基坑开挖中的一些问题的探讨及其对策

基坑开挖中的一些问题的探讨及其对策引言随着我国国民经济的发展，高层、超高层建筑如雨后春笋纷纷破土而出，城市建设的发展需要我们开发三维城市空间。目前各类用途的地下空间已在大中城市得到开发利用，从而导致基坑工程的规模不断加大，深度也越来越深，且城市基坑工程往往处于房屋和生命线工程地密集地区，这些给高层建筑地基基础的设计和施工提出了一个又一个新的挑战，深基坑施工引起的环境效应问题越来越引起工程技术人员的重视。1基坑开挖中环境效应问题的主要类型在密集的建筑群中进行基坑开挖，特别是在软土地区进行大面积的深挖施工，不仅要考虑基坑的稳定与安全，还要考虑到邻近的建筑物、已沉入桩群给管线等构筑物的安全，以减少深基坑开挖时对邻近建筑物和管线的危害。而任何一个基坑工程在开挖过程中都不可避免的遇到水土环境的变异问题，土方的开挖改变了土中原有的应力状态，引起土层的变形移动，从而引起支护结构的变形，基坑周围地表沉降，基坑底部的隆起等一系列的变异。1.1支护结构的变形问题基坑工程的设计理论和施工技术日益进步，涌现了多种基坑支护型式，钢板桩、预制混凝土桩、钻孔灌注桩、深层搅拌桩、旋喷桩、地下连续墙、钢筋混凝土支撑、型钢支撑以及诸如逆筑法、沉井等特种基坑支护新工艺、新方法。尽管如此，事故仍然频频发生。而支护结构的变形主要有水平变形和竖向变形。当基坑开挖较浅还未设支撑时，不论对刚性墙体还是柔性墙体表现为墙顶位移最大，向基坑方向水平位移，呈三角形分布，地表也开始变位;随着基坑的开挖深度的增加，刚性墙体继续表现为向基坑内的三角形水平位移或平行刚体位移，而一般柔性墙如果设支撑，则表现为墙顶位移不变或逐渐向基坑外移动，墙体腹部向基坑内突出，此时地表变形的范围增大，最大变位量也增大;当基坑开挖深度进一步增大时，基坑应力释放量增大，往往会造成地下墙体有所上升，同时如果泥浆槽清孔质量不好，也会造成支挡墙的向下沉降，地面也下沉。实际工程中墙体的竖向变位量往往被忽视，有工程报道，某围护墙上升达10cm1.2基坑的隆起变形问题每个基坑在开挖后都会有不同程度的隆起变形发生，主要有下面几个原因：（1）由于土体的卸载作用，土体的自重应力的释放，坑底土向上回弹。在基坑开挖深度不大时，坑底为弹性隆起，其特征为坑底中部隆起最高，当开挖达到一定深度且基坑较宽时，出现塑性隆起，隆起量也逐渐由中部最大转变为两边大中间小的形式，但对于较窄的基坑或长条形基坑，仍是中间大，两边小的分布形式；（2）基坑开挖后，支挡结构向坑内变位，在基底面以下部分的支挡结构向基坑内变位时，挤推其前面的土体，造成基底隆起；（3）粘性土基坑积水，因吸水使土体体积增大而隆起；（4）支护结构嵌入深度不够时产生地基土向坑内塑流滑进，使基底表面隆起。（5）基底土体回弹后，土体松弛和蠕变的影响使土体隆起。隆起量与地基土性状、基坑的开挖深度与宽度、基坑的搁置时间等有关。基坑隆起量准确估算直接影响建筑物沉降与使用安全。1.3地表沉降变形问题在基坑开挖进程中所产生的地面沉降主要来自两个方面：一是地下水疏干产生的差异性沉降，另一种是由于支护结构的侧向变形引起的地面沉降。在基坑开挖过程中为了保证正常的施工，常常采用各种降水方法降低地下水位，降低地下水后，在抽水影响半径范围内土体会产生新的固结，从而引起地面沉降，它的影响范围较大，一般是以深基坑为中心的环形区域内。根据工程实践经验，当土质较差而支挡结构入土深度不大时，支挡结构侧向变形较大，最大地表沉降常发生在坑边，随距坑边距离的增加而减少；当坑底的土层较好或墙体入土深度较大时，支挡结构产生的侧向变形较小地表沉降的最大值位于离墙一定距离的位置上。在实际工程中，基坑周围的地表沉降往往是地下水疏干和围护结构变形叠加的结果。当降水过大，而且疏干范围又小，可能使周围建筑物产生不均匀沉降导致建筑物的倾斜和墙体开裂，而支护结构变形产生的地面沉降，同样也会对基坑周围建筑物、构筑物造成严重的破坏。1.4流砂和涌砂问题当基坑开挖时，基坑内外地下水位存在一定的水头差。当止水帷幕失效或由于降水未达到要求时，在含有粉砂含水层的地区，在动水压力的作用下，基坑土会发生基坑大量的涌砂，导致岩土体的松动和破坏，从而引起基坑失稳。当基坑有承压水的存在，开挖基坑使原有土压力减少到一定程度时，承压水的水头压力顶裂和冲毁基坑底面，造成突涌的现象。这造成的影响是显而易见的。2基坑开挖中环境问题的影响近年来，随着城市建设的发展，在密集的市政建筑中，地下空间的开发要求深基坑向大深度和大跨度发展，但是我们在基坑设计和施工中，由于忽视对环境问题的研究，使得基坑工程事故频频发生，而造成的影响和危害是巨大的。首先，对工程本身产生重大的影响。基坑支护结构的变形、破坏，严重时会导致基坑支护结构的倒塌破坏，不仅影响工程进度，耗费大量的抢救资金，甚至发生人员的伤亡，使工程蒙受巨大的经济损失，同时在社会上造成了恶劣的影响。再次，对基坑周围建筑物和构筑物的影响。城市基坑工程通常处于房屋和生命线工程的密集区，对环境问题处理不好，引起周围建筑物的倾斜或开裂、地下管线断裂、道路的开裂以及其它设施的破损。例如，上海黄浦区某大厦，基坑开挖深度12.35m，围护结构采用60cm、24m深的地下连续墙，并设四道支撑。xx年xx月xx日，靠马路一侧约40m的基坑围护结构支撑破坏，地下连续墙倒塌，路面下陷面积约500㎡，最深达6～7同时，也给我们带来了严重的社会影响。基坑工程一旦出现问题，它的影响决不是一个方面的，在很多种情况下，这种影响将远远超过事故本身对工程的影响。它对人民的生命财产造成危害，影响了人民的安定生活，带来严重的社会影响。如xx年xx月xx日，xx煤气大量泄漏就是因为xx大厦深基坑周围地面沉降造成的，造成了极大的社会影响。3基坑开挖中的环境效应的控制对策基坑工程应该包括基坑工程地质勘查、基坑工程设计、基坑工程施工、施工监测和施工监理。在这些过程中，我们出现了这样或那样的问题，导致了工程事故的发生。总结经验教训和一些理论研究成果，提出以下几点意见。3.1设计、施工资料的收集在基坑工程的前期应对基坑内的主体设计，工程所处地质条件、周围环境、施工条件、设计规范等进行调研和收集汇总。工程地质勘查是基坑工程设计、施工的重要依据。通过对基坑所处基地的工程及水文地质条件的勘查以作为确定支护方案、开挖方法、降水方法及地基加固方法等设计和施工的基本依据。同时，为了避免基坑开挖卸载带来底层的沉降和水平位移对周围建筑物、构筑物的影响，我们必须对周围环境进行周密的调查，是基坑施工对周围环境的影响控制在允许的范围以内。地下工程建设所涉及的资料不详细，不准确，势必给支护工程带来事故隐患。3.2开挖方案的优化选择开挖方案是基坑工程方案总体设计的一个重要内容，根据设计依据，设计标准，确定合理、安全经济的基坑开挖方法，并在此基础上做出围护结构、支撑体系、地基加固和开挖施工等配套设计。基坑开挖的方法有很多，例如放坡开挖，分层开挖，中心岛式开挖，壕沟式开挖、逆筑法开挖、沉井（箱）开挖等。我们要根据基坑的开挖深度、大小，地质条件，施工条件，周边环境和经济性选择合理的开挖方法。同时通过选择合理的开挖步骤、开挖顺序，在一定程度上减少基底隆起和桩后地面沉降。3.3实行科学的降水设计工程降水是基坑工程的一个难点。基坑工程中由于工程降水不当造成基坑失稳的事故时有发生，因此，基坑工程建设中应特别注意地下水的影响。在基坑工程中，处理地下水的方式有多种，按降水井所处的位置来分，可分为坑外排水、坑内降水和坑内坑外联合排水；按疏干地下水的方式来分，可分为抽水型和自渗型。当然，处理地下水的方式除了降水措施，还有防水措施，主要是打防渗帷幕。在基坑工程中一般都要进行人工降水，要降水就要选择合理的降水方法，从而进行人工降水方案的设计，以及进行降水方案的水位预测，通过预测进行降水方案的优化，达到最佳的降水方案。同时，有学者提出在土体中的渗流问题应考虑土体中结构面的影响，指出基坑工程中，水在渗透力的作用下，沿着一些结构面（如裂隙面、层面、桩与土的接触面等）发生渗透，经过发展把一些主要的结构面给串通起来，最后发生了流砂和管涌。所以我们也要在施工过程中注意这方面的影响。3.4围护结构方案的设计基坑的围护结构主要是承受基坑开挖卸载所产生的水土压力，是稳定基坑的一种施工的临时挡墙结构围护结构类型有几种：板桩式、柱列式、地下连续墙、自立式水泥挡墙、组合式、沉井（箱）式。在软弱底层的基坑中，我们要使用支撑结构来传递围护墙所传递的水土压力，支撑可分为混凝土支撑体系和钢结构支撑体系两类。3.5推行考虑时空效应的基坑施工方法总结多年来深基坑周围地层移动引起附近建筑和设施破坏的经验教训，在技术规程中，要重视控制基坑变形的问题，而运用时空效应规律在软土地区是一条安全经济的技术途径。该方法是考虑时空效应，科学的利用土体自身控制地层位移的潜力，以解决软土深基坑稳定和变形问题的基本对策。在设计和施工中，定量的计算及考虑时空效应的基坑开挖和支撑的施工因素对基坑在开挖中的内力和变形的实际影响，并以科学的施工工艺，有效的控制基坑的变形。其主要内容是：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件，提出详细的可操作的开挖与支撑的施工程序及施工参数。开挖与施工的施工工序基本是按分层、分步、对称、平衡的原则而制定的，最主要的施工参数是分层开挖的层数、每层开挖的深度，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高度和宽度，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。严格按选定的施工程序和施工参数施工，就使复杂的多变的施工因素变为较明朗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。在大型的不规则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内的支撑，而后将各根支撑两端所留支承挡墙的土堤，分步、对称地挖除并及时安装或浇筑，顶住挡墙的部分支撑，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，这样有效的控制基坑变形。3.6采用信息化施工基坑工程是土体与围护结构体相互作用的一个动态变化的复杂系统，仅仅依靠理论分析和经验估计是难以把握在复杂的开挖条件下的支护结构变形和阻止土体的破坏，也难以完成可靠而经济的开挖设计。现场监测既是及时指导正确施工、避免事故发生的必要手段，又是检验设计理论的正确性的重要手段。在施工过程中跟踪施工活动，对坑周地层位移和附近建筑物、地下管道等保护对象的变形及受力情况进行量测，将所取得数据与预测值或计算值相比较。通过对整个工程进行系统的反馈分析，能较好的预测系统的变化趋势，当出现险情征兆时，可做出预警，及时采取措施，保证施工和环境的安全；当安全储备过大时，可及时修改设计，使安全性与经济性达到统一。3.7运用新的研究成果，推广新技术和方法随着对基坑工程问题的研究的不断深入，一些专家提出了针对工程中碰到的问题，采用了很多的分析手段和工具，提出很多有实际意义的方法和措施。例如在有些基坑工程中，按一定地质条件和基坑开挖施工参数所设计的支护结构体系，达不到控制基坑变形要求时，则要考虑合理提高围护墙被动区抗力或减少主动区压力的方法，我们可以采用坑内土体加固（化学灌浆、石灰桩加固等）的措施。再比如，采用水下施工的方法能明显减少基坑及地表的变形。在采取新的施工方法的同时，我们也要将计算机技术应用到地下工程建设中，如进