基坑支护设计中周边变形分析与对策

【摘 要】：本文针对在当前的基坑工程中，由于周边环境保护的要求越来越严格，基坑变形控制已成为重要的设计内容。分析了产生基坑周边变形问题造成工程事故或危害的原因，并针对问题提出了对策，以便满足周边环境保护的要求，并引起相关部门及人员的高度重视。

【关键词】： 基坑支护； 变形；分析与对策

中图分类号：TV551.4 文献标识码：A 文章编号：

0 引言

随着城市用地的日益减少，人类不断向空中索要更多的空间，同时地下空间开发利用也成为人类生存空间重要组成部分。基坑的开挖和围护结构的设计成为一个具有挑战性的岩土工程热门难题。基坑工程的迅猛涌现，给基坑围结构护设计工作带来了极大的因难，也使基坑工程的设计与工程实际状况存在较大偏差。其中基坑工程开挖必将关系到周边变形问题，过大的变形将造成周边建（构）筑物破坏或引起工程事故，而变形的控制就至关重要了。

1 当前基坑工程周边变形的主要原因分析

尽管基坑工程实践不断增多，在技术上也有了长足的进步，基坑围护设计存在着两种倾向：一方面由于设计安全度不足而造成基坑失稳事故的比例较大，另一方面由于设计过于保守而又造成很大的浪费。大量的工程实例表明，对于设计安全度不足而造成基坑失稳事故，究其原因可归结为以下三个方面：

其一、变形控制未引起重视，计算仍以强度和稳定性为主

当前的设计方法是以极限平衡理论为依据。实际上大多沿用传统挡土墙设计计算方法，它只能进行强度和稳定性计算，无法提供基坑围护结构设计所必须的变形值。所以基坑设计计算均以强度和稳定性为主，而并未研究解决在边坡失稳之前的变形过程。但在当前的基坑工程中，由于周边环境保护的要求越来越严格，基坑变形控制已成为重要的设计内容。基坑的允许变形和水平、垂直位移的计算是一个较建筑自身允许沉降和沉降计算更为复杂的课题，又是基坑工程，尤其在软土地区和工程地质、水文地质复杂地区无法回避的问题。基坑工程仍然必须满足稳定性和变形两方面的要求，与基础允许沉降有所不同在于基坑工程的允许变形往往主要取决于周边环境的要求，按变形控制已成为许多基坑工程设计的基本依据。可见，现行的设计方法并不能完全考虑基坑工程实际应考虑的问题，这样设计结果与实际工程的工作状态就必然产生差异。

其二、设计多以经验估算为主

由于基坑工程的复杂性、不确定性以及对围护结构所承受水土压力认识的局限性，迄今为止对基坑围护结构设计还没有一个成熟的理论和计算模式，未形成完整的、具有普遍指导意义的设计理论体系，使得基坑围护结构的设计计算仍过多地取决于经验，随意性较大；另一方面，由于土力学发展水平所限，有些实际问题土力学理论尚无法解决，在研究运用中不得不对土的性质作了许多不符实际简化或假定。例如，对基坑工程经常遇到的软土，其强度随时间变化的流变性质， 虽然已有一些研究成果，但理论上尚不成熟，试验方法尚不完善，应用于工程还刚刚开始，实际中还需要经验；对于非饱和土，应用非饱和理论进行土压力计算还未开始，目前用的还是传统的土力学理论，常规试验方法测定的强度指标，计算结果自然与实际出入很大；再如某些饱和粉土的流动性、地下水的渗透破坏等等，有的问题至今对其认识还很不够，有的问题很难计算。

在这种情况下，基坑工程设计依靠经验是必然的了，而且有时经验显得十分的重要。应该说经验是长期工程实践中积累的宝贵财富，基坑围护设计和施工，应该充分借鉴现有的成功经验，融入自身的特点和要素才能有所创新。但经验总归是经验，并不能等同于具有普遍指导意义的理论，况且基坑工程具有较强的区域性，不同地区会遇到各种不同的、包含极其复杂的工程地质和水文地质条件、现有的理论和经验根本无法解决的问题。这样基坑围护设计只能借鉴已有的工程经验在实际中摸索，设计结果就难以把握了。

其三、基坑周边变形主要因素

基坑工程实践不断增多，在技术上也有了长足的进步，但从工程实践中进行分析，总结基坑周边变形的主要因素有以下一些原因：支护桩桩身的变形因素；基坑坑底的隆起变形；支撑杆件的变形；桩缝（墙缝）间水土的流失；地下水位的下降；基坑边重型车辆、设备，机械扰动频繁行走导致主被动土压力学指标下降；基坑周边大量堆土引起土的二次固结；基坑坑底无支撑，暴露时间过长；多道内撑体系设置不及时；受恶劣天气影响等因素。

2 问题的对策

传统设计理论和方法存在诸多的缺陷使得越来越复杂的基坑工程问题无法妥善解决，新的、更有效的设计理论和方法尚未成熟，在不确定因素太多的基坑围护体系设计中，结构的安全度就难以把握，要使设计符合实际情况是太难了，至少在目前的技术发展水平上是太难了。工程设计者只有两种选择，一是设计得比较保守，以确保安全而造成浪费；二是要冒较大的风险，以节省投资而将带来事故隐患。不论作何种选择，应该说对工程的安全与经济都难两全。如此情形下，工程设计人员的责任是在设计中采取合理的对策，尽可能地使设计贴近基坑工程的真实状况。实际运用中可从下列两方面考虑：

传统设计方法的主要问题在于一个“静”字，以开挖的最终状态为对象，进行定值的设计。然而基坑开挖工程与其它工程的最大不同之处又在于一个“动”字，在开挖过程中，包含某些土质参数在内的各种参量，诸如侧土压力、结构内力、土体应力及应变等等都在变化，且其变化规律目前还未被充分掌握，这就产生了设计结果与实际情况的差别。对此，比较有效的对策是根据施工过程的信息反馈不断修正设计，以指导施工，这就是动态设计。

动态设计必须建立在严密的现场监测基础之上，通过对开挖全过程实施监测，将信息及时反馈，以掌握围护结构和基坑内外土体变形移动，随时调整施工参数，优化设计，或采取相应措施，以确保施工安全，即所谓信息化施工。

动态设计基本思路是：在设计方案的优化后，通过动态计算模型，按施工过程对围护结构进行逐次分析，预测围护结构在施工过程中的性状，例如位移、沉降、土压力、孔隙水压力、结构内力等，并在施工过程中采集相应的信息，经处理后与预测结果比较，从而作出决策，修改原设计中不符合实际的部分。将所采集的信息作为已知量，通过反分析推求较符合实际的土质参数，并利用所推求的较符合实际的土质参数再次预测下一施工阶段围护结构及土体的性状，又采集下一施工阶段的相应信息。如此反复循环，不断采集信息，不断修改设计并指导施工，将设计置于动态过程中。通过分析预测指导施工，通过施工信息反馈修改设计，使设计及施工逐渐逼近实际。

动态设计就是要使设计尽可能逼近实际情况，充分挖掘围护结构潜力，实现围护结构的经济和安全二者达到最佳状态。

在基坑设计与施工中，对周边变形控制可以从以下几个技术方面考虑：

增加支护体系的截面，提高其刚度；主被动区土体的加固；增加支护桩的桩长、桩径；切断透水层防止地下水水位下降，必要时采用回灌控制地下水位；加强设置止水帷幕；严格控制基坑周边的堆载；严禁重型车辆坑边行走，必经区域应采取加固措施；增加支撑杆件截面或采取预加载措施；及时设置各道支撑；化大为小分块分区开挖；运用三维分析组合；结合施工组织方案进行；必要的预防预案；重视监测工作；做好恶劣天气的预防工作。

做好防范工作是至关重要的，优化基坑围护及降水方案，开挖过程中做好基坑及周边建筑的变形监测。如果危害已经发生，应立即停止开挖，研究解决方案，再行施工，但要注意的是停工不能过久，应尽快确定方案继续施工，因为基坑暴露期间变形也是不断发展的。施工监测的数据和成果是判别设计是否安全和经济的依据，这样才能有效地确保基坑围护的设计尽可能地逼近工程实际状况，既避免造成浪费，又可减少甚至杜绝工程事故的发生。

3结束语

对于基坑这类具有相当复杂性和不确定性的工程，设计工作往往只能得到在某种条件下的近似的预估变形值，针对在当前的基坑工程中，由于周边环境保护的要求越来越严格，基坑变形控制已成为重要的设计内容。通过以上分析基坑周边变形过大问题造成周边建（构）筑物破坏或引起工程事故，并针对问题提出了对策，以便满足周边环境保护的要求，并引起相关部门及人员的高度重视。