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1、深基坑支护勘察、设计中的几个问题讨论 Discussion on Several Problems of Deep Basement Hollow Shelters Survey and Design刘冬柏 Liu Dongbo 吴其芳 Wu Qifang随着我国城镇化和汽车进入百姓家庭进程的飞速发展，建造地下空间的规模越来越大，开挖深度也越来越深，然而此类大而深的基坑又地处城市中心，周边建筑密集、管线稠密，环境复杂，地质条件变化多样。基坑工程事故也越来越多，已造成了重大的经济损失和邻里纠纷的群体性事件，如上海的“楼脆脆”、广州海珠城广场等基坑事故震动全国，引发的社会矛盾日益突显。笔者在基坑工
2、程的勘察、设计、施工中所发现的问题与同行们一起讨论。1、对周围环境调查的缺失周围环境调查是深基坑工程勘察设计中重要的任务之一，在建筑密集，交通流量大的城市更为重要。例如，某市深基坑支护时，忽视了基坑边缘城市供水管的存在，造成供水管断裂，导致周边街区停水数日。还有，因采用锚杆支护将电缆管线打断，致使区段停电，损失惨重。又如，某深基坑支护前未对周围道路上汽车载重和流量进行深入调查，对支护结构的水平变形限值作出严格控制，导致周边道路开裂和塌陷，引起严重的交通事故。再如，某工程的深基坑支护，对影响区域内的所有建（构）筑物，未查明其平面位置、距离关系、用途、层数、结构形式、基础形式与埋深，未做基坑四周的
3、截水帷幕，盲目降水，引发周围地面下沉，造成四周房屋裂隙，激发群体性上访事件。这些对周边建（构）筑物和地下管线情况不了解，就盲目开挖造成损失的实例很多，后果十分严重。在此不作一一赘述。 引起这些事故发生的原因虽然是多方面的，但凡进行了勘察设计的深基坑工程：勘察设计单位是应承担起主要责任的。长期以来，建筑基坑支护工程只是为地下室的施工创造条件，一直由施工单位作为临时性施工措施自行解决。造成了有些勘察、设计人员对基坑支护的特点和要求缺乏较深的了解，出现了有些设计人员提供的勘察任务书未涉及基坑支护工程的勘察要求。采用供建筑基础设计的勘察资料作为深基坑支护设计的依据。有些设计人员即使提出了基坑支护的勘察
4、要求，但勘察人员所提供的勘察成果仍然沿袭建筑地基勘察的技术路线。勘察钻孔的布点只限在建筑划定的轮廓线以内，并严重缺乏四周环境状况的调查资料。随着城市建筑密度的增大，各种地下管线的复杂交错，基坑深度的增大，这种基坑工程的勘察成果中资料依据的缺失，必然会导致基坑支护事故频发。在我国现行岩土工程勘察规范中，对基坑工程的勘察专门设置了第4.8节，共11条，对勘察内容、勘察重点作了明确的规定。如基坑勘察的平面范围宜超出开挖边界外开挖深度的23倍；勘察深度宜为开挖深度的23倍。强调在开挖边界外，勘察手段以调查研究、搜集已有资料为主，复杂场地和斜坡场地应布置适量的勘探点。特别在第4.8.7条中，基坑工程勘察
5、，应进行环境状况的调查，查明邻近建筑物和地下设施的现状、结构特点以及对开挖变形的承受能力。在城市地下管网密集分布区，可通过地理信息系统或其它档案资料了解管线的类别、平面位置、埋深和规模，必要时应采用有效方法进行地下管线探测。基坑支护工程由于具有临时性，随着基坑的回填，其使用寿命也随之结束。因此，建设单位一般不大愿意在基坑支护结构上花费较多的投资。给勘察设计单位带来了一定的工作难度。但我们应该认识到基坑支护工程的勘察设计具有复杂性和高风险性。在设计计算中某些偶然荷载是不加考虑的，支护结构相对于永久性结构的安全储备较小，而环境变量多，影响因素复杂，基坑工程稍有不慎容易造成重大安全质量事故，一旦事故
6、发生其处理难度大、费用高，带来的社会影响恶劣。因此，基坑工程的勘察、设计人员除了要掌握基坑支护工程的特点和制约因素外，特别需要重视对基坑四周环境的调查工作，严格按照我国现行的岩土工程勘察规范的要求进行深基坑工程的勘察工作，才能有的放矢地开展基坑支护工程的勘察设计。2、土层抗剪强度力学指标的缺失基坑工程的土层抗剪强度指标与一般建筑基础工程的力学指标是有一定区别的，建筑基础的地基勘察只在建筑划定的轮廓线以内，对持力层、下卧层进行详细分析研究，研究的重点主要针对地基土竖向承载力性能，并提供相关土质参数。在建筑基础的地基的勘察中对浅部软弱土层因不宜作为基础持力层，一般不作详细的土层分类，也不做常规试验
7、，只采用“该土层不宜作为基础持力层”的简单描述。而基坑支护设计所需要的除了建筑基础地基的相关力学指标外，基坑四周一定范围内的土层划分和土质参数，其中包括浅部的软弱土层、土层的土质参数更加重要，若采用此类建筑基础的岩土勘察报告作为基坑支护的设计依据，土层抗剪强度力学指标实际上是缺失的。因为支护结构其荷载效应主要是土体、土中水及四周建、构筑物的存在而引起的侧压力。基坑支护结构型式的选择也不可能避开浅部土层自身的相关力学指标，若基坑采用放坡、土钉墙、锚杆等结构形式时，土体就是支护结构的重要组成部份。即使浅部土层是可作为建筑基础持力层，在岩土报告中做了实验研究，提供了建筑基础所需要提供的土层抗剪强度的
8、、c，指标用于基坑支护设计，在某些情况下也是不可行的。根据岩土工程勘察规范条文说明， “从理论上说基坑开挖形成的边坡是侧向卸荷，其应力路径是 不变 减小，明显不同于承受建筑物荷载的地基土。另外有些特殊性岩土（如超固结考粘性土、软质岩），开挖暴露后会发生应力释放、膨胀、收缩开裂、浸水软化等现象，强度急剧衰减。因此选择用于支护设计的抗剪强度参数，应考虑开挖造成的边界条件改变、地下水条件的改变等影响，对超固土原则上取值应低于原状试样的试验结果”。如长沙地区的网纹土和粘土岩，天然条件下抗剪强度很高，但是开挖暴露侧向卸荷后，经应力释放、浸水软化、风化，微裂隙张开，抗剪强度显著降低，直接采用抗剪强度试验指
9、标是偏于不安全的。另由于基坑开挖直接改变了原始状态下的自然条件，在空间上切断了原始地层的连接，改变了地下水的传导路径。基坑外降水或者基坑周边采用止水帷幕防渗后基坑内降水，周边土体抗剪强度指标应是有区别的，勘察报告应根据可能采用的地下水不同的处理措施提供不同排水条件下土体抗剪强度指标。前者土体处于排水条件，而后者土体大都处在地下水中，其指标的差距不能忽视。当遇上岩石基坑时，岩体的产状和结构面的抗剪强度也是基坑支护设计的重要参数之一，应根据场地的地质构造、岩体特征、风化情况、基坑开挖深度等，进行详细勘察，提供实用于深基坑支护所需要的力学指标。特别是当岩石结构面向基坑内倾斜，其倾角小于开挖坡角且大于
10、内摩擦角时，基坑支护应根据结构面的抗剪强度进行支护处理。目前基坑工程支护设计应用一般建筑基础的地基勘察资料，土层的抗剪强度指标有些情况存在着依据资料缺失，有些情况存在提供的土层抗剪强度指标适用性的缺失。给基坑支护工程带来了安全隐患，是造成某些工程事故发生的原因之一。我们应该遵守现行的岩土勘察规范第4.8.4条中所规定的：“在受基坑开挖影响和可能设置支护结构的范围内，应查明岩土分布、分层提供支护设计所需要的抗剪强度指标，土的抗剪强度试验方法，应与基坑工程设计要求一致，符合设计采用的标准，并应在勘察报告中说明。”3、对地下水作用的分析与合理判定地下水控制的设计是深基坑支护设计的重要组成部份，要做好
11、地下水控制设计，水文地质条件的勘察又是最重要的基础。在建筑基坑支护技术规程中，录入的四条强制性条文均与地下水控制设计有关，它们是3.1.4条、3.1.5条、3.1.6条和8.1.4条，这四条强制性条文中分别表述了，“在支护结构设计中应考虑地下水的变化对周边环境的水平与竖向变形的影响”;“应根据场地及周边区域的工程地质条件、水文地质条件、周边环境情况和支护结构与基础形式等因素，确定地下水和控制方法”；“当基坑底为隔水层且层底作用有承压水时，应进行坑底突涌验算.”，同时也提出了地下水控制计算和验算的要求：抗渗透稳定性验算；基坑底突涌稳定性验算；根据支护结构设计要求进行地下水位控制计算。为了与建筑基
12、坑支护技术规程强制性条文相配套，现行岩土勘察规范中第4.8.5条，也以强制性条文的行式，表述了“当场地水文地质条件复杂，在基坑开挖过程中，需要对地下水进行治理（降水或隔渗时），应进行专门的水文地质勘察” 。工程经验表明：在大而深的基坑工程中，对地下水的勘察评价，将对工程的安全与造价产生极大的影响，例如，某市一住宅区基坑工程由于缺乏对水文地质的详细勘察资料，忽视对地下水作用的评价，基坑采用桩锚支护，基坑四周未做止水帷幕截水，采用在基坑内集水明排降水，结果引发了周围近300米范围地面沉降，近10万平方米房屋出现裂隙，造成巨大的经济损失和社会影响。又例如，某基坑为厚层网纹土，具有良好的隔水性能，只根
13、据勘察报告中提到的“地表水丰富”的结论，在基坑支护中盲目采用止水帷幕，止水帷幕的工程造价高达150万元，这种对地下水的性质不做认真分析，不充分利用基坑四周土体的隔水性能，造成了资金的浪费和工期的延长，这类工程事例也不曾少见。怎样才能选取经济合理，技术可靠的地下水控制方案？一是应充分对含水埋藏条件及水位或水压进行详细调查分析，充分对水层的含水性及富水性的调查分析；二是要充分论证和预测地下水对环境的影响和变化，并采取必要的措施，以防止发生因地下水的改变而引起的地面下沉，道路开裂、管线错位、建筑物偏斜、损坏等危害。4、支护结构设计中的有关问题基坑工程不仅需要岩土工程的知识，也需要结构工程的知识，同时
14、基坑工程的设计和施工密不可分，需要在施工过程采用动态设计，从事基坑工程的从业人员应具备岩土工程、建筑结构、施工等方面的知识和经验，目前，全面具备上述知识和经验的工程技术人员较少，因此深基坑支护设计中的一些常见问题值得重视与关注：A、 设计单位不依据勘察报告进行基坑支护设计，某些设计人员根据过去的经验，不与勘察单位协商沟通以获取勘察单位的正式变更，自作主张修改勘察报告提供的重要参数，如土层的抗剪强度、锚杆与土体的摩阻力、放坡坡率等，基坑设计成为无依据的设计。B、当周边建筑物为桩基础时,盲目采用桩锚、锚杆、土钉墙的支护方案。给基坑和周边建筑物的安全带来隐患。周边建筑物为桩基础，的确将附加荷载传递到
15、土体深部，建筑荷载对基坑的影响随桩的长度增加而减小，但是城市中心区基坑周边建筑物大多为上个世纪八、九十年代修建的多层建筑，普遍采用小直径（多为350mm）的灌注桩基础，配筋少甚至仅上部配筋，桩距密，有时净距为700mm，锚杆、土钉的锚固段灌浆往往伸入灌注桩群中，在孔隙较大的土体中锚杆、土钉灌浆往往使锚杆、土钉锚固段与灌注桩联成一体，使灌注桩受到锚杆、土钉传递的拉力，特别是桩锚体系中的锚杆，其设计的抗拉强度往往较大，为控制变形通常施加一定的预应力，这时小直径灌注桩有被拉断、拉裂的可能。C、重视靠近基坑周边建（构）筑物、重型施工设备，缺乏对基坑周边附近的陡坡、陡坎的土质、坡度、现有支护措施、稳定程
16、度、地表水体的距离、水位的调查，忽视因陡坎、陡坡的土压力、水压力对基坑外侧土体产生附加荷载的分析。一般认为，基坑外侧2倍基坑深度范围内为地表沉降的主影响区域，24倍范围为地表沉降的次影响区域。但有些高陡坡、陡坎可能还在主要影响区域内或次影响区域内，它们的土压力、水压力不能忽略不计。有些高陡坡、陡坎下部可能存在滑动面，一旦基坑施工将产生整体滑移。还有一些已有建筑物的地下室，修建时采用大开挖的形式进行的施工，当临近的基坑支护设计若采用土钉墙或锚杆，将已有建筑的基坑回填土作为锚固端土层，势必造成锚杆抗拉强度达不到设计目标。D、忽视基坑顶点位移的控制，仅考虑基坑的稳定和支护结构的强度，基坑工程与周边建筑环境互相制约、互相联系，若基坑周边地层产生变形，小则极大地影响周边建筑的使用功能，造成周围百姓工作、生活不便，大则引起已有建筑物沉降、倾斜甚至倒塌的事故。基坑支护顶点变形量的控制基坑工程成败的关键。在我国现行的建筑基坑支护技术规程第3.1.4条以强制性条文行式，明确规定“应根据周边环境的重要性，对变形的适应能力及土的性质等因素确定支护结
