工程施工中深基坑开挖施工技术的探讨

摘要: 对深基坑开挖施工方法的研究,既是老课题,又是新问题,可以说方法很多,且深浅不一。本文针对深基坑开挖的施工方法,着重从“做好施工前的分析与准备,选择合理的施工方法,几种特殊情况的处理”等方面进行了充分论述。

关键词: 深基坑; 施工方法；情况处理

一、前言

俗话说:“万丈高楼平地起”。大概含意是说建设高楼是从基础开始的,表明根基非常重要。过去,大多是建平房,基坑不会太深。随着社会的进步,城市高楼林立,楼层越来越高;根基由几米变成了几十米。特别是各类用途的地下空间,诸如地下停车库、地下街道、地下商城、地下医院、地下仓库、地下民防工事以及各种地下民用和工业设施等已在世界各大中城市中得到开发利用。同时,地下工程建设项目的数量和规模迅速增大,如高层建筑物基坑、大型管道的深沟槽、越江隧道的暗埋矩形段及地铁工程中的车站深基坑等。这些地下空间的建设,多采用费用低廉、施工方便的明挖法,由此而产生了大量深基坑工程,其规模和深度不断加大,且城市基坑工程往往处于房屋和生命线工程的密集地区。如果对深基坑开挖组织不好,定会给人们的生命财产带来威胁。从媒体上可以得知,随着各大城市高楼的不断增多,因深基坑开挖造成的事故越来越多。所以,加强对深基坑的研究和探讨十分必要。

二、做好施工前的分析与准备

1.了解深基坑开挖的设计方案

深基坑开挖的重要依据就是设计方案。可以说设计方案是施工安全的重要技术保证。设计方案是深基坑技术专家根据实际情况而制定的,有很高的技术含量。不论是从强度控制设计到变形控制设计,还是从基坑围护结构设计,其目的:一是保证基坑稳定,二是减少对周围环境的影响,三是确保施工安全可靠。要实现这些目的就要吃透设计方案,做到心中有数。分析出设计方案的重点和难点,把握在施工中的关键部位和环节。

2.要了解深基坑的水文地质特性

对深基坑水文地质的了解和掌握,不单是设计人员的事,作为施工单位的领导和员工都应掌握。因为水文影响施工的质量和效率,影响施工组织和管理,影响施工技术的运用和事故预防。中国地大物博,东西南北水文地质差别很大,在南方施工与在北方施工大不一样。在水位上,南方水位浅,北方水位深。在土质除有地域差别外,同一样地域也有所不同。靠江海湖泊更不用说。如:有的地层上部以粘性土为主,下部以砂、砾石层为主,自上而下可划分为杂填土、可塑状粘土、淤泥质粉质粘土、可塑一硬塑状粘土、软塑状粉质粘土、粉砂或粉土夹软塑状粉质粘土、粉细砂、细砂、中粗砂、砾砂、碎石土等。有的地区深基坑开挖的地质容易出现基坑边坡滑移、基坑涌水、流砂及其引起的地面沉陷、基坑井点降水引起的地面沉降、道路开裂、房屋开裂等。只有对深基坑的水文地质掌握了,才能在具体施工中做到临危不惧,举措得当。

3.要了解深基坑的环境状况

深基坑开挖的事故中,除了施工单位内部因组织、技术和管理不力造成的事故外, 主要是深基坑开挖时对周围环境缺乏了解研究而造成的事故。例如在广东某工程因深基坑开挖造成的事故就足以说明了对深基坑环境状况了解的重要性。这个工程基坑面积仅6.0m2×610m2,但基坑的开挖深度达到8.4m深,且整个设备基础基坑在厂房内施工。厂房建筑为已建单层钢筋混凝土排架结构,层高为10m,基础为天然地基独立基础。基坑边缘距离最近的两个排架柱边为6m左右,排架基础为5.2m×5.2m的矩形独立基础,基础埋深为室内地坪以下1.5m,基坑边缘距离厂房排架柱基础边的距离仅3m左右。因此该基坑虽小,但在开挖过程中的位移影响将涉及到整个厂房的使用和安全。这起基坑事故的发生主要是由于业主和施工单位未足够重视,对这种深小基坑纯粹抱着一种侥幸心理。既没有对水文地质进行很好化验,也没有对厂房、设备等特殊环境引起重视,因围护不力而造成事故发生。据后来化验情况地质条件不适合所采用的施工围护方法。场地土层物理力学性质见下表。

某场地土层物理力学性质表

土层编号 土层名称 层厚（m） 层底深度

(m) 容量r0

kN/m3 内聚力C

(KPa) 内摩擦角

从地质报告中液化分析表明,该场地浅层B2层灰色砂质粉土严重液化,尤其是深度10m处液化指数 = 27.48,静力触探Ps值出现峰值。B1层褐黄色粉质粘土和C层淤泥质粉质粘土的水平渗透系数为10_5～10_6之间,而B2层灰色砂质粉土的水平渗透系数达到为10_4数量级。这是因对环境情况缺乏了解而造成事故的典型案例。

三、选择合理的施工方法

深基坑开挖的施工方法很多, 我认为最合理方法是:

(1) 根据基坑工程设计所选定的主要施工参数,按基坑规模、几何尺寸、支撑形式、开挖深度和地基加固条牛,提出详细的可操作的开挖与支撑的施工程序及施工参数。按分层、分步、对称、平衡的原则制定开挖与支撑的施工工序和施工参数。最主要的施工参数是分层开挖的层数、每层开挖深度,以及每层开挖中基坑挡墙被动区土体开挖后、挡墙未支撑前的暴露时间和暴露的宽度及高度。大面积不规则形状的高层建筑深基坑中,基坑挡墙被动区土体在基坑中间部分地层先开挖的过程中,被保留成支承挡墙的土堤, 此土堤断面尺寸按其能抵住挡墙的要求而定,亦为主要设计参数。

(2) 严格按选定的施工程序和施工参数施工,就使复杂多变的施工因素变为较明确而有规律性的施工因素,其引发的时空效应也能较符合设计预期的要求。如在长条形地铁车站深基坑中,基坑开挖和支撑的施工技术要点是:按一定长度分段开挖和浇筑结构,在每段开挖中;再分层、每层分小段地开挖和支撑,随挖随撑,施加支撑预应力,完成每小段的开挖和支撑的施工时间限制在一定范围之内。再如在不规则的大型高层建筑地下室的基坑施工中,采用分层盆式开挖法,在每一层先挖中间部分并安装或浇筑此范围的支撑,而后将各根支撑两端所留支承挡墙的土提,分步、对称地挖除并即安装或浇筑其间顶住挡墙的部份支撑。每个分步的开挖和支撑施工时间,根据支撑形式等具体情况,具有明确的控制值。各种形式的基坑均优先考虑以井点降水法改善土性,减小土的流变变形。

四、几种特殊情况的处理

1.深基坑支护综合处理

所谓基坑支护综合处理就是根据基础各部位开挖深度的不同,采取了不同的临时支顶斜撑和加强被动区措施,同时采用挖土卸荷、轻型井点降水及回灌等技术, 达到了施工周期短、投资少和保证基坑及周边建筑安全的目的。在深基坑支护处理时需要掌握以下原则:一是尽量保留原有支护桩,使其充分发挥作用,以节约投资。二是确保基坑支护结构在基础施工过程中安全可靠。三是避免因基坑周围土体变形和降水不当,造成邻近建筑、道路和地下管线的不均匀沉降。四是便于施工操作。依据这些原则,科学合理地确定基坑支护综合处理方案。即采用土体卸荷、对不同的开挖深度采取不同的支顶斜撑和不同的承台胎模的作法; 降水采用轻型井点和回灌的措施。

如某建筑工程位于河侧500m。地下1层,地上15层,建筑面积11000m2,钢筋混凝土框架剪力墙结构。在具体施工中,基坑四周布设双排喷水泥浆深层搅拌桩,桩径Φ500mm,桩长12m,桩顶标高_ 2.5m,桩间距350mm,排距400mm。东西两侧距离办公楼、住宅楼分别为3 m、5m处,各布置14根钢筋混凝土灌注桩,桩径Ф600mm, 桩长12m,间距1.5m,顶标高_118m,混凝土强度等级C25。周围均匀布置8Φ18受力筋。南北两侧帷幕桩兼作支护桩。实际操作工序是:施工准备一卸荷区统一挖土至_3.5m一支护桩内侧边3套轻型井点管埋设,打回灌井、观测井,组装降水回灌系统一降水回灌一基坑内土方开挖,支护桩内侧宽2.5m的范围挖至_5.1m时暂保持不动,其余部位挖至_6m一条形承台部位挖至_6.8m,支顶斜撑,挖除支护桩内侧保留土:砌筑砖胎模砌体兼支护墙,拆除斜撑一电梯基坑外侧1套轻型井点管埋设, 机组组装降水一电梯基坑部位挖土,斜撑处斜面分层挖土,分别支顶_5.0m、_ 6.6 m、_ 7.5 m、_ 8.2 m斜撑,支模浇筑钢筋混凝土胎模兼支护墙,割除斜撑,封斜撑管口一电梯基坑部位基础承台施工一拆除电梯基坑外侧1套轻型井点一其余承台筏板施工。

2.深基坑施工中的地下水处理

深基坑开挖一要保持基坑干燥状态,二要确保边坡稳定,否则轻则影响施工进度,重则容易酿成事故。如有的基坑积水或土质稀软,工人难以立足,无法施工; 有的出现“流砂现象”导致边坡塌方,地质破坏;有的内部基坑土体发生较大的位移,影响邻近建筑物的安全。所以,在基坑施工中应对地下水的处理给予应有的重视。

常见的处理方法:一是止水法,即通过有效手段,在基坑周围形成止水帷幕,将地下水止于基坑之外,如沉井法、灌浆法、地下连续墙等;二是排水法,即将基坑范围内地表水与地下水排除,如明沟排水、井点降水等。在实现施工中止水法相对来说成本较高,施工难度较大:井点降水施工简便、操作技术易于掌握, 是一种行之有效的现代化施工方法,已广泛应用。井点降水优点是: 它是在拟建工程的基坑周围设能渗水的井点管,配置一定的抽水设备,不间断地将地下水抽走,使基坑范围内的地下水降低至设计深度。井点法防水适用于具有不同几何形状的基坑,它有克服流砂、稳定边坡的作用。由于基坑内土方干燥,有利机械化施工,缩短工期,保证工程质量与安全。井点降水法有轻型井点、喷射井点、电渗井点。

在具体施工中,除了把握好成孔、安设井管、填充滤料、洗井、安设水泵等重要环节外,还要特别注意以下问题:一是基坑内井点应同时抽水,使水位差控制在要求范围内。二是加强水位监测,水位差过大时,应立即采取补救措施,如设置回灌井点等。三是防止排出的地下水回渗而流入基坑。四是潜水泵在运行时要注意检查电缆是否和井壁相碰,以防磨损后水沿电缆芯渗如电动机内。五是位于基坑内的深井井点,由于井管较长,挖土至一定深度后,井管应于附近的支护结构支撑或立柱等连接,予以固定。六是当基坑底部有不透水层时,为排除上层地下水, 可采用砂井配合深井降水。七是井管使用完毕拔出。

3.深基坑开挖施工中的变形控制

深基坑施工的风险主要与深基坑施工工程中的变形控制有关。变形控制已成为深基坑施工过程中考虑的主要因素。特别是开挖阶段变形控制应是深基坑变形控制的重点。基坑开挖是一个土体应力释放过程, 此过程打破了原有地层的应力平衡体系,扰动后的土体进步流变和固结。在开挖阶段主要加强对无支撑暴露变形和有支撑暴露变形控制。一是无支撑暴露变形控制。无支撑暴露变形控制主要通过控制其施工参数,如开挖空间尺寸、开挖时间、支撑时间、支撑轴力等等。并根据设计要求和实际施工条件确定施工工艺: 考虑施工机械及施工技术条件、土体加固情况等。二是有支撑暴露变形控制。围护结构有支撑暴露时间指维护结构在一层土体开挖、支撑完毕至下一层土体开挖之间的一段时间。有支撑暴露变形即基坑支护结构有支撑暴露期间的变形。有支撑暴露期间用于温度变化、主被动xE～体流变、施工扰动等因素作用, 基坑挡墙必将产生变形。有支撑暴露变形

主要与下列因素有关: 暴露时间、开挖深度、支撑轴力及加固情况。根据建筑理论和施工实践,有支撑暴露的最大变形与基坑施工(至底板) 时间的相关关系,如下图。

由图可知,变形与施工时间有近似成线性关系:y=0.79x―2.63,其中y为有支撑暴露变形,x为基坑施工(至底板)时间。因此要想控制变形就应尽量缩短有支撑暴露时间,并按要求复加支撑轴力。复加支撑轴力控制标准有应力控制标准和变形控制标准。应力控制即当支撑轴向应力损失达到某一阀值时,进行轴力复加。位移控制即当支撑端点位移(目附应的维护结构位移)变化达到某一阀值时,进行轴力复加。实践中可根据基坑变形控制的要求制订应力和位移阀值, 必要时采用复合控制标准。

有支撑暴露变形与时间的相关关系图

五、结束语

对深基坑开挖施工方法的研究,既是老课题,又是新问题,可以说方法很多,深浅不一。但都要做好深基坑开挖的前期准备、施工方法和特殊问题的处理等方面的工作。只有这样才能确保施工安全,提高工程质量,缩短施工时间,减少成本投入,实现经济营利。

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