广东深基坑工程支护新认识

广东深基坑工程支护新认识

1基坑开挖的风险广东地区地质条件种类最多，主要代表性如下。(1)岩层出露面浅。以广州影响最大的塌方基坑——广州海珠城广场为例,基坑开挖深度19m,地面以下6m多即为中风化泥岩,典型地质剖面如图1所示,采用的支护方案为土层部分复合土钉支护,岩层部分垂直开挖,如图2所示。早期广州很多的基坑工程都是这种支护方案,但海珠城事故后,对这种方案的采用都非常谨慎,目前已较少采用。(2)厚残积土层。局部地方存在很厚的花岗岩或泥岩厚残积土层,尤其是花岗岩厚残积土层,该土层标贯击数高,一般都在10击以上,以为是很硬的土,但该层土含砂量大,透水性强,还会遇水软化,个别基坑还产生过坑底隆起的现象,如不小心处置,也会出现意外,水位下降后还会影响周边环境的安全。(3)地下水多。广东处于珠江出海口位置,地下水位高,城市中旧房多,如出现基坑渗水,很容易使周边房屋产生沉降或裂缝,因此,止水是广东基坑工程很重要的内容。(4)厚砂层。即使是广州市,也有不少的厚砂层地基,部分地基中砂层直接与岩层交界,一些采用密排搅拌桩止水在交界处由于搅拌桩进不了岩层而产生漏水。(5)城区旧房多,地基差。一些旧房基础多是天然地基,在地质差的地方是木桩基础,而城市是寸土寸金,毗邻这样的旧房进行深基坑开挖,风险很大。(6)灰岩溶洞多。在广州的北部以及佛山等地,存在较多的岩溶地基,这些地基溶洞土洞多,基坑开挖存在塌陷和地下冒水的风险,也是必须重视的。(7)厚软土。在广州的南沙、黄埔、珠海、中山、江门和深圳等地区,还都存在着一些厚达10~50m的厚软土地基。这些软土地基的力学性质差,大多数其含水量在60%以上。在这样的厚软土地基中,如何选择合适的支护方式是值得重视的,同时,软土基坑开挖也经常会把工程桩推移,影响工程桩的承载力。(8)地下空间相互影响。由于市区土地昂贵,为尽量利用土地,建筑物地下空间相互临近,基坑开挖存在相互影响,后开挖的基坑要考虑已做好的地下结构,包括地铁隧道等。同时,一些先施工的基坑采用大量的锚索,这些锚索较长,通常超越红线以外,这同样给后期的建筑基础及基坑支护结构的施工带来困难。这也是后期需足够重视的。珠海某场地4个工地相邻,地下室3~4层,各楼盘仅相隔1条马路。如果各项目独立开挖,无论采用对撑或锚,如不协调,都会涉及后期项目基坑的支护。最理想的是同时开挖,但由于各项目规划工期不一致,也是较困难的。广州、深圳都有地铁保护办这样的机构,对临近地铁或将要通地铁的一定范围控制锚索的使用范围。2工程建设要考虑合理、交通疏导广东深基坑工程支护面临的新挑战主要是来自于地质条件复杂、周边环境要求高、交通要道上的开挖等,工程建设要考虑的因素多,除工程安全外,也要考虑合理的造价、工期和交通疏导。正如上面所述,广东地质条件是很复杂的,合理的支护方式应是根据地质条件和周边环境来选择的。2.1基坑底渗失固定渗流影响周边建筑物安全水是广东基坑工程中需重点处理的一个对象,水不但会从砂层中渗出,在砂质黏性土或粉质黏土中也会渗出,从而影响周边建筑物的安全。由于基坑底或基坑侧渗水而影响周边建筑物的案例很多。广东东莞一基坑,设一层地下室,基坑深度约为5m,但砂层厚达20m。关于是止水还是不止水的问题很纠结,止水代价很大,不止水不安全。对防水的不同处理方案不但代价不一样,风险也不一样。(1)坑底排水措施基坑底有砂层或岩溶。在基坑四周防渗代价太大,或难以达到周边防渗,则需在坑底采取措施。基坑底的措施可采用排和堵的方法。在潮州水利枢纽地下泵房中采用的排渗方法是成功的。该工程位于河中,基坑底附近为淤质砂,深部为粉砂及厚砂卵石层,水压大,与河中水连通。为此,采用坑底旋喷封底和降压井的方法,让水从降压井中自动排出,从而减少旋喷工程量,同时保证了基坑底不被地下水顶起,并且基坑底施工时无积水,如图3所示。广东顺德一个工地,周边原采用三轴搅拌桩墙止水,而中间电梯井要深挖,采用在降水井中抽水降低水位,结果造成周边几百米以外房屋的沉降,损失很大。该工程地质条件如图4所示。由于砂层埋藏较深,原采取的基坑侧壁止水无法达到止水效果,采取坑内井中抽排水的方案来降低坑内水位,由于水位降深大,从而影响范围大。显然,如基坑侧壁不止水或止水失效时,在坑底降水时宜采用降压井的方式,让水在水压作用下从井中自动排出的方案比较可靠。若采用井内抽水来降低坑底水位,势必会造成基坑外地下水位的降低过大,可能会影响周边环境安全,即使采用降压井方式排水,当坑外无水源补充时,也应考虑坑外地下水位降低可能对周边环境产生影响。因此,采用坑内降水时,应充分论证。(2)坑底注浆封底在城区的基坑,不宜采用这种坑内抽降水方案,广州的中央海航酒店工程基坑底以下岩溶丰富,侧壁防渗困难,采用了注浆封底的方法进行坑底防渗,但仍有局部产生喷水。广州大坦沙地铁站已开挖到底,但还来不及施工底板时产生底板涌水,后来处理时采用了很高代价的坑底注浆封底的方法把水止住。因此,坑底止水的代价是很大的。(3)桩间止水措施侧壁止水最有效的措施是地下连续墙,但广州几个工程中,即使是地下连续墙,也由于槽段接头处发生漏水而造成较大事故。如早期的发生于1988年的广东第一个地下连续墙深基坑工程(华侨大厦),近期的广州地铁5号线鱼珠地铁站等,均在连续墙接头处发生了漏砂、漏水,使周边建筑物产生沉降和裂缝。因此,目前一些工程,即使是地下连续墙,如果要确保止水效果,还应在接头处增加旋喷桩或预留灌浆管等措施。当然也有用咬合排桩的方案。对于在侧壁有防水要求及周边对降水有较敏感建筑物的,如采用排桩支护时,则采取多重止水措施较可靠,一般是在桩外侧采取咬合搅拌桩,桩间采用旋喷桩,坑内侧桩间采用挂网喷混凝土,尤其桩间挂网喷混凝土,造价低而且非常有效,施工效果有保证,也是目前很多桩间止水采取的措施。在一些砂质黏土层中,以往采用排桩时,一般桩间不做止水措施,由于在不少场地会引起地下水位降低,对周边环境造成一定的影响,广州不少工地都产生这样的问题。深圳的平安大厦基坑工地是比较典型的,后来更由于挖孔桩而需采用很强的灌浆止水措施。因此,在南方地区由于花岗岩残积土层,要考虑周边环境的重要性而采取必要的止水措施。2.2冲孔钢筋混凝土灌注桩广州等地一些岩石地基比较浅,深基坑在岩石中开挖,对这种岩石基坑的支护尚有不同的观点,以广州的海珠城广场为例,地质剖面如图1所示,其原设计采用的支护平面布置如图5所示,塌方侧的支护如图2所示。后来的发展商再开挖时,采用的是直径1.4m、间距1.6m的冲孔钢筋混凝土灌注桩,加3层钢筋混凝土支撑,桩长进入基坑底以下岩层4m,原塌方一侧采用3层支撑再加3层预应力锚索,支护平面布置如图6所示,塌方侧的支护剖面如图7所示,安全没问题,可代价高多了。海珠城事故前有很多采用吊脚桩的成功支护方案。事故后,已严格不准或控制使用,后来广州只有开挖29m深的烟草大厦还是应用这种吊脚桩方案,典型设计剖面如图8所示,但已保守多了,其实这种方案还是可用的,且效益显著,但如何保证岩体的稳定性要认真考虑。正在施工中的楼高530m,基坑深度27m的广州东塔的部分支护剖面也采用了吊脚桩方案,设计剖面如图9所示。可见,岩石中的深基坑支护是很值得探讨的。2.3桩厚比及支护效果双排桩支护(见图10)也是近年发展起来的一种支护形式,在广东也有一定的应用。双排桩其实质是利用桩的水平刚度来承受水平荷载的一种结构形式,其性价比并不好,通常是在水平支撑和锚索都无法应用时才采用的一种支护方法。双排桩方式中,前排(靠基坑一侧)密排、后排疏排方式较合理,若前、后排都密排造价高。双排桩的间距、土压力作用模式的计算模型等目前尚缺统一公认的计算方法,不像单排桩那样成熟。也可考虑采用有限元方法进行对比计算。最近,广东电力设计院在广东台山电厂泵房前池的深基坑支护中甚至还采用了3排桩的支护方案,用于场地受限的深度达16.5m的深基坑支护。2.4反压土锚索、搅拌桩加固设计方案广州的太古汇是较成功的中心岛法应用案例。该工程基坑面积大,难以对撑,开挖深度达23m,而周边有三边基坑的外侧存在其他建筑物的地下室或地铁工程,不能做锚索,而东侧为天河东路,可以做锚索。在不能打锚索的区域采用预留反压土方法,如图11所示,先开挖中心部分,把中心部分结构施工到地面后,再利用中心结构设置对撑,然后边支撑边挖去预留的反压土体。这种方法要主体结构的配合,且有足够大的平面,反压区为非软土区域较好。广东佛山一工程,由于基坑面积大、周边条件限制不能打锚索,原设计也采用中心岛法,但由于坑内是软土,反压土放坡困难,因而采用了格构式搅拌桩加固,造价也不便宜。中心岛支护结构在预留反压土作用下如何计算也是一个有意义的研究课题,因为一般支护结构在基坑内被动侧的土体都是水平分布的,但预留土体一般是有限宽度的放坡体,放坡体的作用在弹性地基梁的计算模型中如何考虑才合理尚需进一步研究。当然可以采用实体有限元方法进行计算。2.5路面交通施工盖挖法对拥堵的城市交通是一种较有利的地下开挖方案,盖挖法通常有盖外顺作法和盖挖逆作法。广州火车站前的站前路地下人防工程就是采用盖挖逆作法工法进行施工的,该项目设2层地下结构,总长约1km,只用了不到2个月时间即恢复了路面交通。这是解决城市交通主干道地下开挖值得推广的方法。对于位于道路上及沿道路建设的地下结构,盖挖逆作法的施工顺序为:先开挖至地下结构顶板底高程;然后浇筑顶板及柱帽,恢复路面结构施工;路面恢复交通,土方开挖则采用在旁边开挖竖井作为出土口;利用已施工好的顶板结构,沿地下结构侧壁位置根据地质和顶板结构,承载能力进行分段、分区开挖并浇筑侧墙,中间立柱则采用跳挖孔桩的方式浇筑立柱。这种工法最大的优点是可以快速恢复路面交通,减少对交通的影响,对一些交通要道上的地下结构施工很有优势;缺点是施工出土难。对于地质条件要求较高,能在一定深度进行直立开挖。2.6桩锚支护的成本在广州南沙、珠海、中山、江门等一些沿海地区,存在深厚软土层,软土含水量高,一般大于60%,地基承载力低,一般为40~60kPa,厚度10~30m,或者更厚。在这样的软弱土层中,进行深基坑开挖时,支护难度大、锚拉难、成本高。珠海某基坑深度为5.4m,采用桩锚支护,支护桩要穿透近20m的厚淤泥层和填土层等,成本很大,该基坑工程支护剖面如图12所示。对这样条件的支护也有采用搅拌桩重力式支护的。由于淤泥层土性较差,一般也会穿透淤泥,或会进行坑内被动区加固,成本也很大。在广东地区遇到不少这样的深基坑工程,采用何种支护形式更科学、合理,仍是一个有待深入研究的问题。2.7基坑内支护方案比选软土地基中由于坑内土方开挖而造成坑内已施工的工程桩侧移是一个常见的问题。主要是由于开挖时一般会形成一定的临空面,如图13所示。开挖会使软土产生侧向变形,带动桩的侧移而影响工程桩的承载力,应对措施之一是减少土方分层开挖厚度。但在淤泥中机械行走较困难,机械开挖分层太多也困难,因此,措施之二是先进行基坑开挖,再进行工程桩的施工。在基坑内施工工程桩对于较浅的基坑尚可;若对于较深的基坑,当基坑支护采用内支撑时也会给施工带来困难,此时,支护方案尚需考虑工程桩的施工。珠海恒仁大厦工程在坑内施工工程桩是一个较成功的案例,该基坑深约14m,由于靠海边地下水位高,采用一层锚杆、一层支撑的支护方案,如图14所示。下层采用支撑可避免在海水平面以下的砂层打锚开孔漏水的风险,而工程桩则在开挖到支撑位置时进行施工,工程桩施工完成后再施工支撑并往下开挖,既避免了支撑对工程桩施工的影响,也解决了支护的安全问题,是支护与基础工程配合良好的一个典型。3深基坑设计的一些理论问题3.1预应力施加阶段目前一些商用软件采用增量法进行支护结构的受力计算时,对于加预应力锚索时计算的锚索力偏大的问题,主要是未能充分反映支护结构施工过程的受力,这是对土弹簧的受力处理不够合理所致,其合理的计算方法应参考杨光华的方法进行计算。如图15(a)所示,当支护结构受到锚索的预应力作用时,挡土侧土弹簧是受压的,当进一步往下开挖时,计算简图如图15(b)所示,此时的增量荷载如图15(c)所示,增量荷载包括增量土压力和开挖掉的坑内土弹簧已有的反力。在计算简图15(b)中,挡土侧的土弹簧在此前可能是受压的,图15(c)所示的增量荷载必须克服施加预应力时挡土侧土弹簧的压应力,多余的部分才通过图15(b)的简图计算转移到坑内侧的土弹簧和锚索上,因此,施加预应力后再开挖时必须要正确考虑挡土侧土弹簧的作用,如果采用图15(d)的计算简图来承担图15(c)所示的增量荷载,则因此计算的锚索力再叠加上预应力,则必会造成计算的锚索力过大而不符合实际,位移也不合理。另一种简化计算方法是采用等效弹簧刚度法计算,按图15(a)所示计算的锚杆支点处施加预应力P后的位移为△,则等效弹簧刚度ky=P/△,则当施加预应力后进一步开挖时,在锚杆处存在一等效弹簧,其弹簧刚度为ky,计算简图如图16所示,ky只在该处位移小于△的时候存在。以此来合理模拟有预应力的支点在增量法中的计算。3.2被动侧采用的网络压压模式一般深基坑支护结构中土压力的计算模式通常有图17所示的3种模式:图17(a)所示模式的在挡土侧采用主动土压力三角形模式,被动侧则采用被动土压力模式;图17(b)所示模式为在挡土侧基坑开挖面以上采用主动土压力三角形模式,基坑面以下采用矩形模式,被动侧采用被动土压力,也有采用被动土压力减去主动侧虚线部分的净被动土压力模式;图17(c)所示模式为对挡土侧采用的是通常的一些所谓经验土压力模式,如著名的Terzaghi-Peck经验土压力模式等。实际中,何种土压力是合理的,或何时用哪种土压力模式计算,显然目前似乎还缺乏一个合理的说法。实际上,3种土压力模式各有用途,对于稳定计算,应采用图17(a)所示的模式,对于受力计算,即计算结构内力和变形时,则应采用图17(b)所示的主动侧增量荷载模式,即增量法,而被动侧的土压力只是用于判断土弹簧的屈服或入土深度,而图17(c)所示的土压力是用于经典的1/2分割法,对应计算支护结构内力的简化计算土压力模式,其实不是真正作用于支护结构上的土压力,其是支撑力的一种等效分布力,具体分析参见杨光华的研究。3.3基坑位移的控制目前基坑规范中对基坑的变形控制是根据基坑等级来确定的,代表性的是深圳市基坑支护技术规范(SJG05—2011)给出的支护结构顶部最大水平位移控制值,如表1所示。该表已考虑了较多的因素,是近期修订的规范中较好的指标值。按一般情况,基坑安全等级越低,其位移允许值可以越大,有时在基坑审查时,对于一些三级基坑,按规定很多都取用较大的位移控制值,如8~10cm,且不考虑地质情况,岩石放坡与土层放坡一样,这是不合理的。岩石坡破坏时的位移值应小于土坡位移值,如岩石放坡要达到那么大的位移可能早已破坏了。基坑的位移控制应考虑两方面因素来确定:(1)周边环境允许的最大位移值;(2)支护结构本身允许的最大位移值。支护结构的最大允许位移值应考虑基坑土质因素和支护的类型,如支撑和锚索是不同的,柔性支护(土钉支护)与刚性支护(混凝土桩、地下连续墙)是不同的。而周边环境允许的最大位移值则与周边基坑影响范围内的建构筑物有关的。因此,基坑允许的位移值应是这2种位移的较小值。目前研究的尚不多,对于支护的临界位移,可以考虑采用变模量的强度节减法来建立安全系数与位移的关系,进行预报。一般按表1所给定的控制值是安全的,但并不是越过了就会出事故,实践中很多一、二级基坑位移值远超过表1中的数值但并没有发生事故。但若位移控制严格,经济代价大。位移过大也偏危险,一个合理的控制值应根据周边环境、支护类型、土质条件计算确定。3.4采用水土保持分算法的地质条件分析广东等南方地区普遍存在的一种花岗岩残积土,含砂量较高,遇水变软,通常按土的颗分定名为砂质黏土或砾质黏土(直径大于2mm的砾含量大于20%),对于这种土的水土压力如何计算一直没有定论,早期多是采