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深基坑支护工程现阶段状况分享!

339 2021-09-23 16:35:37

随着大规模的基础设施建设,城市的可利用土地资源日趋紧张,向高空和地下争取建设空间成为城市建设和改造的必然趋势。因此,高层建筑的高度记录不断刷新,地下空间的开发规模和开挖深度逐渐增加,与之相伴的深基坑支护问题也日益凸显。

深基坑通常指深度超过 5m(含 5m),地质条件、周围环境及地下管线特别复杂的基坑工程。基坑的开挖卸荷过程,通常会引起坑底土体向上的竖直位移和坑壁土体的水平位移,造成基坑周围的地层移动;随着基坑开挖深度增加,水土压力以及地面超载的作用,将会促使基坑围护结构外侧的土体推动围护结构向基坑内侧移动,基坑周围土体产生塑性变形,造成基玩底部向上峰起以及基坑外围肿表沉降。因此,需要根据学际情况采取合适的基坑支护技术对基坑侧壁进行支挡、加固或保护,以满足地下工程的施工要求,且维持基坑周边环境的稳定。具体来说,基坑支护要求确保坑壁稳定,邻近建筑物、构筑物和管线安全,有利于挖土和地下空间构造,并且支护结构施工方便、经济合理。

深基坑支护工程一般包括支护结构选型、支护结构设计、支护结构监测和支护结构施工等方面的主要内容。其中,支护结构可分为围护结构结合内支撑系统的被动式支护形式和围护结构结合拉锚结构的主动支护形式,深基坑工程中常用的围护结构类型详见图1-1。目前在国内,开挖深度在 5m 以内的基坑通常采用土钉墙支护技术,开挖深度在 8m 以上的基坑主要采用钻孔灌注桩、地下连续墙、钢筋混凝土支撑结构或者钢管支撑结构等支护技术。具体支护形式的确定,则需要综合考虑场地的工程地质和水文地质条件、基坑开挖深度和降排水要求、周边环境因素和荷载作用、支护结构使用期限和地下室施工要求等因素,因地制宜,确保安全经济。表 1-1列出了不同地域的深基坑工程通常面临的不同设计和施工难点,因此需要有针对性的选用合适的支护形式。针对确定的支护结构形式,支护结构的设计方法目前可采用的主要为极限平衡法、弹性地基梁法和有限元法。其中,极限平衡法因计算分析简便而被广泛采用,但采用该方法需要进行较多假设且在计算过程中忽略变形和时间效应,计算结果常与实际情况相差很大。有限元法能够模拟分析实际工程,但是数值模拟结果中安全系数的有效确定问题仍待解决;另外,有限元求解的复杂性、收敛性和计算耗时等问题也限制了该方法在工程实践中的应用推广。弹性地基梁法充分考虑支护结构的平衡条件以及土体与结构的变形协调条件,计算参数较少,计算结果相对合理。深基坑支护工程涉及土体与围护结构之间动态的相互作用问题,单独依靠经验

估计和理论分析难以预测基坑潜在的变形破坏,也难以完成安全经济的基坑支护设计。因此,系统开展支护结构监测有助于完善支护结构理论设计,并且能够及时发现问题,采取必要措施防止工程事故发生。目前,深基坑支护工程中现场监测的主要项目及相应的测试方法详见表1-2。支护结构施工阶段,基坑的开挖方式会直接影响支护结构的内力和变形,进而影响基坑的稳定与安全,因此,需要根据实际情况制定详细周密的施工方案,严格按照支护结构的设计工况进行土方开挖,遵循开槽支撑、先撑后挖、分层开挖和严禁超挖的准则。

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土木工程领域新课题的产生与发展通常都是工程实践与理论研究紧密结合并且不断相互促进的产物。深基坑支护工程的进步与发展,具体表现为日益复杂的深基坑问题迫切需要发展新型支护结构,新型支护结构的应用推广则需要改进或革新相应的理论设计方法,最终通过大量的工程实践深入认识新型支护结构的支护机理,进而完善新型支护结构的设计理论,更好的指导和开展基坑支护。此外,深基坑支护工程的进步与发展也体现为支护结构选型和设计理念的转变,即由造价高、施工空间狭窄、施工工期长、高能耗、环境污染严重的传统技术(如钻孔灌注桩、地下连续墙、钢筋混凝凝土支撑结构和钢管支撑结构等)向造价低、施工空间大、施工工期短、绿色环保节能、资源可重复利用的新型技术(如水泥搅拌桩及 SMW 工法、旋喷搅拌加劲桩支护技术和预应力鱼腹梁钢结构支撑技术等)的转变。

目前,深基坑支护工程在支护技术和设计理论方面虽已取得很大的发展,但仍然存在诸多有待研究和解决的问题,主要包括深基坑的时空效应和变形控制问题。实测资料表明深基坑支护结构向基坑内侧的水平位移呈现"中间大两边小"的特征,其空间效应将会导致基于平面应变假设的支护结构设计方法脱离实际,最终影响基坑分布开挖尺寸和开挖时间的定量计算。此外,基坑开挖转角部分所出现的应力集中现象,以及软土蠕变特性导致的基坑支护结构变形随着无支撑时间的延长而增加的"时间效应",在目前的支护结构设计中均未能给予考虑。对于高层建筑和市政管线密集区域附近的深基坑工程,支护结构设计应该同时满足强度要求和正常使用要求,因此采用强度设计理论时需要对基坑的变形进行控制,以确保基坑在施工过程中自身和周围建筑物的安全稳定。例如, 上海地铁基坑工程根据不同的环境保护要求将基坑的变形控制分为三个等级,详见表 1-3。

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深基坑支护工程作为岩土工程的重要领域,其复杂的水文地质条件、多样的支护结构形式和多变的支护结构受力状态,在增加支护结构设计难度的同时,也为支护技术的发展与革新提供了广阔的空间。目前,深基坑支护技术的发展与革新主要集中于以下几个方面∶(1)支护结构设计理念的革新,通过改变传统的静态设计理念,逐步建立以施工监测为主导的信息反馈动态设计体系;(2)推广考虑变形控制的工程设计方法,充分考虑支护结构体系变形的空间和时间效应;(3)研究新型支护结构设计方法,使其能够计算分析受力结构与止水结构相结合,临时支护结构与永久支护结构相结合,基坑开挖方式与支护结构形式相结合的组合支护形式;(4)深基坑支护结构的优化设计,避免因设计缺陷或施工失误造成工程事故和因支护结构选型与设计保守造成资源浪费;(5)信息监测与信息化施工技术的发展,根据实际监测结果动态调整支护结构的设计和施工方案,确保基坑工程的安全稳定。