一、研究的意义及现状
1、研究的意义
深基坑岩土工程问题是一门综合性极强的岩土工程难题，既涉及土力学中典型的强度、稳定及变形问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用问题。建筑物的基坑支护与施工技术是一门以实践中发展的技术，改革开放以前，国内较少高层建筑，一般建筑基坑大部分可采用放坡开挖或少量钢板桩支护，基坑开挖深度一般在5m以内，即一层地下室的深度。因此，基坑侧壁放坡或支护一般为上部结构施工单位施工组织设计的一部分内容。80年代以后，随着建筑密度、建筑高度的增加，对基坑支护技术提出了更高的要求，由于缺乏对基坑支护技术的认识而酿成了一些事故，比如珠海拱北祖国广场深基坑支护坍塌事故；国航大厦深基坑护坡桩倾覆；广州市海珠城广场深基坑事故（“7.21”重大安全事故）等。这些事故的发生引起了政府主管部门及科研、设计单位的普遍重视。尤其是90年代以后，基坑支护工程设计得到了充分重视，同时有关部门也组织开展了编制基坑支护与施工的有关规范规程。特别是一些大城市，分别针对本地区的不同地质情况，不同地质物理力学参数，自行编制了有针对些的技术规程，比如深圳市就针对深圳地区的地质特征编写了《深圳地区建筑深基坑支护技术规范》。
尤其在珠三角以及长三角地区，基坑支护技术伴随着地区经济发展和城市建设而不断发展。由于城市建设用地的限制、建筑发展模式由地面向地下或空间发展成为一大趋势。随着高层和超高层建筑的日益增多，基坑开挖深度也越来越深，由早期的5m左右发展至目前超过20m，地下室也由过去的一层增加到2~3层，有的甚至设置4层地下室。同时，基坑周边的环境条件越来越复杂、深基坑开挖的环境效应问题也日益突出，给深基坑支护技术提出了更高的要求。既要做到技术先进、经济合理，又要做到安全适用和保护环境，从而使深基坑支护技术成为这些地区建设工程的热点之一。
笔者所处的深圳地区，更是位于珠江口东侧，深圳河北岸。深圳地区工程地质和水文地质条件较为复杂，土层的成因类型多。例如罗湖老城区以第四系残积层为主，下伏花岗岩各风化层。该地区建筑密度大、人口密集、高层建筑多，加之交通拥挤、施工场地狭窄，深基坑支护的难度相对较大。而福田区、南山区及宝安区靠海侧，则很多都是新近填筑的建设用地，海相沉积比较发育，其地层多以填土及深厚淤泥地层为主。在这些地层上近年来如雨后春笋般涌现出了一批批高层超高层建筑，地下室的深度大部分都在二层以上，开挖深度8m以上，而往往这些地区的基坑支护被要求既安全又经济。故这些地层的基坑支护成为该地区的普遍难题，这些难题解决的好坏程度直接影响到业主投资项目的成败以及项目的投资成本。
2、研究现状
目前国内外，特别是近年来国内的研究形势发展迅猛，各种各样的支护型式层出不穷。专门研究深厚淤泥地层的基坑支护的工作，不少人都有成功的案例。比如：王永新和叶敏对淤泥质黏土地层深基坑降水技术应用及效果分析研究，潘永涛等对水泥搅拌桩复合钉墙支护在淤泥质粘土深基坑的应用及危机状态下的应急处理方面的研究，钟镇奎对淤泥土深基坑土方开挖施工质量控制的研究，吴文等对厚淤泥粘土层中深基坑变形和支护机理的研究（Studies on the Deformation and Support Mechanism of Pits in Thick Mucky clay），叶照旺等对复合土钉支护在淤泥质软土深基坑中的应用研究，马福宪对江门丽宫国际酒店工程淤泥土质深基坑支护技术的研究，张再兴对淤泥质软土场地深基坑采用中心岛支护的施工方法的研究，黄清双对淤泥质软土地区深基坑工程施工技术的研究，宫元生、赵炜对淤泥质粘土层深基坑SMW围护桩施工控制的研究，刘经熠、汪清河对淤泥质粘土条件下地铁车站深基坑施工技术的研究，徐庆、熊理对在湖滨饱和淤泥质粉质粘土地基进行深基坑施工的技术措施的研究，杨敏周对淤泥质土深基坑采用钢板桩支护的开挖技术研究，王银国对组合式围护结构在软土地基深基坑中的应用研究等等。以上种种软弱地层深基坑支护型式的研究概括起来主要有排桩支护型式，地下连续墙支护型式，双排桩支护型式，钻孔咬合桩支护型式，水泥搅拌土重力式挡墙支护型式，土钉墙及复合土钉墙支护型式等等。而且由于这些地区的地下水位一般很高，基坑的地下水控制至关重要，一般来说，大多采用止水帷幕的办法止水或采用降水井的型式降低地下水位。下面就在软弱地层中进行基坑支护成功的型式作一些介绍。
2.1排桩支护型式
排桩支护是指由呈队列式间隔布置的钢筋混凝土人工挖孔桩、钻孔灌注桩、沉管灌注桩、钢管桩、打入式预应力管桩等组成的挡土结构。排桩支护按其结构型式可分为悬壁式支护结构与预应力锚杆结合形成的桩锚式（见图1）和与内支撑（混凝土支撑、钢支撑）结合形成桩撑式支护结构。而在深厚淤泥地区中应用最广的结构型式为桩锚式结构。笔者根据多个项目的统计，其中采用预应力管桩的桩锚支护型式最快，最经济，并且能够保证基坑的安全。
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2.2地下连续墙支护型式
地下连续墙支护对各种地质条件及复杂的环境条件适应能力强，结构刚度大，整体性及防渗性能良好，是一种相对可靠的基坑支护方式，一般集挡土、承重、截水和防渗于一体，即称为三合一墙。在某些特定环境条件下，使用三合一墙并结合全（半）逆作法、内支撑和锚杆技术，可取得良好的技术经济效果。但由于受工程造价、施工队伍及设备等方面的影响，一般比较少用。
2.3双排桩支护型式
双排桩支护结构是一种特殊的支护结构，是由两排平行的钢筋混凝土桩及在桩顶的压顶梁和联系梁形成的空间门架式支护结构体系。这种结构有较大的侧向刚度，可有效地限制支护结构的侧向变形。双排桩支护具有施工方便、不用设内支撑、挡土结构受力好等优点。在某些特定条件下应用双排桩支护具有特殊的效果，优势明显。但此种结构型式在开挖深度不大（一般6m以内）时，才有成功的例子，超过6m开挖深度的深厚淤泥地层中，尚没有成功事例，并且这种结构的计算模型难以建立，故应用并不广泛。此种支护结构型式的简图如图2、图3。
图2 平面布置图.png)
图3 剖面图.png)
2.4钻孔咬合桩支护型式
钻孔咬合桩是利用超缓凝混凝土的特殊性能，采用高精度的全套管钻机通过专门工艺成孔、成桩的一种特殊桩型，通过桩与桩之间的咬合搭接可形成挡土截水的连续排桩围护结构或地下防渗墙。虽然钻孔咬合桩的造价相对较高，但钻孔咬合桩成桩垂直精度高，各桩间咬合防水效果好，成孔时可做到无泥浆作业，并且保证无塌孔、振动小、易于文明施工、控制桩身质量、保证安全、减少对周围环境的影响。但是此种支护结构型式也面临造价高、机械设备要求高、投入大等方面因素的影响。
2.5水泥搅拌土重力式挡墙支护结构型式
水泥搅拌土重力式挡墙一般采用格栅布置，比较适宜于处理淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高且承载力低的软土地层基坑工程。为了保证墙体的整体性，特规定各种土类的置换率，即水泥土面积与水泥土挡土结构面积的比例。淤泥一般呈软流塑状，土的指标较差，因此，墙宽都比较大。淤泥质土次之，其他土类相应的墙宽比较小，因此所取的置换率相差不大，以中线计算面积。水泥土挡墙是靠桩与桩的搭接形成连续墙，桩的搭接是保证水泥墙的抗渗漏及整体性的关键。为了加强整体性、减少变形，可采用增设钢筋混凝土面板、桩插筋以及基坑内侧土体加固等构造措施。水泥搅拌土挡墙造价低廉、工序简单、可操作性强，一般性深度（5m以内）基坑采用较多，较深大基坑采用就非常少了。目前还未有在深厚淤泥地层的深大基坑结构中采用并取得成功的实例，所以有其局限性。
2.6土钉墙及复合土钉墙支护型式
土钉墙支护（亦称喷锚支护或土钉支护）是近年来发展起来的一种新型基坑支护形式，由于其具有造价低、施工快两大优点，近年来得到越来越广泛的应用。尤其是90年代中期以后，随着土钉墙技术的发展，出现土钉墙与止水帷幕结合、土钉墙与预应力锚索结合及土钉墙与微型桩结合等多种复合型土钉墙，使土钉墙技术占据基坑支护的主要市场。但是这种支护结构型式在深厚淤泥地层中取得成功的实例很少，它比较适合粘性土、残积土、部分砂土、部分淤泥质土、素填土等地层。
以上是一些主要的支护结构型式，另外还有一些其他的支护型式，比如钢板桩支护，大放坡加堆载反压等型式。这些型式均结合不同的地层情况，取得了一些成功的经验及实例。但对于深厚淤泥等软弱地层的深基坑支护型式，一般采用桩锚支护型式比较普通。目前国内外采用这种排桩加锚（杆）索支护型式应用研究很多，以前常用直径φ1.2~1.6m间距2m左右的人挖孔桩作为护坡桩。随着人们对环境保护的日益多起来。钻（冲）孔桩作为护坡桩直径一般采用φ0.8~1.2m根据基坑开挖深度的不同，设置1~4排预应力锚杆作背拉处理，施工时施加初始预应力、以限制护坡桩的位移。桩锚支护结构型式比较典型的有深华商业大厦（4层地下室、平挖深度约16m），侨光广场（4层地下室、开挖深度14m），万象坡二期（三层地下室，开挖深度13m）、晶岛国商购物中心（开挖深度19m）、天城大厦、联通大厦、免税大厦等基坑工程。这些桩锚型式的基坑工程都具有典型的实际意义，即安全可靠，但造价也不扉、工期也较长。
而软弱地层中采用预应力管桩的桩锚支护型式这种既经济又快速的安全支护形式更加值得我们研究。笔者结合亲身经历，对这种支护结构型式作如下深入的研究。首先我们研究深度软弱地层（尤其是淤泥质地层）的深在坑勘察应注意的问题，特别是内摩擦角（φ值）及内聚力（C值）的确定；然后研究这种地层深基坑在开挖过程中土压力计算情况及地下水位影响情况；重点研究预应力管桩加预应力锚索的支护型式在这种地层中的各种抵抗形变的受力计算；特别要研究的是这种支护型式的抗弯能力计算，因为预管桩最大的缺点是抗剪强度不够，往往在实际工程中都将管桩的抗弯能力用到接近极限。笔者结合工程实践，通过腰梁结构上的变化，很好地解决了这个问题，这就在这种结构型式的应用中取得了进步，并且通过监测实现了动态信息化的设计施工。
二、研究目标与研究内容：
1、软弱地层深基坑支护勘察（查）内容及勘察物理力学指标要求的研究。
①勘察（查）的内容与主体建筑地基的勘察（查）不一样，所要求布设勘探点的范围及间距以及布设点的依据有较大差异。勘查周边环境的内容也不一样。
②对深厚软弱地层进行深基坑支护勘察，地层的物理力学指标的测定方法都有严格要求。要求测试的参数包括
a.土的常规物理试验指标 b.土的抗剪强度指标
c.室内或原位试验测试的渗透系数 d.其它适宜的试验方法测试参数
2、预应力管桩的桩锚支护结构型式应用于深厚软弱地层深基坑支护中的范围及型式的研究。
从工程本身的难易程度，环境适用程度，经济安全角度分析选型的正确性，同时指出其局限性。
3、深厚软弱地层深基坑预应力管桩的桩锚支护结构型式设计内容的研究。
①土压力计算、结合笔者亲身经历的工程的实测参数分别计算静止土压力、主动土压力、被动土压力，考虑渗流效应的土压力计算，以及不考虑渗流效应的水土压力分算。
②围护结构的强度和变形计算。
③止水体系的设计计算。
④基坑内外土体稳定性验算。
⑤基坑监测设计及应急措施。
4、基坑施工过程发生的局部坍塌事故的分析及采取的对策及变更设计的研究。主要研究由于坍塌事故发生而引起各方重视，重新审核计算所选参数及计算方法。重点研究管桩达到极限抗弯能力时应采取的改善措施。
5、基坑工程的监测包括变形监测及锚索应力监测的研究。
三、研究方案和技术路线
1、研究方案
① 现场调研、取样
从现场的工程实际情况出发，针对基坑工程的不同阶段以查阅资料或询问的形式，调研整个基坑的实施情况，并现场采取一些场面照片样本。
② 根据已有的勘察资料，选取一些有用的物理力学参数，分析是否需要修正。
③ 采用选取的物理力学参数，进行各种结构受力状态的验算，即分析计算。
④ 针对局部突发事件，进行分析，指出研究过程的不足之处。并通过理论分析，得出修正方案的可行。
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四、创新点
笔者通过亲身经历的事例，结合市场实际情况，在安全经济，快速的支护型式中找到平衡点，让支护结构充分发挥其内力作用，对今后类似工程可起到借鉴作用。
论文作者:方春波
论文发表刊物:《基层建设》2016年12期
论文发表时间:2016/10/20
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