深基坑工程施工稳定性分析

摘要：本文阐述了复杂深基坑稳定问题的繁杂性，分析了基坑失稳因素，及其失稳机理、危害、治理措施。

关键词：深基坑稳定性 机理

Abstract: this article expounds the deep foundation pit stability of complex multifarious sex, analyzes the factors of instability of foundation pit, and its instability mechanism, hazard, management measures.

Keywords: deep foundation pit stability mechanism

中图分类号：TV551.4 文献标识码：A文章编号：

1 深基坑稳定问题的繁杂性

我国城市基础设施及高层建筑建设都涉及到深基坑开挖问题，因基坑开挖深度越来越大，对于由软土-地下水-支护结构-坑内外土中结构物( 包括桩) 组成的繁杂多体多场系统，在外荷载作用下，产生结构体的变形、土体变形和土中水的渗流，形成应力场、位移场、渗流场，从而构成了多体在多场条件下变形与稳定问题。国内外软土工程发生的大量稳定破坏问题已表明，软土-地下水-支护结构及坑内外工程桩等组成的复杂多场、多体体系的相互作用越来越复杂，其稳定破坏机理越来越复杂，稳定破坏的风险识别越来越困难。

例如，某地区发生垮塌的地铁基坑，其基坑剖面如图1所示。一段明挖区段隧道，在挖至第10道支撑的时候，长约100m区段的围护体系完全崩溃，基坑倒塌，造成4人死亡，3人受伤。事故现场塌陷区宽150m，长100m，深30m，紧邻基坑的Nicoll 快速道中断，相关的城市生命线等受损严重。此事故使地铁环线工程延期，车站被迫转移到100m以外。

图1 事故发生地点典型剖面

虽然稳定破坏常常被认为是一个突然的过程，但该工程由开挖产生变形至发展至失稳破坏的过程却是一个渐进的过程，并首先从第9道支撑与腰梁连接的节点屈服开始。发生垮塌当天9:00左右，第9道水平支撑的轴力开始出现下降，同时，第8道水平支撑的轴力开始增加。至10:00开始，第9道支撑的轴力急剧下降。至失事前，第9道支撑轴力急剧下降，而第8道支撑轴力急剧上升，而后在2道支撑失效的情况下地下连续墙断裂，至下午整个围护体系彻底崩溃。

实际施工时，自第7道水平支撑开始，将第7～10道水平支撑与腰梁节点处H型钢腰梁的钢板加强板改为槽钢，如图2所示。事故发生后的模型试验和数值分析均表明，虽然将钢板改为槽钢使腰梁的极限承载力略微提高，但其延性大大降低。槽钢在超过峰值承载力后屈服并产生偏斜失稳，此后水平支撑与腰梁节点承载力急剧下降并导致其原承担的荷载向其他支撑转移，使其他水平支撑腰梁连接节点本身承载力不足的问题更加突出。

a 钢板加劲肋 b槽钢腰梁加劲肋

图2 屈服的腰梁

此外，在原支撑设计中，第7～10道支撑与腰梁的连接有八字撑，如图3所示。八字撑有增加支撑整体性和稳定性、减小腰梁受力集中的作用。但是实际施工中，部分水平支撑省略了八字撑，基坑坍塌前最先屈服的支撑就是没有八字撑的。设计人员在确定双肢型钢对撑作用在腰梁上的荷载时，假定八字撑可承担1/3的荷载，对撑承担剩余70%荷载。当实际施工取消八字撑后，对撑作用在腰梁上的轴力就变为100%了。由于采用图3b所示的槽钢加劲板的腰梁节点抵抗失稳的承载力为2218kN，作用在腰梁上的实际荷载为3543kN，当设有图3b所示的八字撑时，由钢管撑作用在腰梁上的轴力(3543kN×0.67= 2373kN) 虽然仍大于腰梁腹板的抵抗失稳的承载力，但如果腰梁加强钢板仍采用如图2a所示的钢板，由于其延性较好，在加强钢板发生失稳变形时，作用在其上的冗余荷载必然可向八字撑转移，而不致发生实际工程中的迅速破坏。此外，由于地下连续墙产生了较大的挠曲和水平位移( 最大水平位移为45cm)，墙体的转动也客观上促进了腰梁节点的失稳。

a单道对撑 b双道对撑

图3 两种八字撑形式与反力分配情况

从本工程可看出，在多体多场条件下，结构物(地下连续墙) 首先出现过大变形，以及腰梁与水平支撑传力节点承载力不足，二者共同导致节点失稳，使水平支撑轴力大幅度下降，并进一步引起地下连续墙变形和内力的增大，最终地下连续墙断裂而引发坑外软土整体滑动面的形成而导致基坑整体失稳。

2 基坑施工全过程存在的稳定问题

根据国内外基坑失稳的研究成果和大量工程事故案例，根据其诱发失稳直接原因，分为以下4类，对其失稳机理、危害、治理措施进行分析。

2.1 支护结构施工引发的稳定问题

在基坑支护结构施工期间，也存在一些稳定问题，例如地下连续墙成槽时槽壁的稳定、大直径灌注桩成孔时孔壁的稳定问题。槽壁坍塌、孔壁坍塌均会对环境造成影响。基坑支护结构施工阶段的稳定破坏主要为以下几类。

1) 地下连续墙成槽塌槽产生机理:①槽段内泥浆不能补偿槽段开挖前槽壁应力;②槽外超载过大，堆载或交通等动荷载过大;③槽外施工振动扰动。产生的危害:①地表下沉;②邻近建筑物沉降或破坏;③邻近管线变形;④邻近地下隧道变形;⑤邻近建筑物、桥梁桩基位移、产生附加弯矩。采取的控制措施:①膨润土泥浆护壁;②与建筑物之间设置隔离排桩或隔离墙;③减小槽段长度;④控制槽外荷载;⑤控制槽外施工振动。

2) 大直径、密排灌注桩成孔塌孔产生机理:①孔内泥浆不能补偿槽段开挖前孔壁应力;②孔外地面堆载或交通等动荷载过大;③孔外施工振动扰动。产生的危害:①地表下沉;②邻近建筑物沉降或破坏;③邻近管线变形;④邻近地下隧道变形;⑤邻近建筑物、桥梁桩基位移、产生附加弯矩。采取的控制措施:①膨润土泥浆护壁;②桩实行跳打;③设置隔离排桩或隔离墙;④控制孔外荷载;⑤控制孔外施工振动。

2.2 水平支撑系统(或锚杆) 破坏引发的失稳

对软土中的深基坑来说，当设置多道水平支撑时，如上部水平支撑( 或锚杆) 破坏，往往会引发竖向挡土结构倾覆;而当下部水平支撑( 或锚杆) 破坏时，如竖向挡土结构未穿过软弱土层进入较好土层时，则会发生整体失稳破坏、隆起破坏或踢脚破坏;当竖向挡土结构穿过软弱土层进入较好土层时，下部水平支撑(或锚杆)的破坏则会首先引起竖向挡土结构的破坏而导致基坑外软土形成滑动面，造成基坑失稳。基坑水平支撑(锚杆) 系统破坏引发的稳定破坏形式主要为塌落失稳压碎，产生机理如下:①钢筋或混凝土强度、截面不足;②坑外堆载或交通等动荷载过大;③设计土压力偏小，高估土体强度、土压力计算模型偏差;④随意改变基坑下部水平支撑位置或不设置;⑤支撑上堆载、挖土机或重物碰撞;⑥立柱间距过大;⑦立柱失稳;⑧基坑超挖。产生的危害:①严重时基坑垮塌;②周围地表下陷;③邻近建筑物沉降或破坏;④邻近地下隧道破坏或变形;⑤邻近管线破坏;⑥人员伤亡。采取的预防措施:①合理设计支撑强度、刚度;②不得随意改变支撑设置标高，严禁减少支撑;③控制坑外荷载;④进行精细的勘察及土体参数确定;⑤使用合理的土压力模型;⑥减小立柱间距;⑥立柱间设置横撑;⑦严禁基坑超挖。