基坑工程开挖与支护形式的分析与探讨

摘要：通过几个工程实例，分析了目前常见的几种基坑开挖与支护形式。指出基坑工程是施工开挖与结构工程、岩土工程、环境工程等诸多学科的交汇，是一项涉及范围广且具有时空效应的综合性工程。通过对以往经验的研究，摸索出基坑工程的特点及目前存在的主要问题，可供施工人员参考。

关键词：基坑工程、特点、基坑稳定性、支护

中图分类号：TV551.4 文献标识码：A 文章编号：

0、引言

长江三角洲太湖流域的城市化程度发展极快，工程建设活动规模巨大，随着经济的飞速发展，大型商业中心及高层住宅、写字楼不断涌现，由于其规模大，体型复杂、楼层高，多有地下人防工程。俗言“万丈高楼平地起”，或称“基础牢固可保万年基业”，基坑工程作为建筑的一部分，属隐蔽工程，其设计与施工直接关系到整个建筑建设的成败，基坑开挖与支护的重要性不言自明。

1、基坑工程特点

通过对以往施工经验的总结、研究，本人认为基坑工程具有下述特点：

a、深基坑工程很强的区域性

岩土工程区域性强。如砂土地基、软粘土地基等工程地质和水文地质条件不同的地基中，基坑工程差异性很大。即使是同一城市不同区域也有差异。正是由于岩土性质千变万化，地质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，难以代表土层的总体情况，且精确度很低。因此，深基坑开挖要因地制宜，根据本地具体情况，具体问题具体分析。

b、基坑工程很复杂的综合性

基坑开挖时，由于坑内土体挖出后，地基的应力场和变形发生变化，可能导致地基的失稳，如地基的滑坡、坑底隆起及涌砂等。所以在进行支护设计（包括排桩支护与地下连续墙支护等）时，需要验算基坑稳定性(抗渗流、抗倾覆、抗坑底隆起等)，应采取必要的防范措施，使地基的稳定性具有一定的安全度。

基坑失去稳定而破坏的因素较多，这种破坏可能是缓慢地发生，也可能是突然地发生。有的如振动、暴雨、外荷或其它的人为因素；有的则主要是由于设计时安全度不够或施工不当造成的。

c、基坑工程具有很高的安全性

由于基坑开挖的区域也就是将来地下结构施工的区域，甚至有时深基坑的支护结构还是地下永久结构的一部分，而地下结构的好坏又将直接影响到上部结构，所以，必须保证深基坑工程的质量，才能保证地下结构和上部结构的工程质量，创造一个良好的前提条件，进而保证整幢建筑物的工程质量。另一方面，由于基坑工程中的挖方量大，土体中原有天然应力的释放也大，这就使基坑周围环境的不均匀沉降加大，使基坑周围的建筑物出现不利的拉应力，地下管线的某些部位出现应力集中等，故深基坑工程的质量要求高。

基坑工程特别是深基坑工程造价较高，但又是临时性工程，一般不愿投入较多资金，可是一旦出现事故，造成的经济损失和社会影响往往十分严重。基坑工程施工周期长，从开挖到完成地面以下的全部隐蔽工程，常常经历多次降雨、周边堆载、振动等许多不利条件，安全度的随机性较大，事故的发生往往具有突发性。

2、开挖、支护形式的分析与探讨

根据以上笔者对基坑工程特点的理解和分析，结合本公司实际施工案例，谈谈常见基坑工程的开挖、支护的分析与探讨。

长江三角洲太湖流域的城市化程度发展极快，工程建设活动规模巨大，目前长江三角洲地区各项工程建设活动的扰动与影响地层基本未超过第四纪沉积区的范围，典型代表是其太湖第四纪沉积区核心区的无锡地区。由于本区域第四纪成因类型复杂，其中最为复杂的是软土问题，软土通常是指近代水下沉积的饱和松软的粘性土，软土在我国滨海平原、河口三角洲、湖盆地周围及山涧谷地均有广泛分布，其主要工程特性为天然含水量高、孔隙比大、透水性差、压缩性高、灵敏度高、抗剪强度低、流变性显著、固结变形持续时间长，因此，在软土地基进行基坑施工，基坑安全是非常重要，影响基坑稳定性的因素主要为地下水、坑侧土体性质、地面堆载、邻近建筑物等，破坏形式有边坡失稳而垮塌滑移、坑外土体变形过大而影响周围建筑等安全、支护失效倾覆、底鼓隆起、渗流、管涌、流砂等。因此，应根据工程规模、基坑深度及坑侧、底岩土力学性质分析基坑的稳定性并采用相应的施工方法及支护措施。本地基坑的开挖方式有如下几种：

a、放坡、水泥土搅拌桩、钢板桩

当工程规模较小、周围无重要建筑物及大型管道等，具有自然放坡条件时，可采取放坡开挖。在放坡开挖的基坑中，边坡失稳主要由于土方开挖引起基坑内外压力差（包括水位差）。边坡的整体稳定性验算通常采用圆弧滑动法（如条分法）进行稳定性分析计算。根据本人对几项基坑工程的统计分析，深度在4m以内、坑侧无淤泥质土的基坑可进行放坡开挖，上部1.5m垂直开挖，下部2.5m采用1：1的比例放坡，降水方法采用单级或多级联合轻型井点法，强排地下水至基底标高0.50m-1.0m以下，坑侧5—8m严禁堆土超载，基坑的稳定性均能得到保证，如：凤凰城一、二期及经发广场等，采用放坡、水泥土搅拌桩、钢板桩开挖的方法均获得成功，取得了良好的经济效益。

b、水泥土搅拌桩+放坡、SMW工法、预制桩或灌注桩+锚杆

当基坑深度4—8m、规模较大或周围有建筑、河流等时，地下水位较高，随着基坑开挖加深，水力坡度加大，动水压力超过砂土或粉土颗粒自重使土颗粒悬浮时，砂或粉土与水一起涌于基坑中，产生流砂现象，同时，巨大的降落漏斗将使坑外一定范围的土体因地下水位下降而造成地面沉降、开裂等，从而影响周围建筑的正常使用。

是否产生流砂现象可按下式验算：

Icr=(ρs-1)(1-n)

式中：Icr——临界水力坡度；

ρs——土的颗粒密度；

n——土的孔隙度，以小数计。

当实际水力坡度I大于Icr时，将发生流砂现象，实际中还要考虑一个大于1.0的安全系数。影响流砂现象的因素较多，主要是土的颗粒级配、结构及埋藏条件等。当深挖时水力坡度超过临界水力坡度，又具有以下条件时，就更容易产生流砂现象。

(1)土的颗粒组成中，粘粒含量小于10%，粉、砂粒含量大于75%。

(2)土的不均匀系数小于5。

(3)土的含水量大于30%。

(4)土的孔隙比大于0.75(或土的孔隙度大于43%)。

(5)在粘性土有砂夹层的土层中，砂土或粉土层的厚度大于25cm。

流砂现象的产生，一方面将严重影响施工(如挖了又涨，无法达到设计标高)；另一方面因流砂使地下掏空，可导致土体丧失稳定性或地面产生塌陷，危及相邻建筑物的安全。防止流砂的措施主要有人工降低地下水位、水泥土墙、排桩隔水或加固坑壁以增长渗流途径减小实际水力坡度等。

根据已经建好的某商业中心为例，基坑尺寸约160.00×130.00m，呈L型，最大基坑深度约7.0m(一般地段6.3m左右)，基坑面积16500m2，坑侧土体自上而下为杂填土、粉土、粉砂，常时地下水位埋深1.7m，最高水位平自然地面。地处繁华闹市，西、南有城市干道，东侧有城市排水河，北侧有民宅区，设计对四周基坑外侧6m采用ф600mm双层水泥土搅拌桩形成环形止水围幕，桩间距450mm，局部以ф1000mm钻孔灌注桩在内侧加固，降水方法采用多级联合轻型井点法，并在回灌地下水，施工时采用1：0.8的坡度放坡，坡网细石砼护面以防边坡失稳垮塌，并在基坑外道路、房屋建筑、河流设立了一系列的沉降变形观测点，基坑施工历时4月。观测资料显示，周围建筑及道路未受施工影响，没有产生较大的地面变形，水泥土搅拌桩止水围幕＋放坡以及局部钻孔灌注桩隔水、护坡效果良好。

c、排桩或地下连续墙+内撑支护（钢支撑、混凝土）

本地基坑深度超过7m时，由于放坡开挖工作量大，基坑稳定性难于保证而多采用支护结构以保证基坑的整体稳定。常采用圆弧滑动法验算支护结构和地基的整体抗滑动稳定性，应注意支护结构一般有内支撑或外侧的锚拉结构和墙面垂直的特点，不同于边坡稳定验算的圆弧滑动，滑动面的圆心一般在挡墙上方，靠坑内侧附近。通常试算确定最危险的滑动面和最小安全系数。考虑内支撑作用时，通常不会发生整体稳定破坏。因此，对只设一道支撑的支护结构，需验算整体滑动，对设置多道内支撑时可不作验算。

深基坑工程包含挡土、支护、防水、降水和挖土五个紧密相连的环节，必须考虑环境效应，以减少施工对周围环境的影响。

某工程总用地面积为30048.5m2，总建筑面积约164784m2。地下三层（建筑面积约59914m2），负一层主要用作超市，负二和负三层用作地下停车场，地上八层、局部五～七层（建筑面积约104870m2），主要用作百货、餐饮和影院。本工程设地下室3层，基坑将开挖至-13.0m，基坑侧壁安全等级为一级。坑内土层自立性能均较差或稍差，不宜采用放坡开挖，工程周边环境复杂，基坑北侧为中山东路，地下室边线距离该侧路边约30m左右，路下有污水、给水、电信、煤气等多种管道；基坑南侧为多层老居民住宅楼，该侧建有围墙，地下室边线距离该侧住宅楼最近处约20米左右；基坑西侧为新建高层住宅楼，该侧建有围墙，地下室边线距离该侧高层住宅楼最近处约21米左右；基坑东侧为城市道路，地下室边线距离该侧路边约40m左右，路下同样设有污水、电信、煤气等多种管道。无放坡空间，根据设计采用单排钻孔灌注桩，内采用预应力钢支撑局部锚杆作为支护，外侧采用深层搅拌桩作为止水幕。

施工中加强支护变形观测，在基坑周围设多个坡顶土、桩、周围建筑、道路、地下管线的位移与沉降观测点及深层土体水平位移、地下水位观测。经精心施工本工程基坑施工安全结束。

3、分析与探讨

基坑工程是一个复杂的系统工程，涉及到基坑开挖方式 、降水防水、支护等诸多方面，设计时应根据施工方法考虑基坑的稳定性：无支护的放坡方法取决于开挖深度及土体边坡的稳定性，支挡基坑则取决于挡土(水)支护结构的合理性和可靠性，采取正确的基坑开挖方法及合理的支护措施是基坑工程成功施工的保证。

本文分析了目前常用的几种基坑开挖及支护方法，反映了一定的工程实际，但在实际设计中还应紧密结合规范，对比分析后方能应用。

参考文献

1、《《建筑基坑支护技术规程》 JBJ120-99

2. 《建筑基坑工程技术规范》YB9258-97

3. 《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011

4《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008

5. 《混凝土结构工程施工质量验收规范》，GB50204-2010；

6 “中华人民共和国工程建设标准强制性条文（房屋建筑部分）”。