摘要：高层建筑由于上部荷载很大，因而基础埋置较深，面积较大，材料用量多，施工周期长。本文根据自已多年来的施工经验，对昆明地区有关深基坑支护结构设计与施工方面做一探讨，起到“抛砖引玉”的作用。
关键词：高层建筑；深基坑支护；地下水处理；动态设计；信息施工法
Abstract: high rise buildings due to the upper load is large, so the foundation ofdeep buried, large area, material quantity, long construction period. Theexperience of the author himself according to the design and construction for many years have made, a study on deep foundation pit supporting structure design andconstruction of Kunming area, play the role of "brick".
Keywords: high building; deep foundation pit; groundwater; dynamic design;information construction method
0前言
近年来，高层及超高层建筑在我国迅速发展，深基坑工程由于其在建筑施工中占有重要地位，已成为当前工程界关注的热点。近年来不少施工单位已积累了较丰富的深基坑支护结构设计和施工经验。但由于深基坑工程本身所具有的复杂性，其设计计算理论尚不成熟，正在发展中，基坑工程没有统一的设计计算方法，正在启用的计算方法很多，较多是经验方法，因而在实际的设计与施工方面存在一些问题。加之深基坑工程是一个技术较为综合、复杂的难点，同时也是提高建筑工程质量、减少事故的重点。
1关于土压力的计算
土压力是作用在围护结构上的荷载，土压力的计算（土压力的大小与分布）是围护结构设计计算的第一步也是关键的一步。
土压力计算理论主要有朗肯理论和库伦理论。首先按公式计算出某深度处土压力强度，而土压力的合力则按图形计算。在考虑地面荷载、水土合算、土壤分层计算的条件下常用的土压力计算公式为[1]：
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当土层之间土压力参数差距不大，r、φ、c取加权平均值进行计算时，公式简化为：
ea=（q+rh）*ka-2c.png)
ep=（q+rh）*kp+2c.png)
此时Pa与h呈直线关系变化。
（1）当无地面荷载，土的粘聚力c=0时，主动土压力图形为一顶点在坑顶地面标高处的三角形。如图1（a）。
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（a） （b） （c） （d）
图1不同荷载下的土压力变形
（2）当有地面荷载q，c＞0，qka＞2c（ka）1/2时，主动土压力图形为一顶点在坑顶地面标高处的梯形。如图1（b）。
（3）当q＞0，c＞0，qka＜2c（ka）1/2时，主动土压力图形为一顶点在坑顶地面以下z0处的三角形，z0=2c/r（ka）1/2。如图1（c）。
（4）当坑边采用取土退台措施御载时，可将退台水平线以上的土体折算成地面荷载，此时土压力图形的斜边呈变化状态。如图1（d）。
此外，当地面荷载距坑边的距离不同、q的分布宽度不同，土层及水土分算时，主动土压力的图形均有不同，这里不在一一细述。
在实际应用中，由于人们对公式理解程度不同，对土压力图形的确定也不同。有的一概略去c值不计；有的不管c值、q值的情况如何，均取顶点在坑顶地面的三角形计算土压力合力；有的坑边取土退台卸载后，便不计退台水平线以上土体的荷载影响。有的存在较浅地下水位时，仍不按水土分层计算等等。这种计算图形的不统一，不规范和随意性常常导致截然不同的支护方案。造成支护方案或者过于保守、或者过于冒险，甚至发生工程事故。
2基坑开挖支护系统
基坑开挖与支护是一个系统工程，涉及工程地质和水文地质、工程力学与工程结构、土力学与基础工程，还涉及工程施工与工程管理，是融多种学科知识于一体的综合性学科。采用保种支护形式，以比较低的经济代价、在比较短的时间内实现安全的基坑开挖支护，是当前迫切需要解决的问题。
2.1基坑支护形式
深基坑的支护形式，目前昆明地区常用的主要有：
2.1.1悬臂式支护
悬臂式支护桩一般用于一层地下室或实际挖桩在7米以内的基坑支护，桩长根据地质情况及土压力情况计算确定，入土深度一般为基坑深度的1.5倍左右，在桩顶设置锁口梁以加强排桩的整体性，增加桩身抗弯强度。如图2所示[2]。
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图2悬臂支撑示意图
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图3桩锚支护示意图
2.1.2桩锚式支护
这也是昆明地区目前常用的深基坑支护方式之一，当基坑开挖深度较大时，悬臂式支护结构就会显得支挡无力，需要水平支撑或锚杆来加强支护。在昆明已施工的多幢高层基坑支护中如邦克大厦、昆明市弥勒寺公园配套地下停车场工程、昆明老海埂片区16号地块保障房、方旺片区保障房等，采用这一支护形式，均取得了较好的效果。如图3所示[2]。
2.1.3喷锚网支护
喷锚网支护主要采用钢筋网片加锚杆（管），在表面喷射砼而形成的一种支护形式。目前这一支护形式在昆明地区得到了较大程度的推广应用。如昆明斗南国际花卉产业园区主场馆、花卉交易及花卉文化旅游街区项目设计(园区一期工程)等工程均采用了这一支护形式，取得了较好的成功和经济效益。如图4所示[2]。
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图4喷锚网支护示意图
2.1.4内支撑支护
内支撑支护，分水平内支撑和斜内支撑，如图5a）、b）所示[2]，适用于施工现场比较狭窄，周围环境受到限制的情况。昆明时代广场基坑开挖、昆钢科技大厦建设项目、云南省第一人民医院2号住院楼建设项目施工等基坑开挖采用了这一支护形式。
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a）水平内撑支护示意图 b）斜内支撑示意图
图5内支撑示意图
2.1.5地下连续墙支护
地下连续墙集挡土、截水、防渗和承力于一体，是一种较为理想的基坑支护方式。但由于受到施工设备、队伍及工程造价等方面的影响，其应用受到一定限制。
2.1.6逆作法施工支护形式
采用逆作法施工多层地下室，在国内外已取得了显著的效果。这种施工方法的工艺原理如图6所示[2]。逆作法施工分为封闭式逆作法和敞开式逆作法，究竟采用哪一种方法施工，取决于地面层底面的梁板结构是封闭的还是敞开的。有时，根据工程具体条件，还可采用半逆作法施工。昆明地区首次采用逆作法施工的建筑为云南航空大厦（现为昆明饭店地下停车场）。
除上述支护结构，还有粉喷桩、钢板桩等支护形式，这里不再一一叙述。
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图6逆作法施工原理
1-地下连续墙；2-中间支承柱；3-地下室顶板；4-底板
2.2基坑支护形式的选择
深基坑支护结构的类型很多，对于一个支挡结构的设计，首先，应根据当地的自然地形、经验、地质情况及技术条件、进行综合考虑后，选定一个最好的设计方案作为实施方案。它应当是符合国家的经济技术方针、政策、规范及条例，技术先进、安全可靠、造价经济、施工方便的支挡结构体系。
2.2.1支挡结构体系的确定
根据工程需要，在需设置支撑结构的条件下，可同时设置作用相同，造价相近的不同类型的结构物，应根据基坑所处的地形、工程地质、水文地质及周围环境等条件，认真进行分析计算和比较，从中选取安全可靠、经济合理、施工方法先进、有利于就地取材、节约材料和劳动力的最优支挡结构作为实施方案。
2.2.2平面位置的确定
同一个深基坑，由于建筑功能和上部建筑物高度不同，开挖深度可能不同，基坑周围环境条件不同（如邻近是否有建筑物、市政管网等重要设施），对基坑变形的容忍程度也不同。从而导致同一个基坑，在不同的面、地段，采取的支护结构形式也不同。这也应根据基坑开挖深度、周围环境、基坑所处地基的地质条件等进行综合考虑，在不同的基坑面、地段采取不同的支护结构形式，以取得最佳的经济效益和社会效益。
3地下水的处理
深基坑工程为防止发生涌砂及地面变形造成危害，必须对地下水进行处理，其处理方法应根据基坑开挖深度，周围环境及场地水文地质条件选取。特别对于地下水位高且丰富的粉砂层地区，地下水处理不当，造成的损失常常是巨大的。例如：昆明某大厦，由于基坑止水幕墙在粉砂层内有较大缝隙，而发生流砂，造成坑边地下输水管道拉裂漏水，地下高压电缆沟断裂下沉，路面塌陷，造成了巨大的危害和损失。
深基坑工程地下水的处理归纳起来主要有隔水和降水两种方式。
3.1隔水
分为垂直帷幕和水平封底。垂直帷幕止水的做法主要有深搅水泥土、地下连续墙、高压注浆、粉喷桩等至隔水层（弱透水层）以形成具有一定厚度的防水墙。水平封底防水则是用高压旋喷或高压注浆在坑内形成一个具有一定厚度的连续防水底板以起到防水的目的。目前，昆前地区主要以垂直帷幕防水为主。
3.2降水
降水的主要目的主要是减小基坑内的水头压力，避免管涌和流砂。昆明地区主要采用深井降水方式（也有个别采用轻型井点降水），深井降水的设计参数、井的构造、含砂量控制等问题是深井降水能否取得成功的重要因素，设计和施工过程中应特别重视。此外，若基坑周围有较邻近建筑物时，应考虑降水对原有建筑物的影响，采取必要的保护措施如设置回灌井等。
4深基坑工程事故发生的原因探讨
从全国有关资料统计数据和昆明地区发生的有关深基坑工程事故的实例来看，由于设计不当（包括荷载取值，采取的支护形式、忽视基坑稳定性等）而造成的工程事故约占45%；由于施工管理、监测、相邻基坑的影响、支护结构安装不当等诸多因素合在一起，引发的工程事故约占30%；由于水处理不当（如止水、降水、排水等），引起的工程事故约占22%。水在软土地基特别是淤泥、粉砂地基是一个十分敏感的重要因素，处理不当往往引发基坑发生工程事故。
5根据工程实际情况，采取合理有效的支护措施
深基坑工程是集结构工程与岩土工程等专业于一体的系统工程，工程成功的标志除保证安全外，还要考虑工期、造价等综合因素。如何以最低的经济代价、最短的施工工期安全地完成基坑工程，才是解决问题的关键所在。
采用何种支护手段应根据工程所在地基的实际情况，进行认真分析计算和多方综合考虑后，作出最佳选择，在软土和粉砂地区，当基坑较深时，考虑的因素更为复杂，采取“单一”的支护措施往往导致工程事故，造成损失。从昆明软土地基几个成功的工程实例来看，均是采取了较为综合的支护措施。如“深搅止水+支护桩+基坑降水以及喷锚网支护”等。
6应积极提倡“动态设计及信息施工法”
动态设计及信息化施工技术，主要包括：(1)围护方案的优化设计及预测分析；(2)施工全过程的监测及信息的反馈处理；(3)围护体系性状的全过程动态分析。
“动态设计与信息施工法”可及时发现问题和险情，提供充足的时间来采取预防措施，是深基坑施工不可少的手段，它对以较低经济代价、短工期、安全完成工程是非常必要的。例如：昆明某大厦基坑，由于在施工前没有对可能发生流砂的情况给予重视和制定相应的及时补救措施，结果导致基坑边的地下输水管和高压电缆沟拉裂破坏，造成了巨大损失。而与此相反，昆明某大厦基坑开挖过程中，由于及时发现护壁桩向坑内移动位移较大后，经专家讨论决定采用型钢做内支撑加固取得了成功，使基础工程得以顺利完成；同理，昆明某大厦，基坑采用喷锚网支护，由于基坑较深（12.0m），且相邻建筑物较近,在施工过程中发现位移较大后及时增补了两排加固锚杆,使险情得到排除,避免了较大损失。
从以上实例可以看出：“动态设计及信息施工法”是深基坑施工中及时发现问题、修正设计、采取补救措施、避免工程事故；是安全、经济、高效地完成基坑工程的重要手段，应积极提倡。
7关于深基坑支护工程的几点建议
根据多年的施工经验总结和对他人理论实践的学习，深基坑支护工程除应由有经验和资质的单位承担设计，由有经验和资质的施工单位承担施工外，对深基坑支护工程提出如下几点建议：
(1)对于深基坑设计中的取值应根据实际工程情况，进行认真分析后，合理取定，而不能带有随意性，对于地下水位较高、土层分布复杂且差别较大的地基，应分层计算各自的水土压力后再求出其合力，为采取相应的支护措施提供有力的依据。
(2)抓好基坑支护方案的审核工作，编制有地方特色、反映地方经验的基坑工程技术标准，使基坑工程有章可行。
(3)对于软土地基的较深基坑（9.0m），不宜采用“单一支护”形式，而应提倡“复合支护”形式，重视基坑支护结构的空间与时间效应。
(4)施工中积极采用“动态设计与信息施工法”，及时发现问题，修正设计，采取补救措施，避免工程事故的发生。
(5)建立基坑工程的技术档案制度，认真总结经验，积累资料，不断提高设计与施工技术水平。
参考文献
[1]陈熙哲.土力学与地基基础[M].清华大学出版社
[2]苏宏阳,郦锁林.基础工程施工手册[M].北京:中国计划出版社,2002.
论文作者:布军1,白玄晔2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期
论文发表时间:2020/4/8
标签：基坑论文; 工程论文; 昆明论文; 深基坑论文; 压力论文; 荷载论文; 形式论文; 《基层建设》2019年第32期论文;