑开挖时，随挖土方随在桩间插入50㎜厚的水平木板，以挡住桩间土体。基坑开挖至一定深度后，要设置腰梁和横撑或锚杆。工字钢围护结构适用于粘性土、砂性土、和粒径不大于100㎜的砂卵石垫层，当地下水位较高时，必须配合人工降水措施。这种结构的缺点是施工噪声太大，一般宜用于距居民点较远的基坑施工中。
    3、钢板桩围护结构。钢板桩常用断面形式，多为U型或Z型。钢板桩强度高，桩与桩之间的连接紧密，隔水效果好，可重复使用，多适用于沿海城市地下水位较高的基坑施工中。
    4、钻孔灌注排桩围护结构。钻孔灌注桩一般采用机械成孔，待成孔达到设计标高后，吊放钢筋笼并浇灌混凝土，再通过冠梁将支护桩连成整体。城区施工为降低成孔噪声，一般采用正反循环钻机泥浆护壁成孔，这种结构广泛应用于城市地铁基坑及高层建筑深基坑施工中。
    5、水泥土搅拌桩挡土结构。深层搅拌桩是用搅拌机械将水泥、石灰等和地基土相拌合，从而达到加固地基的目的。搅拌桩一般布置成格栅形，深层搅拌桩可连续搭接布置形成止水帷幕。这种结构适合于开挖较浅，土质松散、均匀、易搅拌，容易发生地下水渗透的基坑。寿光总部群17号楼基坑开挖就采用了这种挡土结构。
    6、 SMW工法桩围护结构。这种桩是利用搅拌设备就地切削土体，然后注入水泥类混合液搅拌形成均匀的挡墙，最后在墙中插入型钢，形成一种劲性复合围护结构。这种结构的特点是强度大、止水性好，开挖深度可达8.65m，内插的型钢可拔出反复使用，经济性好，这种方法源于日本，在国内上海等城市已有工程实践。
    7、地下连续墙结构。现浇钢筋混凝土连续墙施工是采用专用的挖槽设备，沿着基坑的周边，按照事先划分好的幅段，开挖狭长的沟槽。在槽段内放置钢筋笼，并浇筑水下混凝土。然后将若干个幅段连成一个整体，形成一个连续的地下墙体。地下连续墙有如下优点：施工时振动小、噪声低，墙体刚度大，对周边地层扰动小，可适用于多种地层。
    三、支撑结构体系及布置
    1、支撑结构体系
    在基坑工程中，支撑结构承受围护墙所传递的土压力、水压力。支撑结构挡土的应力传递路径是围护墙（桩）→围檩（冠梁）→支撑。在深基坑施工支护结构中，常用的支撑系统按其材料可分为现浇钢筋混凝土支撑体系和钢支撑体系两类。现浇钢筋混凝土支撑体系由围檩、支撑及角撑、立柱和围檩托架或吊筋、立柱、托架锚固件等其他附属构件组成。其特点是混凝土结硬后刚度大，变形小，强度的安全、可靠性强，施工方便，但支撑浇制和养护时间长，围护结构处于无支撑的暴露状态的时间长，软土中被动区土体位移大。施工工期长，拆除困难。钢结构支撑（钢管、型钢支撑）体系通常为装配式，由围檩、角撑、支撑、预应力设备、轴力传感器、支撑体系监测监控装置、立柱桩及其他附属装配式构件组成。其特点是装、拆除施工方便，可周转使用，支撑中可加预应力，可调整轴力而有效控制围护墙变形。但施工工艺要求较高，如节点和支撑结构处理不当，或施工支撑不及时、不准确，会造成失稳。
    2、支撑体系布置原则
    支撑结构布置应遵循以下几点：（1）应因地制宜、合理选择支撑材料和支撑体系布置形式，使其技术、经济综合指标得以优化。（2）支撑体系受力明确，能够充分协调发挥各杆件的力学性能，安全可靠，经济合理，能够在稳定性和控制变形方面满足对周围环境保护的要求。（3）支撑体系布置能在安全、可靠的前提下，最大限度地方便土方开挖和主体结构的快速施工。
    四、基坑的变形控制
    1、基坑的变形形式
    基坑开挖时，由于坑内开挖卸荷造成围护结构在内外压力差作用下产生水平向位移，近而引起围护外侧土体的变形，造成基坑外土体或建（构）筑物沉降，同时，开挖卸荷也会引起坑底土体隆起。一般来说，基坑的变形主要表现为围护墙体的水平变形、围护墙体的竖向变位、基坑底部的隆起和地表沉降等。
    2、基坑的变形控制
    当基坑临近建筑物或构筑物时，必须控制基坑的变形以保证临近建（构）筑物的安全。控制基坑变形应从两个方面着手：一是增加支撑刚度，二是减小基坑变形。主要方法有：（1）增加围护结构和支撑的刚度。（2）适当增加围护结构的入土深度。（3）加固基坑内被动区土体。实践中常采用抽条加固、裙边加固或二者相结合的形式。（4）减小每次开挖围护结构处土体的尺寸和开挖支撑时间，特别是在软土地区施工时尤为重要。（5）通过调整围护结构深度和降水井布置来控制降水对周围环境的影响。（6）基坑开挖至坑底后要及时施作垫层和结构底板。（7）适当增加监测次数和增大监测密度，做好详细记录。
    基坑支护和基坑变形涉及很多学科，工程实践中又存在很多不确定性因素，应加强工程施工信息化管理，适时监测并及时反馈分析数据，不断改进和优化基坑的支护和变形控制方案，总结成功经验，遵循“技术先进、经济合理、安全可靠”的原则，让更多成熟的施工技术应用于深基坑工程实践中。

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