基坑排桩支护 [深基坑排桩支护体系的安全评估]

　　摘要:地下建筑是一种结构空间利用岩土空间的工程活动，深基坑工程支护是解决地下建筑施工安全的技术保证，虽已在全国不同地区、不同的地质条件下取得了许多成功的经验，甚至一些技术达到了国际水平，但深基坑施工发生坍塌的质量安全事故屡见不鲜,说明仍存在一些问题需进一步研究和提高，以适应现代化经济建设的需要。本文对深基坑排桩支护体系安全评判标准进行论述，希望与同行共同学习、共同进步。
　　关键词:排桩支护结构完整土体位移地下水位轴力
　　排桩支护是指柱列式间隔布置挖孔、钻（冲）孔钢筋混凝土灌注桩作为主要挡土结构的一种支护形式。排桩支护可分为悬臂式和支锚式，而支锚式又分单点支锚和多点支锚。大多数情况下，悬臂式柱列桩适用于三级基坑，支锚式柱列桩适合于一、二级基坑工程。一般来说，当基坑深h=8m～14m，周围环境要求不十分严格时，多考虑采用排桩支护。柱列式灌注桩的工作比较可靠，但深基坑施工发生坍塌的质量安全事依然存在,说明仍存在一些问题需进一步研究或提高，笔者认为排桩支护的安全评判依据主要为以下五条：（1）设计因素；（2）施工工况是否与专项安全施工方案相符；（3）支护系统构件的质量情况;（4）支撑系统水平位移、基坑外地面沉降、开裂或隆起变形、基坑底土体隆起情况;(5)支撑轴力大小.以下正文对上述观点一一论述。
　　一、设计因素
　　深基坑工程设计计算包括三个方面的内容,即稳定性、结构内力和变形计算.这些设计计算都需要进行一些假定和假设，不同的假定和假设计算出来的结果也不同。如：
　　1、结构内力的计算。结构内力计算为结构设计提供内力值,包括弯矩、剪力等。围护结构内力的计算是一个比较复杂的问题，内力与支锚条件密切相关，也是土体相互作用的结果，排桩支护围护结构常常都是多次超静定结构,现行的计算方法都作了各种简化.是近似解答。工程技术人员主要依据结构力学的概念，采用结构力学的方法处理问题，虽然不太严格，但由于具备基本的合理性和适用于手工运算的特点，现在仍被广泛使用。计算内力时需要对围护结构进行简化,不同的简化方法的得到的内力是不同的,需要根据工程经验加以判断。
　　2、变形计算。变形计算的目的则是为了减少环境的影响,控制环境质量,变形计算内容包括围护结构的侧向位移、坑外地面的沉降和坑底隆起等项目.变形计算其实应该叫做变形估算。如：坑底隆起的计算，坑底隆起的变形计算包括两个方面的概念:一是由于基坑开挖卸荷产生的回弹隆起变形,另一种是坑底塑流产生的隆起变形.工程实测的隆起或回弹变形实际包括了这两部分变形分量,在土质比较软弱的条件下,塑流可能是主要的,在土质比较好的地区,卸载回弹可能是主要变形.对于前一种变形,计算的机理比较清楚,主要是计算指标的试验和确定方法将会影响计算的结果,后一种变形很难用解析的方法计算,采用有限元方法可以计算由于塑流引起的坑底隆起量.所以，由于目前还没有很好的方法计算坑底隆起的影响，只是考虑了围护结构的侧向水平变形与地表土体沉陷的关系，即通过：1）在围护结构侧向水平变形曲线所包络的面积与地表沉陷曲线所包络的面积之间建立某种对应的关系。2）利用合理的数学模型，近似求解地表的最大沉降量.
　　同样，地表沉陷量计算也只能说是估算，理论上，地表土体沉陷与围护结构的侧向水平变形及坑底隆起有直接联系，由于围护结构的变形和坑底可能的隆起引起地面下陷。因为地表沉降计算是在支护结构的变形计算的基础上（而围护结构的侧向水平变形比其结构内力计算更为复杂，需要更多的假定，其真实复杂情况决不是只有下述两种情况），假定了两种支护结构的变形情况，一是沉陷发生在围护结构的端部产生向基坑内的移动，由此引起的地表沉陷比较大，但最大值的位置靠近围护结构，主要的变形区分布在基坑附近，另一种情况是围护结构的端部基本没有产生位移。理论上，地表土体沉陷与围护结构的侧向水平变形及坑底隆起有直接联系，由于围护结构的变形和坑底可能的隆起引起地面下陷。
　　3、稳定性演算中，首先需要假定滑移面为圆弧、不考虑土体间的作用力。事实上在基坑边坡失稳时，滑移面只是近似圆弧，有约束的边坡，如内支撑排桩支护，滑移面与圆弧相差更大。稳定性演算中不考虑土体间的作用力，只能说在边坡失稳时土体间的作用抗力所占比例较小，并不能说没有，而且，不同的地质和水文情况，土体间作用力相差甚远。
　　设计计算中还有抗渗流破坏的验算，其中抗渗流稳定安全系数的K的取值常有很大的地区经验性，不同地区或同一地区不同的土质取值有很大的差别。
　　由上述可见，不同的设计条件假设得出的计算结果是不同的，所以设计因素对基坑的安全性影响很大，需要设计人员具备足够的工程经验。
　　二、施工工况
　　施工工况是否遵循了深基坑安全专项施工方案。深基坑施工为危险性较大工程,施工单位施工前必须编制安全专项施工方案,且方案必须由专家论证通过后方可组织实施.健全危险性较大工程的安全专项施工方案编制工作，这不仅是《建筑法》、《建设工程安全管理条例》等法律法规的强制要求，也是基坑安全施工的前提要求。建筑工程所处地的水文地质状况、周边环境各不相同，千差万别，基坑支护就应因地制宜，因时制宜，根据工程地质条件，合理编制方案，在开挖基坑时才能正确指导现场的施工。同时，专项施工方案是在理想状态编制的，在施工中很有可能不得不调整原施工方案。有重大调整时需要按照相关要求重新组织专家论证,经专家审核后才能按照新方案重新组织施工.
　　深基坑施工必须要遵循经过专家论证的专项安全施工方案进行。基坑开挖应遵循时空效应原则，根据地质条件采取相应的开挖方式，“分层开挖，先撑后挖”，撑锚与挖土配合，在支撑做好后，才可进行下层挖土，严禁超挖，基坑开挖中，为确保基坑周围建、构筑物的安全和支护结构的稳定，要求尽可能减少初始位移，根据时空效应的原理，应按照“分层、分区、分块，分段、抽槽开挖、留土护壁、先撑后挖，先形成中间支撑，后限时对称平衡形成端头支撑，减少无支撑暴露时间”原则，掌握每个分步开挖的空间几何和支护体开挖部分的无支撑暴露时间，科学地利用土体自身的控制地层位移的潜力，以解决基坑稳定和变形的问题。
　　近来发生的基坑坍塌事故，其中很多原因在于工况与专项安全施工方案不符，导致基坑支护受损失效。所以遵循深基坑安全专项施工方案组织施工对保证基坑安全意义重大。
　　三、支护体系的质量状况
　　支护体系包括支护结构系统和挡水系统，而支护结构系统包括挡土系统和支撑系统。排桩支护体系的挡土系统一般为灌注桩，支撑系统包括钢筋混凝土内支撑或钢支撑、压顶梁、围檩、立柱等，挡水系统一般为桩间和桩背的深层防水搅拌桩或旋喷桩（一般的钻孔压密注浆法不易保证止水，曾引发多起重大事故）。当周围环境保护要求严格时，为减少排桩的变形，在软土地区有时对基坑底沿灌注桩周边或部分区域，用水泥搅拌桩或注浆进行被动区加固，以提高被动区的抗力，减少支护结构的变形。
　　挡土系统的功能是形成支护排桩阻挡坑外土压力，支撑系统的功能是支承围护结构侧力与限制围护结构位移。二者是整个基坑安全措施的骨架,是地下室安全施工的基本保证。笔者曾参观过一个深基坑排桩支护项目,支撑桩挖出来以后,发现有断桩和很多混凝土不密实桩又很多露筋的现象,这样的结构体系怎么样保证基坑施工的安全?
　　挡水系统常用的有深层水泥搅拌桩、旋喷桩、压密注浆、地下连续墙等.水泥搅拌桩施工随意性较大，表现形式主要为桩长不足，减少水泥的用量，搅拌时间不够，不按照技术规范规程施工，施工程序混乱，桩身咬合不够或不成功而形成渗水通道，其后果是基坑壁渗漏严重，更严重的后果是坑底出现管涌或流砂。解决岩土的稳定问题其实最大的问题就是解决水的问题，可以说，深基坑施工中挡水系统如果成功，那么可以说基坑安全施工已有了一半的保证。
　　支护结构水平位移、基坑外地表沉降或隆起变形和坑底坑底隆起变形情况
　　把这三条放在一起谈，主要是因为这三者之间有必然的联系。本文前述讲过，理论上，地表土体沉陷与围护结构的侧向水平变形及坑底隆起有直接联系，坑内土为被动土，坑外为主动土，基坑开挖前，主被动土是平衡稳定关系，挖土的过程破坏了这种平衡，土体挤压挡土系统，挤压导致支护体系水平位移，紧邻挡土体系的坑外土体稳定破坏，出现沉降或隆起变形。同时，被动土清除，坑底土体回弹或朔流隆起变形，也要导致基坑外地表沉降或隆起变形。
　　支护结构水平位移过大，可能导致支护结构失稳，导致支护失败。基坑外地表沉降或隆起变形过大的影响主要是会对周边环境产生较大影响，如基坑外道路、市政管线、建筑和绿化带等。
　　这些位移和变形都是可以在施工现场成功测量的。设计单位应该在基坑设计文件内设置支护结构水平位移和土体变形报警值，监测单位按照规范要求进行监测，一当监测值达到报警值时，必须立即通报有关单位和人员，停止开挖施工，及时查清原因，做好支护加固调整措施，确保基坑安全。
　　支撑轴力变化。随着基坑的开挖，坑外土体挤压挡土体系，挡土体系挤压支撑体系，支撑轴力会产生很大的变化。一般设计文件都会在关键节点部位设置轴力报警值，当监测值达到报警值时，通知相关监管人员进行处理。
　　很多项目支撑轴力都会超过报警值，有的检测值甚至达到报警值的两倍以上。支撑
　　轴力监测的基本原理是在支撑梁内设置感应片，轴力变化时，感应片感应变形，通过测量感应变形的数值来推算支撑梁的轴力数值。但是，感应片同时对气温变化、噪音和震动也有较大的感应变化。导致支撑轴力实测值比实际大很多的因素较多。主要为：
　　（1）温度：一天中气温温差变化较大，早中晚的温度变化对支撑体系的影响不能忽略，尤其对钢支撑的热胀冷缩效应明显。混凝土支撑轴力的监测值和温度的变化也存在直接的关系。
　　（2）初始值：对于混凝土支撑来说，在浇筑后其本身的收缩变形会进行一段时间，所以在浇筑后马上测量初始值，会对以后的测量结果带来很大的影响。此时混凝土没有停止收缩，监测结果中包含有这一变形，由此计算出的钢筋计内力和支撑轴力会偏大，反映不出真实结果。故初始值测量的时间选择尤为重要。混凝土支撑轴力的初始值应在混凝土支撑浇注完毕达28d强度后、基坑开挖前进行采集,这样可有效剔除因混凝土的硬化收缩而使钢筋计产生的附加压力。由于工期的限制，所以28d的要求不可能达到，所以初始值测量一般在这之前进行，这样就无法彻底地消除混凝土收缩变形对钢筋计变形的影响，也无法准确的得到支撑所受外力对钢筋计变形的影响。按照这样监测下去，得到的结果势必比真实值偏大。
　　（3）在混凝土收缩和徐变发展速度较快的相当长一段时间内,测得的钢筋混凝土支撑内力大于实际内力,实际内力并非有监测得到的异常结果那么大,而且大量的工程事实也支持着这一结论。此时混凝土支撑并未出现裂缝，且处于稳定状态。
　　（4）环境的因素。环境的因素主要包括气噪音、震动等。噪音大或有震动，监测数据也有较大的变化。
　　因此，笔者认为出现以上情况，支撑轴力检测值偏大或达到报警值甚至超出报警值很大时，工程技术人员应该冷静分析原因，必要时可以提高报警值。
　　四、结束语
　　去年，浙江省发生两起深基坑排桩支护体系坍塌事故，今年2月28日上海市松江区一工业园区内深基坑排桩支护体系坍塌，所幸疏散工作及时，并未造成人员伤亡。但都造成了巨大的经济损失和严重的社会影响。由此可见，深基坑排桩支护虽然技术成熟，但还有很多问题需要我们去继续研究和提高，以适应深基坑施工的需要。
　　作者简介：
　　李爱华（1976.10出生）、男、籍贯（湖北安陆）、现供职浙江泛华工程监理有限公司（邮编310005），研究方向：工程监理。

推荐访问:支护 评估 体系 深基坑