深圳基坑工程及支护技术发展与展望

深圳基坑工程及支护技术发展与展望

1深圳地区基坑工程发展现状及原因深圳是中国第一个开展深基坑技术研究和应用的城市之一。目前，项目数量众多、规模大、应用全面、成熟的城市之一。深圳地区有着独特的地理位置及地质条件、发达的社会经济及强劲的城市建设规模与需求、较为宽松的工程建设管理制度、对全国各地先进技术及专业技术人才较强的引进与消化能力,这些因素决定了深圳地区基坑工程技术应用及管理水平一直在国内居先进水平及重要的地位。可以说,深圳地区基坑支护技术的应用史就是国内基坑工程发展史的缩影。回顾总结深圳地区基坑工程的发展历程及现状,不只是为了记载历史,更重要的可以指明基坑工程的发展方向及推广使用一些先进的技术,这对深圳地区的基坑工程及技术发展有益,对其它城市也具有较强的参考意义。2地基地质及工程地质条件深圳市大致呈EW宽SN窄的狭长形,地势总体EN高、WS低。地貌大体可归纳为山地地貌带、台地地貌带及海岸地貌带等3个地貌带,水系大致可分为北部的东江水系、南部的海湾水系及西部的珠江水系,地下水类型可分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水及硅酸盐类裂隙溶洞水3类。深圳地区与基坑工程有关的主要地质问题有:(1)断裂与挤压破碎带。挤压作用使岩石破碎呈碎裂状、碎块状、糜棱状和泥状,并造成周边岩石裂隙发育、强度和承载力降低。深圳业界内解决该问题的思路为:认为深圳断裂不属于发震断裂,挤压破碎带(未胶结)的强度与强风化相当,斜坡工程的稳定性主要是受岩体的空间构造形态、尤其是结构面及裂隙中水的控制。(2)花岗岩残积土。可分为砾质黏性土、砂质黏性土及黏性土,矿物中的长石、云母已风化成黏土,坚硬的石英颗粒仍在,砂砾含量极高,最高可达50%,粒组不均匀、级配不良、缺少中间颗粒、“两头多、中间少”,其工程性质兼具砂土及黏性土的性质。天然状态下物理力学性质较好,承载力较高,但在含水状态下一经扰动极易软化产生流泥涌土现象,强度锐减。(3)花岗岩风化球。花岗岩残积土中普遍存在着未风化的球体,俗称孤石,给基础、基坑支护选型及施工带来不少麻烦。至今尚无解决问题良策。基坑不深时,一般允许大的风化球镶嵌在斜坡上,不需挖除。(4)软土。主要有淤泥、淤泥质土、淤泥质砂、泥炭、泥炭质土、浮泥、流塑状粉质黏土等,其中淤泥及淤泥质土普遍存在于沿海沿河地区,厚度一般为3~10m,最深超过20m,海滩地貌表层淤泥含水量可达100%以上,基本呈流动状态。海陆交互相沉积淤泥及淤泥质土含水量一般为40%~60%,流塑状态。几乎都属于欠固结土,强度低,变形大,固结慢。(5)岩溶。有地表的溶沟、溶槽、石芽、落水洞,地下的溶洞、暗河、石笋、钟乳石,以及上覆土层中伴生存在的土洞等,岩性一般为石灰岩、白云岩及泥灰岩,岩质坚硬,岩样单轴抗压强度常为50~100MPa以上。主要特点有:溶洞分布无规律性,沿竖向可能有几层;溶洞地下水常与附近河流等外部水源有水力联系;岩面起伏变化大;岩面处因有地下水聚集,上伏土常呈软塑状;地下水的变动和上覆压力的增加等原因可能会造成土洞塌陷。基坑工程中往往需要切断溶洞中地下水与外界的水力联系,及填充浅层土洞。(6)大面积深厚填土。随着城市建设用地的日益紧张,高挖深埋、开山造地、填海造陆已成为深圳地区工程建设用地的重要来源,局部地区堆填厚度甚至超过30m。以素填土为主,少部分区域有杂填土、冲填土;除了道路、海堤等少量工程有序填筑,大多数工程无序堆填,很难判断填土的堆填时间、填料成份、压实状态等工程性质,给工程应用带来了很大不便。部分区域直接用块石堆填,止水、基坑支护及工程桩施工都非常困难,块石填海地段中尤为困难。(7)砂卵石及填石。有些场地冲洪积层中含有巨大孤石,粒径最大可达3~5m,不少场地砂卵石层中的地下水与河水、海水等外界水源有水力联系甚至为动水,基坑施工及止水都很困难。(8)地下水。地下水位高,埋深一般为2~3m,水量总体丰富,土层渗透性强,大部分砂石层中孔隙水为微承压水,部分地区砂石层中地下水为动水,靠近海边时为海水,基岩裂隙水发育且几无止水良策,绝大多数基坑都要以地下水处理为设计核心及施工重点问题。此外,台风暴雨频发,水量补给充沛,也给基坑工程带来一定困难。(9)基岩。部分区域第四系土层较薄,下伏中风化及微风化基岩埋深较浅,近些年来随着基坑深度的日益增加,岩质基坑及半岩半土基坑越来越多。此外,局部区域还有微湿陷性土、微膨胀土、古滑坡及饱和粉土等。综上所述,深圳地区集中了全国大部分地区的岩土类型,其复杂程度在全国甚至全世界的大中城市中都是罕见的。这决定了基坑工程及支护技术必然也具有复杂、多样、多变、困难等特征。3基坑开挖趋势基坑的几何特征、地质条件、周边环境特点、不同地区建设行政主管部门管理规定等,决定了该地区基坑支护技术形式。21世纪以来,深圳城市建筑不断朝着多、高、深、密、近、大、复杂方向发展,基坑支护技术也不断呈现出新的变化:(1)数量多,每年都有几十至上百个基坑出现,高峰年估计有200个。不过,随着城市建设用地的日趋紧张及建筑物的日趋饱和,近几年基坑总数量已呈逐年下降趋势。(2)平均深度越来越深,大多为2~4层地下室,深度20m以上基坑已成为常态,最深的平安国际金融中心已达31.8m。(3)来源广泛,仍以建筑物地下室开挖为主,但地下管线等市政设施、公路、铁路、港口、人防、机场、地铁、地下商场、地下构筑物、交通综合体等开挖产生的基坑比例有逐年增加趋势。(4)规模大,平面形状复杂,很多小区红线范围内全部设置成地下室,动辄基坑开口面积达数万平方米。(5)周边建筑物林立、距离越来越近,市政管线密布,环境越来越复杂,对基坑开挖及变形控制的要求越来越高。(6)地质条件越来越复杂。随着城市建设用地的日益减少,开山造地、填海造陆、旧城改造项目越来越多,工程地质及水文地质条件越来越复杂。(7)地铁线路越来越多,分布越来越密,基坑越来越难脱离地铁的影响。地铁对变形要求非常严格,大大增加了基坑工程的难度及工程造价。而且,地铁施工时不可避免地会对周边环境造成不良影响,导致沿线建筑物下沉开裂已成为普遍现象,在地铁沿线附近开挖基坑,容易加重这些已受损的周边环境的损伤程度。(8)开挖技术向多元化、复杂化、组合化发展,各种明挖、暗挖(盾构、导向钻进、逆作等)、盖挖等开挖形式并存,全国各地的技术在深圳地区几乎都有体现。4基础环境安全和正常使用问题基坑要完成三大功能,即保证主体地下结构的施工空间、支护体系本身的安全及周边环境(建构筑物、地下管线及设施、道路等)的安全和正常使用。随着对三大功能认识的逐步扩大与加深,以及对各种土层及周边环境等基坑工作条件的逐渐了解及深入理解,业界相应的对策在不断发展变化,使基坑工程产生了不同的发展阶段。4.1基坑开挖与支护工程下室20世纪80年代为第一阶段——初级经验阶段。80年代初,深圳开始大兴土木,有些建筑物设置了地下室,出现基坑开挖与支护工程。与其他城市类似,深圳早期基坑工程特点为:开挖深度浅(多为1层地下室),规模小,周边环境简单,支护技术简单(一般放坡开挖、简单护面,或采用钢板桩、木桩简单支挡),采用明排或降水方式处理地下水,不用理论计算完全凭借经验,几乎没有监测,设计施工不需专项资质。4.2基坑支护技术日益成熟20世纪90年代初期至中期为第二阶段,深基坑支护开始作为一门独立的岩土工程技术得到研究应用并迅速发展。这个阶段,深圳城市建设迅猛发展,基坑大量涌现,深基坑及支护概念形成并被迅速普及,排桩、地下连续墙、搅拌桩重力式挡墙等各种较传统的基坑支护技术纷纷得到应用,以土钉墙(包括复合土钉墙)为代表的崭新技术在深圳率先登台亮相,总的来说以排桩技术为市场主流。种种原因,第二阶段基坑工程事故频发。为此深圳市1993年初在国内率先发布了《深基坑设计与施工管理规定》,并进行了几次修订,对基坑工程的各环节、工程各相关单位及从业人员的资格、职权责等进行了全面具体要求;同时在国内率先实施了设计方案专家审查制度;之后又于1996年实施了《深圳地区建筑深基坑支护技术规范》(SJG05—96)。当时国内尚未有类似的专业标准,该规范总体上达到了国内领先水平,从此深圳基坑工程管理结束了无序行为,进入了有法可依、有章可循、理论指导实践阶段。4.3中期、40年生中国基坑支护发展阶段1998~2004年为第三阶段,可视为土钉墙时代。20世纪90年代初期,技术人员开始在深圳地区基坑支护中尝试该技术,经过几年的摸索,至90年代中期基本成熟。基坑支护技术规范的实施,促使这一技术得到普及推广,迅速占领了市场,1998~2004年间(施工时间),其市场占有率每年达60%~80%以上,当时普遍“有条件要用,没有条件创造条件也要用”,过度迷信与使用不当,导致土钉墙工程事故或险情屡屡发生。第三阶段也是新技术推出较快、多种支护走向成熟阶段。这个阶段,国家、行业、地区多种综合及专项技术标准纷纷出台,计算机及商业计算软件得到了普及,基坑支护设计进入了电算化时代。4.4检测方向和难点2005年以后进入第四阶段,即各种技术的理性应用阶段。各种支护技术基本成熟,新技术推出步伐变缓,组合化技术得到广泛应用,基坑支护设计从承载能力极限状态设计、即强度设计开始向兼顾正常使用极限状态设计、即变形设计方向进步。多种因素致使土钉墙受到了较多较大限制,一些更安全、更环保的技术受到重视。在设计理论上,有限元、有限差分法等一些数值分析方法得到较多应用,但仍要靠工程经验对计算结果进行判断。第四阶段,深圳已经拥有数十名理论知识扎实、工程经验丰富的专家学者,有了他们及较详尽的管理制度和技术标准的把关,深基坑工程安全事故已经很少,重大安全事故基本绝迹。基坑事故或险情中,设计原因或主要为设计原因引起的已经较少,估算已不到20%。4.5基坑变形控制深圳是国内较早重视基坑变形问题的城市之一,1996年实施的《深圳地区建筑深基坑支护技术规范》(SJG05—96)提供了变形参考指标,其修订版《深圳市基坑支护技术规范》(SJG05—2011)进行了调整并确定为变形控制指标。2009年,深圳修改了对地铁周边50m范围内基坑的开挖要求,要求基坑开挖引起的地铁主要结构物变形不得超过5mm,附属结构物变形不得超过20mm。这一规定很严格,工程中一般方法很难达到,故改变了地铁周边基坑的支护形式及地下工程的施工方式,使得全套管钻孔咬合桩及地下连续墙这些在深圳地区建筑基坑中很少使用的支护形式,及逆作法等施工方法得到了越来越多的应用。基坑周边环境中,如建(构)筑物、地铁、道路、管线等,通常有准确或粗略的变形控制指标,如果变形超过指标,可能会造成有害损伤,基坑设计与施工应保证基坑变形引起的周边环境的变形值不超过其相应的控制指标。但是,业界尚不清楚如何准确计算基坑变形,缺少较成熟的变形经验公式,有时甚至提不出准确的基坑变形控制指标,也不清楚基坑变形与周边环境变形之间的定量对应关系。近一两年发布实施的《建筑基坑支护技术规程》(JGJ99—2012)及《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)等全国性技术标准,均提出了对基坑的变形控制要求,但均没有提供计算方法及控制指标,说明了基坑变形问题非常复杂,故难言目前已进入变形控制阶段。但无论如何,变形及强度共同控制、以变形控制为主的基坑工程发展的第五阶段就要到来。5基坑降水技术深圳地区复杂多变的地质条件等因素决定了基坑支护方法很多。对1992~2011年深圳地区402个基坑工程统计结果显示:土钉墙类使用率为49.8%,排桩类38.1%,其他为12.1%。组合支护类没有单独统计。从发展趋势来看,近几年土钉墙及预应力锚杆使用率逐渐下降,排桩(包括咬合桩)、地下连续墙及内支撑使用率逐渐上升,降水类技术基本不用。地下水控制方面,早期基坑仅使用明沟及集水坑明排水,开挖困难;之后采用井点或管井降水,取得一定效果;再之后在基坑周边设置止水帷幕,坑内降水或者明排水,效果良好。深圳地区大多地层对失水较敏感,基坑降水容易对周边环境造成不良影响,即使基坑四周均是弱透水层,随着基坑深度增加及暴露时间增加,也会造成地下水流失及土体蠕变,引起地表沉降。故目前基坑设计时,如果周边环境较复杂,或对水土流失及基坑变形较敏感或基坑较深时,不管土层是强透水层还是弱透水层,普遍设置止水帷幕。6国内新型地质新技术的应用深圳一直是国内多种基坑支护技术的试验田,在基坑工程30余年的发展过程中,针对独特的地质条件等区域特点,自行研发或在国内率先采用了多种新技术,如土钉墙类、咬合桩类、锚杆类等,目前有些新技术值得向全国推广。6.1旋挖—咬合桩类(1)全套管钻孔咬合桩。2000年在深圳地铁1#线金田—益田区间基坑支护工程中国内首次成功应用。技术特点为:(1)全程采用超前钢套管护壁,抓斗挖孔,近于干法,成孔质量高,无泥浆,无塌孔,无冲击,无振动,噪音小,安全性好,混凝土强度高;(2)相邻桩咬合紧密,止水效果好。工艺为:分A,B两序,A桩一般为素混凝土桩(也可置入钢筋笼),B桩为钢筋混凝土桩,按A1→A2→B1→A3→B2的次序施工,如图1所示。A桩灌注超缓凝混凝土,初凝时间一般60~72h;相邻B桩在A桩混凝土初凝前完成;因有钢套管超前护壁,B桩成孔时A桩混凝土不会串孔;在地面按图1所示形状设置导墙,钻机沿导墙下挖,相邻桩被强制咬合。该桩优点与地下连续墙相似但工程造价稍低。(2)旋挖–搅拌咬合桩。较为传统的排桩施工工艺为泥浆护壁钻孔桩、冲孔桩、挖孔桩及长螺旋桩等灌注桩,与水泥土桩联合形成止水帷幕时主要有2类形式:(1)排桩、高压喷射注浆法或深层搅拌法形成的水泥土桩均单独成排,水泥土桩相互搭接成墙形成止水帷幕;(2)排桩先施工,然后在桩间采用高压旋喷桩或摆喷桩与排桩搭接,共同形成排桩–旋喷桩止水帷幕。近几年随着旋挖桩在全国范围内基坑工程中的普遍应用,产生了更多的止水帷幕形式,旋挖–搅拌咬合桩便是其中的一种。该方法为:先施工搅拌桩,再施工旋挖桩,旋挖桩与搅拌桩共同形成止水帷幕,如图2所示。由于搅拌桩成桩质量好、工程造价低,这种止水帷幕要优于排桩–旋喷桩止水帷幕。技术要点:排桩一定要用旋挖工艺,因搅拌桩水泥土强度一般仅为1~2MPa,旋桩机可轻松切割且不会造成水泥土破坏;如钻孔或冲孔,则易偏桩倾斜,搭接效果较难保证。本工艺已在深圳地区开始使用。(3)旋挖咬合桩。搅拌桩受地质条件的限制较多:如果土层中夹杂块石、硬夹层,或要求穿过全风化甚至强风化岩时,搅拌桩受机械能力限制成孔困难;强度及防渗性受原状土限制,在淤泥等软弱土层中强度低防渗性能差;砂卵石层及较密实的粗砾砂层受机械能力限制很难成孔;桩较长时在基坑底部容易分岔漏水,等,故旋挖–搅拌咬合桩在这些情况下应用受到限制。此时可采用旋挖咬合桩。施工工艺为:素桩与钢筋混凝土桩均采用旋挖工艺,一素一筋或两素一筋,素桩灌注现场搅拌的水泥土,终凝并达到一定强度后开挖相邻钢筋混凝土桩。由于素桩为水泥土桩,旋桩机可轻松切割且不会造成水泥土破坏。与全套管钻孔咬合桩相比,旋挖咬合桩工作效率可提高5~6倍,不需设置导墙,工程造价降低20%~30%。该技术难点为水泥土配方,既要保证水泥土强度足够又要保证有一定的和易性。本工艺已在深圳地区开始使用。(4)冲孔水泥土咬合桩。填石层中如何止水一直是工程中的难点问题,尤其是地下水有流动性时。通常采用旋喷桩作为止水帷幕,但填石中旋喷桩质量很难得到保证,且成孔很困难。冲击成孔是对付填石比较有效的办法,可用冲孔桩两两相互切割形成咬合桩。与旋挖咬合桩类似,相邻桩分为素桩与钢筋混凝土桩,一素一筋或两素一筋,素桩灌注现场搅拌的水泥土,终凝并达到一定强度后再施工相邻桩。如果仅作为帷幕可均为素桩。为保证桩位准确及开孔的垂直度,地面宜设置导墙。由于素桩为水泥土桩,相割桩冲击成孔时不会造成水泥土破坏,如采用混凝土,则容易受到破坏且容易造成相割桩倾斜。6.2压力型锚索t技术特点(1)自进搅拌式锚索。锚杆钻机在松散土层、饱水粉细砂层及淤泥等软土中,易塌孔,易造成水土流失影响周边环境,锚固体与土层的黏结强度较低。自进式搅拌锚索适用于这些地质条件,特点为:采用一次性三翼钻头;钻头上带有注浆孔;钻头与钻杆相接,钻杆同时作为注浆管;钻头后设置一个一次性承压盘,钢绞线锚固在承压盘上,承压盘套在钻杆上,不随钻具转动;钻具进尺进程中,钢绞线被定位环松拢在钻杆周边,不随钻杆转动;钢绞线设置自由段及锚固段;钻头带浆进尺,将浆液与原位土就地搅拌形成水泥土;到达预定深度后,钻杆反转,在承压盘处与钻头脱开,将钻头、承压盘与钢绞线一起留在钻孔内,此时孔内被水泥土填充。由于承压盘的锚固效果显著,本工艺形成的锚索具有压力型锚索的工作特征。可采用地质钻机等小型机具施工,成本较低,在锚索设计承载力不高时(如不大于400kN)可采用。本技术已在深圳地区有一定应用。(2)高压喷射扩大头锚杆。工程中使用量最大的是黏结型预应力锚杆。黏结型锚杆靠锚固体与周边岩土体的黏结摩阻而获得锚固力,因黏结强度随锚固段的加长而减小,故通过增加锚固体长度而获得较高锚固力的做法不经济且不易实现。为获得较大的锚固力,通常采用荷载分散型锚杆及扩体锚杆等。扩体锚杆,俗称扩大头锚杆,目前尚没有得到普遍应用,主要原因是扩孔困难且可靠性较差。一般通过4种方法扩孔:机械法、爆破法、液流切割法及压浆法。高压喷射扩大头锚杆为一种液流切割方法,采用高压(喷射压力一般20~40MPa)喷射注浆,在普通拉力型锚杆尾部一定范围内(通常为3~8m)切割土体扩孔,扩孔直径可达0.5~1.5m,再用水泥浆或水泥砂浆置换孔内泥浆填充孔洞,从而形成扩大头,产生较大的锚固力。本技术已经在全国各地数个工程中成功应用。(3)囊式扩体锚杆。装配式承压型囊式扩体锚杆如图3所示,锚杆尾部为一个囊体,膨胀挤扩后形成端承锚固段,杆体为无黏结钢绞线,其工艺为:囊体与杆体及注浆管装配好,置入钻孔内,之后向囊体内注入水泥浆;随着浆体的注入,囊体膨胀挤扩逐渐达到预设形状,囊体周围土体逐渐被压密。技术特点为:(1)传统锚杆依靠锚固段与周围土体的黏结力和摩擦效应来传力荷载,锚固力的大小取决于有效锚固段的长度及黏结强度;本扩体锚杆主要依靠膨胀挤扩体的端压作用承载,锚固力的大小主要取决于膨胀挤扩体的端头承载面积,所以膨胀挤扩体的长度只需满足能够对土体有效挤密的要求即可,锚固段的长度一般为2~3m即可,经济性好。(2)锚固段和自由段完全区分开,锚杆结构传力体系和承载机制简单明确,单锚锚固力的计算值和工作荷载的确定更加准确。(3)防腐容易,适用于永久性工程。(4)其他类型的扩大头锚杆,由于扩大头内的泥浆很难清洗干净,锚固体内夹有泥土,强度较低且离散性较大,而本锚杆在囊体内注浆,质量极为稳定且节省浆液。本技术已在深圳地区开始使用。6.3水平实践喷流喷嘴(1)大直径单管旋喷桩。旋喷桩分单管、双重管、三重管及多重管等几种形式。单管旋喷桩只采用水泥浆一种介流喷射切割土体且作为固化剂,故以其施工设备简单、加固体强度高、泥浆污染小、形成的泥浆污染易处理等突出的优点,一直在喷射注浆领域占有重要地位。其缺陷是成桩直径小,一般仅为0.3~0.6m,大大限制了工程应用范围。国内外为增大单管喷射注浆直径作了许多研究,如日本研制的JMM工法,采用深层搅拌桩机械和旋喷机械相结合技术,即在搅拌头的伸出轴上安装了高压射流喷嘴,大大提高了单管旋喷桩直径,成桩直径可达1.0~1.4m;国内如煤炭科学研究总院西安分院研制了与JMM工法类似的多喷嘴异形喷头,成桩直径可达1.2m。这类已研制成功的水平伸出轴单管喷射注浆法在有效提高成桩直径的同时,存在下列主要缺陷:(1)由于喷头上设置了带有固定水平轴伸出喷嘴,将喷头送至地下需加固的地层较困难;(2)施工能源消耗成倍增加,所使用的机械增加了深层搅拌桩机的动力;(3)由于带水平伸出轴喷嘴的喷头在地层中钻进困难,现有方法一般只适合软土地基加固,不适合砾卵石、含碎石及块石地基加固。新技术大直径单管旋喷桩采用了伸缩式喷射钻具,克服了上述缺陷。使用该技术,单管旋喷桩直径增加30%以上,材料浪费降低15%以上,单位加固体形成的污染降低35%,工程造价降低20%以上。该技术在珠海及深圳一些工程中已进行了应用,效果显著。(2)粉水桩。高压喷射注浆法的水灰比较大,在饱水砂层中浆液易产生离析以及因水泥土加固体含水量大,在水泥用量相同时加固体强度低;粉体搅拌法在土层中障碍较多及土质较硬时很难进尺,且成桩桩径较小。粉水桩以高压喷射注浆桩的机械设备为主,但用粉体搅拌法的粉体存储与输送设备向桩内输送水泥粉,替代了传统高压喷射注浆法中用水泥浆搅拌与输送设备输送的水泥浆,形成了一种新的技术,技术核心为喷嘴。其特点有:现场冒浆少,废弃浆液大幅减少;降低了现场环境污染;节约水泥,工程造价低;水泥土加固强度高;故具有显著的经济和社会效益。该技术已经进行了科技成果鉴定,被同行评定为国际先进,在深圳个别工程中已开始试验性应用。6.4支护结构形式深圳地区早在20世纪90年代初期就已经在基坑工程中应用双排桩技术,但因工程造价高、需占用较宽的场地等原因,一直没有推广。近些年随着基坑越来越深、基坑变形要求越来越高,在预应力锚杆和内支撑不适宜使用时,双排桩因对变形的控制能力较强等原因,重新受到了重视,工程应用开始增多,支护深度最深已达20m。深圳地区双排桩有多种工艺形式,挖(钻、冲)孔灌注桩是最常用形式,其他还有预应力管桩、微型桩、型钢桩等;平面布置上,前排桩间距与后排桩间距相等或不相等形式均有应用;双排桩与预应力锚索联合支护形式也有所应用。6.5土钉墙技术体系土钉墙类支护技术可细分为普通土钉墙及复合土钉墙,深圳是这类技术的起源地之一。1996年实施的《深圳地区建筑深基坑支护技术规范》(SJG05—96),在国内率先提出了包括设计计算、施工检测等内容完整的普通土钉墙技术体系,为土钉墙技术在全国范围内的推广应用起到了积极的促进作用。该技术目前已经发展到了复合土钉墙技术为主阶段,其设计计算一直是业界的难题,《深圳市基坑支护技术规范》(SJG05—2011)在国内外率先提出了包括全部7种形式的复合土钉墙的设计计算理论,当时代表了国内外最新及最高的设计理论及应用水平,2012年5月开始实施的《复合土钉墙基坑支护技术规范》(GB50739—2011),就是在深圳标准的基础上,经过更加深入细致地继续研究而形成的国家专项技术标准。6.6桩锚支护体系(1)疏排桩–土钉墙。这是在排桩与土钉墙基础上发展起来的较新技术,通常由间距较大的排桩(疏排桩)、桩上的预应力锚杆(或支撑)、桩间的土钉墙(或复合土钉墙)组成,如图4所示。每单元疏排桩可为单根或两根,桩体一般为灌注桩,桩间距为2~6倍桩径,可以在桩身布置几排预应力锚索(或支撑)。土钉墙工程造价较低但安全性也较低,排桩安全性较高但工程造价也较高,疏排桩–土钉墙支护体系利用了各自的优点又克服了各自的缺点:利用桩锚支护体系刚性大控制变形好的优点,克服了其造价高的缺点;利用土钉墙体系造价低的优点,克服了其柔性支护控制变形能力较弱及支护深度不足的缺点,在经济性与安全性中取得了较好的平衡。(2)撑锚混合支护。竖向上撑锚混合支护是近几年开始应用的较新的支护形式。内支撑刚度大,控制基坑变形的能力强,但影响土方开挖及工程桩在坑底施工。基坑很深时,如果工程桩在地表施工,产生大量空桩增加了工程造价;桩位易在坑底处产生较大偏差,对控制桩身垂直度要求很高;锚杆支护恰好能够克服这些缺点。但较深基坑中,锚杆支护体系的变形相对较大,安全性相对较差。撑锚混合支护形式通常最上一或两层采用内支撑以控制变形,以下设置2~4层预应力锚杆,在支撑与坑底之间形成较高的净空,钻冲孔桩机等工程桩机械可自由行走,基本不影响工程桩的选型。7基坑支护技术特点下面介绍几个典型基坑工程案例。这些案例在基坑规模、深度、地质条件、周边环境、施工流程、支护方法、新技术应用等各方面特点不一、风格各异,但均因地制宜,成功实施,体现了深圳地区基坑支护的多种形式及特点,能够代表深圳地区目前最新技术水平。7.1基坑形制及水平位移该项目位于深圳市龙岗区坂田,为旧城改造项目,分4个住宅组团。场地西、南、东三侧邻市政道路,道路下市政管线较少;北侧半段邻山,另半段邻某扣车场,周边环境较简单。场地原始地貌为残丘、坡洪积台地,后经人工分区整平。场地内主要地层有人工填土层、耕植土层、坡洪积粉质黏土、冲洪积砂土、残积砾质粉质黏土,场地下伏基岩为燕山期粗粒花岗岩,分全、强、中风化层。地下水位埋深2.5~9.0m。地下室1~6层,基坑形状不规则,平面尺寸最长约801m,最宽约663m,面积约28.5×104m2,周长约3180m,深度7.3~31.2m,土方挖运量约3.86×106m3,为深圳地区目前面积最大、深度最深的基坑之一。基坑平面和典型剖面如图5所示。有条件放坡时,采用预应力锚索复合土钉墙支护,放坡宽度不充足或开挖深度大于20m时,采用桩锚支护、土钉墙或放坡与桩锚组合支护。为保证锚索设计承载力,基坑深度超过20m后采用拉力分散型锚索。项目分四期建设,每期相间约6个月,目前已完成第一、三、四期基坑作业,正在开挖第二期基坑。已开挖到底的基坑最大水平位移为35~50mm,沉降最大值为20~30mm。本基坑规模如此之大国内外罕见。预应力锚索支护基坑深度一般不超过25m,而本次最深超过已30m,因几无良策,也属无奈之举,但终较为成功。7.2基坑工程概况该项目位于深圳市南山区后海,分为南北2组建筑。场地四周空旷,为待建用地及拟建道路。场地原始地貌为海滩,填海造陆而成,但尚未地基处理就已经开发。地层主要为人工填土、海陆交互相沉积淤泥,冲洪积粉质黏土、砾砂及淤泥,残积砂质黏性土,风化花岗岩层。地下水位埋深0.0~5.0m。基坑分为南、北两区分别开挖,面积共约6×104m2,基坑周长约1488m,最大开挖深度18.4m。现只介绍南区情况。设计采用桩锚支护,桩径1.0m(见图6),上部放坡,淤泥层较厚、上覆填土较薄时上部采用土钉墙,并设置竖向注浆钢花管。为在淤泥中获得足够的承载力,除了锚杆角度较大、锚固段尽量置入淤泥下较好的土层中外,设计采用了拉力分散型预应力锚索。桩间距较小时桩间采用二重管旋喷桩止水,间距较大时桩间采用大直径单管旋喷桩止水,止水效果均较好。基坑工程完成后,桩顶位移一般40~60mm。施工中局部发生意外,尚未施工第一排锚索便位移近100mm,处理后基本正常。沉降一般为50~80mm。本基坑在深厚淤泥层中采用桩锚与土钉墙组合支护获得成功,较为罕见;采用了大直径单管旋喷桩止水帷幕及拉力分散型预应力锚索等新技术获得成功。7.3基坑桩身高度12m该项目位于深圳市南山区后海,是附近的地标建筑。场地四周与市政道路相邻,道路下市政管线较多。地层主要为人工填土层,海陆交互相沉积淤泥质粗砂、砾砂及淤泥质土,残积砂质黏性土。地下水位埋深约3.0m。基坑大体为方形,长约153m,宽约146m,面积约2.1×104m2,开挖深度13.7m。设计采用上部复合土钉墙下部桩撑组合支护,如图7所示,设单层环撑,直径132m,高1.6m,宽1.9mm。桩径1.2m,间距1.5m,桩间设二重管旋喷桩止水。基坑完成后,桩顶水平最大位移36mm。沉降最大值30~40mm。局部桩间帷幕漏水漏砂严重,造成地面局部沉降最大。本基坑采用了超大直径单圆环支撑,及桩撑与复合土钉墙组合支护形式获得成功。7.4支护设计及支护方案该项目位于深圳市福田区竹子林,为多栋超高层建筑。场地东侧邻已有高层建筑,其余三侧与市政道路相邻,道路下有管线,环境比较复杂。地层主要为人工填土,第四系冲洪积粉质黏土、砂质黏性土、砾砂、淤泥质黏土、粗砂,第四系残积砾质粉质黏土,风化花岗岩,分为全、强、中风化层。地下水位埋深1.5~2.5m。基坑大体为长方形,长约335m,宽约100m,面积约3.3×104m2,原设计开挖深度16.0m,部分区段开挖到约12m时,开发商将3层地下室调整为4层,基坑开挖深度加深至20.0m。原设计采用桩锚支护,排桩直径1.2m间距2.0m,4排预应力锚索。基坑加深4m后,经与逆作法、增加支撑等作法相比,最终决定增加一排支护桩锚支护,如图8所示。基坑完成后最大水平位移约49mm,最大沉降约35mm。基坑在开挖过程中大幅度加深情况较为少见,本基坑因地制宜,采用增设桩锚支护获得较好效果。7.5基坑支护设计条件该项目位于深圳市福田区岗厦,为旧改项目,由一栋250m高的塔楼及5层裙楼组成。场地西、南两侧邻市政道路,道路下管线较多,南侧道路下有已运营地铁1#线;东北两侧与在建岗厦旧改项目相连,周边环境复杂,设计施工难度很大。场地原始地貌单元为河流冲洪积阶地地貌,主要地层为人工填土,第四系全新统沼泽相沉积有机质粉质黏土、含有机质中砂,第四系上更新统冲洪积粉质黏土、粗砂,第四系残积砾质黏土,全风化粗粒花岗岩。地下水位埋深2.9~5.0m。基坑大致为方形,面积约1×104m2,长约105m,宽约95m,开挖深度22.6m。基坑支护设计条件:(1)南侧有运营地铁,如不采用全逆作法,只能采用地下连续墙+内支撑支护体系;(2)岗厦旧改项目已开工,基坑已开挖,在本基坑东、北两侧沿红线采用土钉墙支护,坡率约1∶1.5,分3级,坑底标高与本基坑大致相同;(3)基坑深、水土压力大,经核算,回填后靠本地下室及工程桩承担不了全部土侧压力,本地下室须与岗厦旧改项目地下室相连,将部分土压力传递至对方;(4)岗厦旧改项目体量大,将分期开发,与本项目相接处为裙楼,地下室建成期较晚;(5)本项目塔楼位于场地西南角。解决方案:(1)分舱支护。基坑分南、北两期施工,南期地下室及主体结构正作,北期逆作。先施工南期塔楼及部分裙楼基坑、主体,如图9所示。如果北期裙楼建成期较晚,南期塔楼及裙楼可先行使用。同时,北期留置土体作为内支撑的承压体,否则南期基坑无法支撑。(2)西、南两侧采用地下连续墙作为支护结构,同时兼作地下室外墙。南期基坑东、北两侧采用排桩支护,东侧桩锚支护,桩顶随放坡坡率变化而变化。(3)因放坡体占据了地下室位置,岗厦旧改项目在施工与本基坑相连段地下室时要垂直开挖,需二次支护,支护形式为桩锚,采用可回收式锚索。(4)岗厦旧改项目施工完地下室后,本项目采用逆作法施工北期基坑:施工工程桩,逆作柱,施工地下室首层梁板,梁板与岗厦旧改项目地下室首层顶板相连;开挖土方至地下室首层底板标高,施工底板,与岗厦旧改项目地下室首层底板相连,然后开挖下一层土方,如此反复,直至完成。(5)地下室首层底板完成后,向下开挖土方的同时,可同时向上正作主体结构。本项目目前南期基坑正在开挖。北期基