国内外基坑工程技术举例综述

国内外基坑工程技术举例综述国内外基坑工程技术举例综述 摘摘 要要 介绍了基坑工程的发展现状并对基坑支护体系进行了分类 对 国内外当前基坑工程技术进行了举例 并对我国当前基坑工程中存在的一些主要问题进行 了详细的分析与讨论 并对基坑支护技术的发展问题提出了几点看法 关键词关键词 基坑工程 支护体系 土压力 变形控制 施工技术 一 基坑工程发展概况一 基坑工程发展概况 基坑工程是基础和地下工程施工中和一个传统课题 也是一个综合性的岩土工程难题 既涉及土力学典型强度问题和变形问题 又涉及到土体与支护结构的相互作用问题 对于 这些问题的认识及其对策的研究 是随着土力学理论 计算技术 测试仪器以及施工机械 施工工艺的进步而逐步完善的 早在 20 世纪 40 年代 Terzaghi 和 Peck 等人就已经开始研究基坑工程中的岩土工程 问题并提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法 这一理论一直沿用至今 只 不过有了许多改进与修正 50 年代 Bjeruum 和 Eide 给出了分析深基坑底板隆起的方法 60 年代开始在奥斯陆和墨西哥城软粘土深基坑中使用仪器进行监测 此后大量的实测资料 提高了预测的准确性 并从 70 年代起产生了相应的指导开挖的法规 在以后的时间里 世 界各国的许多学者都投入研究 并不断地在这一领域取得丰硕成果 90 年代以来 随着城 镇建设中高层及超高层建筑的大量涌现 深基坑工程越来越多 同时密集的建筑物 复杂 的深坑形式 使得基坑开挖的条件越来越复杂 因此 对基坑开挖与支护的计算与设计理 论 施工技术等的要求也越来越高 任何一个工程方面课题的发展都是理论与实践密切结合并不断相互促进的成果 基坑 工程的发展往往是 一种新的支护型式的出现带动新的分析方法的产生 并遵循实践 认 识 再实践 再认识的规律而走向成熟 早期的开挖常采用放坡的形式 后来随着开挖深支 护的增加 放坡面空间受到限制 产生了支护开挖 迄今为止 支护型式已经发展至数十种 从基坑支护机理来讲 基坑支护方法的发展最早有放坡开挖 然后有悬臂支护 内支撑 或拉锚 支护 组合型支护等 放坡开挖需要场地有较大的空间 且开挖土方量较大 在 场地周围条件允许的情况下 放坡开挖至今仍然不失为基坑支护的好方法 悬臂支护是指 不带内支撑或拉锚的支护结构 其可以通过设置钢板桩或钢筋混凝土桩形成支护结构 另外 悬臂支护结构也可以通过对基坑周围土体进行加固改良形成 如水泥土重力式挡墙结构 为了改善悬臂式支护结构的受力性能和变形特性 满足较深基坑支挡土体的要求 发展了 内撑式支护和拉锚式支护结构 为了挖掘支护结构材料的潜在能力 使支护结构型式更加 合理 并能适合各种基坑型式 综合利用 空间效应 发展了组合型支护结构型式 支 护结构 最早用木桩 现在 常用钢筋混凝土桩 地下连续墙 钢板桩以及通过加固改良 基坑周围土体的方法形成水泥土挡墙 土钉墙等 钢筋混凝土桩设置方法有钻孔灌注桩 人工挖孔桩 沉管灌注桩和预制桩等 2 国内基坑工程技术国内基坑工程技术 20 世纪年 0 代前 由于基坑规模小工程量少 支护形式多为放坡钢板桩支护等简单形 式 而今 土钉墙水泥土墙排桩和地下连续墙等支挡式结构都已广泛应用 1 土钉墙 土钉墙最初在北京 山东 江苏 昆明等非软土地区成功运用 并取得良好效果 这 一支护 技术被列入了我国第一版基坑工程规范 但对其适应性相关规范都作了限制 如适 用条件为基坑侧壁安全等级宜为二三级的非软土场地 不宜用于淤泥质土饱和软土及未经 降水处理 地下水位以下的土 不宜用于饱和的粉细砂层 砂砾卵石层和淤泥质土层 由于 该技术具有良好的经济性 我国沿海软土地区 如福建浙江上海等在 20 世 90 纪年代也曾 大量采用土钉支护结构 一般开挖深度 4 6 米 最大为 7 8 米 其中也不乏成功案例 但 发生较大位移甚至整体滑动破坏 的事故也不鲜见 在深入研究了软土地基土钉墙的破坏机 理后 认识到软土地基中的土钉墙除应考虑土钉加固土体本身的稳定外 还必须分析软弱 下卧层对土钉墙稳定性的影响 应持科学谨慎而又积极的态度 针对各种软土状况进行相 应设计验算并采取必要的技术措施 复合土钉墙使土钉墙的应用范围得到扩展诸如预应力 锚杆复合土钉墙止水帷幕复合土钉墙以及微型桩复合土钉墙等形式在实际工程中都获得了 较好的效果 不仅可使非软土地基的土钉墙开挖深度更大 也使软土地区土钉墙的稳定性 得到了不同程度的提高 2011 年在多年研究和实践的基础上颁布了 复合土钉墙基坑支护 技术规范 2 水泥土搅拌桩技术 水泥土搅拌桩技术一般认为是我国目前 5 米以内的首选支护形式 该技术既能挡土又 能 挡水 适用于多种地质条件 它有好几种布置型式 实体式 空腹式 格构式 拱型或拱 型加钻孔灌注桩 既可以浆喷也可以粉喷 3 钻 冲 挖 孔桩 沉管灌注桩或钢筋砼预制桩 对于 5 10 米深软土基坑 常采用钻 冲 挖 孔桩 沉管灌注桩或钢筋砼预制桩等技 术 如需防渗止水时 则辅之以水泥土搅拌桩 化学灌浆或高压注浆形成止水帷幕 有时 亦用钢板桩或 H 型钢桩 4 锚杆技术 锚杆技术以其能为基坑开挖提供较广阔的空间优势 在我国应用广泛 上海 天津先后 提出了二次注浆技术 干成孔注浆技术等 有利于在饱和软土中推广应用 近年施工有许 多成功的实例 5 地下连续墙 基坑深度大于 10 米时 较多地采用 国外及港台地区常倾向于采用地下连续墙技术 该技术在大深度基坑和复杂的工程环境下有优良表现 但造价较高 经济性不佳 以地下 连续墙为挡土墙兼作地下室外墙 采用逆作法施工可缩短基坑开挖和支护结构大面积暴露 的时间 改善支护结构受力性能 使其刚度大为增强节省支撑或锚杆的费用 使支护结构 的变形及对相邻建筑物的影响大为减少 从而使总造价降低 一举多得 是一种先进的施 工作业方法 6 SMW 工法连续墙 SMW 是 soil Mixing Wall 的缩写 该工法是以多轴型钻掘搅拌机在现场向一定深度进 行钻掘 同时在钻头处喷出水泥系强化剂而与地基土反复混合搅拌 在各施工单元之间则 采取重叠搭接施工 然后在水泥土混合体未结硬前插入 H 型钢或钢板作为其应力补强材 至水泥结硬 便形成一道具有一定强度和刚度的 连续完整的 无接缝的地下墙体 SMW 工法近年在北京 上海等地都有大量应用 有以下特点 施工不扰动邻近土体 不会产生邻近地面下沉 房屋倾斜 道路裂损及地下设施移位等危害 钻杆具有螺旋推进 翼与搅拌翼相间设置的特点 随着钻掘和搅拌反复进行 可使水泥系强化剂与土得到充分 搅拌 而且墙体全长无接缝 从而使它可比传统的连续墙具有更可靠的止水性 其渗透系 数 K 可达 10 7m s 可在粘性土 粉土 砂土 砂砾土 10 以上卵石及单轴抗压强度 600Mpa 以下的岩层应用 可成墙厚度 550 1300mm 常用厚度 600mm 成墙最大深度目前 为 65m 视地质条件尚可施工至更深 所需工期较其他工法为短 在一般地质条件下 每 一台班可成墙 70 80 废土外运量远比其他工法为少 经济性好 目前在日本造价约 2 m 为 1500 日元立方 约合人民币 2600 元立方左右 钢材用量约为 200Kg 立方 7 目前较新的支护结构 有 闭合 或非闭合 挡土拱圈 拱形水泥土槽壁结构 连拱式支护结构 桩 拱围护体系 等 闭合挡土拱圈 用钢筋砼就地灌筑 适合于基坑周边场地允许 挡墙 在水平向起拱之处 拱圈矢高 f 0 12L 基坑边长 拱圈可由几条二次曲线组成 曲线不 连续 也可以是一个完整的椭圆或蛋形拱圈 曲线连续 作用在拱圈上的土压力大部分 在拱圈内自身平衡 该技术不需要深入至基坑底面以下 也不需要从地面按基坑全深度配 置 它可以在坑底以上至地面以下某一高度内配置 并可分若干道施工 每道高 2 米左右 当基坑周边局部因场地限制而不能采用闭合拱圈时 可采用 非闭合拱圈 而局部采用排 桩或其他支护结构 组成混合型支护体系 采用 闭合 或 非闭合 拱圈 应注意验算 整体滑移和坑底隆起 拱圈有时尚需采用水泥土搅拌桩或化学灌浆等方法形成止水帷幕 优点是造价低于一般的桩墙支护结构 目前在广州 珠海 深圳等地 6 12 米深基坑中应用 比一般桩墙结构降低造价约 50 3 国外基坑工程技术国外基坑工程技术 1 在高层建筑中 国外迄今较流行的基础形式 仍为大直径钻孔灌注桩 这种桩型已为我们所熟悉 但它在国外最大直径已发展至 4m 最大深度达 150m 这自 然与施工机械的发展有关 同时 由于钻孔桩机的钻头中配有高水头离心泵 它能将废 L 完全 上扬 又备有精密的超声探测仪可下孔检查 故对孔底沉碴清理较为彻底 并且清孔后常辅以 压力灌浆 以进一步保证桩的承载力 2 人工挖孔桩 国外至今并不认为其古老落后而废弃之 相反 当遇施工净空 高度 受限 或施工机械 不能进场 或虽能进场而不能正常运行时 它常倍受青睐 其直径已发展至 8m 深度达 40m 不仅适合于土质好的地区 也适合于地下水位高的软土地区 已为大量工程实践所证明 3 为了寻求更合理的桩基形式 近年法国出现了一种大尺寸矩形混凝土灌注桩 称为 Barette 该方法已在巴黎地铁车站等工程中应用 桩深 20 余 m 截面有 30 x1 0m 2 65xl 0m 等 几种 它的施工工艺与大直径钻孔桩基本相同 也用反循环泥浆护壁 但需采用一种特别研 制的液压碾磨机 Hydromill 施工 可掘进软硬岩体 Barrette 按截面长边平行布置 桩距 2m 中至中 液压碾磨机的工效约每小时掘进 20 在泥灰岩 石灰岩中 Barrette 的单桩承 3 m 载力约 20 30MN 工作荷载 一般按 3 一 5 根桩成群布置 可承担上部结构上百 MN 即上 万吨 的集中荷载 由计算可知 在桩身体积相等的条件下 矩形桩比大直径桩或方桩具有更 多的桩表面积 因而可以发挥更高的 一般约增加 20 的 桩侧摩阻力 4 J 一 Osterberg 新的静载荷试桩法 在高层建筑中 由于单桩设计荷载常达数十 MN 用传统的压重平台静载荷试桩法或锚桩 反力架静载荷试桩法即使并非不可能 亦属过于费钱 费力 费时 若用近年流行的高应变 低应变动力测桩法 则存在测试成果不直观和精度不高等缺点 而且在基坑开挖后如采用高 应变法 要把数十吨重的吊车和锤击设备运人坑底进行测桩也有实际困难 针对这一问题 美国西北大学教授 J 一 Osterberg 研制成功了一种新的静载荷试桩法 该法已获得多国专 利 近数年在美国各州已广泛应用 在日本 新加坡 香港等地已开始应用 它适用于钻孔 桩预制混凝土桩 钢管桩等桩型 实测单桩承 30 MN 以上 对狭窄场地和深坑试桩 水上地 试桩 斜桩 嵌岩桩 抗拔桩等特殊情况它可一次直接测定桩侧阻力和桩端阻力全 经济 而省时 既可做快速测试 又可按不同要求做慢速测试 故是一种极有发展桩新技术 5 国外对深基坑支护多采用地下连续墙 主要因其技术成熟可靠 能挡上又能止水 并可作永久性承重结构 地下连续墙的成槽机 目 前在软粘土 一般砂土 砾石层中最大深度可达 150m 成墙厚度可至 3m 我台湾地区仿照 某国成槽机进行改进获得成功 近年已以自产成槽机取代进口设备 其深度可达 50m 成墙厚 度自 60Omm 至 1500mm 足以满足一般工程需要 且其垂直精度和工作效率均高于进日成槽机 为在极密实的粉土 砂土和砾石层中筑造 l0m 深的地下墙 意大利研制成功一种碾磨机 叫 eRomill 其机身内配有电子传感器 通过数据采集系统实时采集 记录各种施工参数 包括掘进速度 深度 磨轮转速与扭矩 泥浆泵液压系统的流量与压力 作用于地基的竖 向推力等数据采集系统梅分钟完成 30 次测读循环 该机并有一系列自控操纵装置 以保证 墙体儿何形状的精密度符合设计要求 将意大利的 Ro nill 与法国的 Hydromill 相联系 看 来碾磨掘进技术已在欧洲成为桩和地下墙施工技术的一个新方向 6 其它技术 尽管已实现了泥浆废土自动化处理 为了进一步免除处理和外运土方之繁 日本正在研制 一种非置换型 即不取土的 大直径桩 它采用表面带肋的钢管插人于大直径水泥土搅拌桩 其直径已达 l0m 深度已达 15m 正在作加大 加深的研究 同时 日本和东南亚各国以及我 台湾地区近年已采用一种非置换型 SMW 工法地下墙 亦即水泥上搅拌墙 其深度已达 65m 成墙厚度可在 550 至 1300mm 之间变化 每机械台班可成墙 70 一 80 最近据闻英美等国 2 m 也开发了类似的方法 我国冶金部建筑研究总院及同济大学地下工程系亦已分别报道了各 自研究成功和在工程中应用该工法的信息 看来就地搅拌地基原土 使能成桩成墙至较大深 度且能承受较大荷载 应是深基础发展的一个重要方向 四 结语四 结语 中国工程院院士叶可明在谈及我国建筑业发展时说 我国建筑施工技术方面已处于世 界先进水平 个别为世界领先 可以说目前我国基坑工程技术正是属于达到世界领先水平 的领域 二十多年来基坑工