深基坑工程的稳定问题

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1、深基坑工程的稳定问题随着地下空间开发力度的加大，深基坑工程越来越多，深基坑支护成为当前业内关注的焦点问题。中国建筑科学研究院钱力航研究员在基坑稳定性方面具有多年研究及实践经验，对深基坑工程的安全问题提出了建议，希望能引起相关部门和企业的重视，以提高深基坑支护安全意识，减少工程事故的发生。 钱力航，中国建筑科学研究院研究员。 国家标准建筑地基基础术语标准（送审稿）对地基稳定性的定义是“地基在荷载作用下不发生滑动和过大变形的性质。”对基坑工程来说，就是要求基坑既不垮掉，也不产生过大变形。然而随着基坑工程不断向大、深方向发展，深基坑的稳定难度也随之加大。目前国内的基坑工程大体上呈现了四个方面的特点。

2、开挖深度大。基坑开挖深度在迅速增大，目前最深已达40m左右。如上海地铁4号线修复工程深基坑开挖深度接近41m，天津117大厦基坑最大开挖深度35m左右， 2030m深的基坑在全国大城市中已属平常。基坑面积大，有的已形成基坑群。天津站交通枢纽工程是京津城际高速铁路，地铁2、3、9号线，津秦客运专线及原天津站普速铁路的超大型换乘枢纽，地下工程总面积19万m2，占地面积约5万m2，基坑边长500多米，最大开挖深度达33.5m。上海虹桥综合交通枢纽工程包括一个新航站楼、10条磁悬浮列车站台、30条城际及高速列车站台、一个能容纳5条线路的地铁站以及一个新城际巴士总站，地下空间总面积20余万m2，是继天津

3、站交通枢纽工程之后又一个软土地区超大地下工程。施工难度大。我国地下工程、超高层建筑等涉及的深基坑工程，往往集中在城市建筑物、道路及地下设施密集的区域，场地狭小，周围环境对基坑工程限制严格，施工难度大，基坑稳定难度大，一旦出现事故影响恶劣，后果严重。地质条件复杂。由于经济发展的原因，我国深基坑工程多在沿海地区，而沿海又多为软土地区，软土地区的深基坑工程设计、施工难度相对较大。基于以上四个显著特点，深基坑工程的稳定问题也越来越突出，尤其是伴随近年来此类工程的逐渐增多，基坑安全事故也呈现高发趋势。 深基坑失稳的原因 在对深基坑坍塌事故进行分析时发现，其原因往往是综合性的，既有设计不合理的原因，也有施

4、工违规、监理、监测不到位的问题，在多个因素的共同作用下，基坑垮掉成为“偶然中的必然”。设计原因。一是设计理论有缺陷，如珠海市拱北祖国广场工程，采用逆作钢筋混凝土墙支护体系，没有考虑到嵌固深度，最终导致基坑事故。二是计算不准确，如上海轨道交通4号线浦东南路至南浦大桥区间隧道工程，在采用冻结法时将温度由-10提高到 -8，并减少了冻结管数量，由此导致隧道部分塌陷。三是勘察工作不细，虽然地质资料和地下水状况不完全影响到整个支护设计方案的正确性，但也会影响到具体计算参数的选取和地下水的控制。施工原因。不遵守规定的施工程序，超挖、提前拆支撑，施工质量差，偷工减料等是施工过程中导致基坑事故最常见的原因。监

5、理、监测不到位。在杭州地铁等多起事故中，基坑在坍塌前已有先兆，却未引起监理关注，没有事前发出警报采取相关措施。另外，土钉支护方式在基坑工程中应用广泛，其安全事故率相应也高于其他方式。对土钉支护基坑安全事故进行分析发现，施工速度快（在钉-浆-土粘结未保证的情况下就进行下一步施工）、早挖，地下水、城市给排水管道、降雨等水的因素，超挖，缺少实时监测，对于局部土层的变化勘察不到位，施工质量尤其是注浆质量不达标，堆载超限等是土钉支护基坑安全事故的主要原因。 深基坑稳定的保证措施 深基坑坍塌事故的原因是综合性的，故此保证基坑稳定性的措施也应该是全面的，应贯穿基坑工程勘察、设计、施工、监测的全过程，也应贯穿

6、降水、支护结构施工、土方开挖、使用、支撑拆除及地下水回灌等各个环节。对于基坑整个支护体系的稳定性验算，除了常规的支护结构力学分析外，还要注意四项验算。一、支护结构嵌固稳定性1）悬臂式支挡结构的嵌固深度应符合式（1）中嵌固稳定性的要求（见图1，对桩底取矩)。 （1） 式中，kem为嵌固稳定安全系数，安全等级为一级、二级、三级的悬臂式支挡结构，kem分别不应小于1.25、1.2、1.15；Eak、Epk为基坑外侧主动土压力、基坑内侧被动土压力（合力）的标准值； Za、Zp为基坑外侧主动土压力、基坑内侧被动土压力（合力）至挡土构件底端的距离。图1悬臂式支挡结构的嵌固深度验算 2）单层锚杆和单层支撑的

7、支挡式结构的嵌固深度应符合式（2）中嵌固稳定性的要求（见图2，对支点取矩）。 （2） 式中，kem为嵌固稳定安全系数，安全等级为一级、二级、三级的锚拉式支挡结构和支撑式支挡结构，kem分别不应小于1.25、1.2、1.15；Za、Zp为基坑外侧主动土压力、基坑内侧被动土压力至支点的距离。图2单支点锚拉式结构和支撑式结构嵌固稳定性验算 二、支护结构整体滑动稳定性锚拉式、悬臂式和双排桩支挡结构应按规定进行整体稳定性验算。锚拉式支挡结构的整体稳定性可采用圆弧滑动条分法进行验算（见图3），当挡土构件底端以下存在软弱下卧土层时，整体稳定性验算滑动面中尚应包括由圆弧与软弱土层面组成的复合滑动面。图3圆弧滑

8、动条分法 三、基坑底部抗隆起稳定性1）锚拉式支挡结构和支撑式支挡结构，其嵌固深度应满足坑底隆起稳定性要求，抗隆起稳定性可按式（3）、（4）验算： （3） （4） 式中，khe1为抗隆起安全系数，安全等级为一级、二级、三级的支护结构，khe1分别不应小于1.8、1.6、1.4；m1为基坑外挡土构件底面以上土的重度(kN/m3)，对地下水位以下的砂土、碎石土、粉土取浮重度，对多层土取各层土按厚度加权的平均重度；m2为基坑内挡土构件底面以上土的重度(kN/m3)，对地下水位以下的砂土、碎石土、粉土取浮重度，对多层土取各层土按厚度加权的平均重度；D为基坑底面至挡土构件底面的土层厚度 (m)；h为基坑深

9、度(m)；q0为地面均布荷载(kPa)； Nc、Nq为承载力系数；c、为挡土构件底面以下土的粘聚力(kPa)、内摩擦角()。当挡土构件底面以下有软弱下卧层时，挡土构件底面土的抗隆起稳定性验算的部位尚应包括软弱下卧层，式（3)中的m1、m2应取软弱下卧层顶面以上土的重度（见图4），D应取基坑底面至软弱下卧层顶面的土层厚度（见图5）。图4挡土构件底端平面下土的抗隆起稳定性验算 图5软弱下卧层的抗隆起稳定性验算 悬臂式支挡结构可不进行抗隆起稳定性验算。2）锚拉式支挡结构和支撑式支挡结构，当坑底以下为软土时还应按图6所示，以最下层支点为转动轴心的圆弧滑动模式，按式（5）验算抗隆起稳定性。 （5） 式中

10、，Khe2 为以最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定安全系数，安全等级为一级、二级、三级等支挡式结构，Khe2分别不应小于2.2、1.9、1.7；cj、j为第j土条在滑弧面处图的粘聚力（kPa）、内摩擦角（）；lj为第j土条的滑弧段长度（m）,取lj=bj/；qj为作用在第j土条上的附加分布荷载标准值（kPa）；bj为第j土条的宽度（m）。图6以最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定性验算挡土构件的嵌固深度除应满足建筑基坑支护技术规范JGJ120-1999的规定外，对悬臂式结构不宜小于0.8h；对单支点支挡式结构不宜小于0.3h；对多支点支挡式结构不宜小于0.2h，其中h为基坑深度。四、基坑底部渗透稳定性基

11、坑采用悬挂式截水帷幕或坑底以下存在水头高于坑底的承压含水层时，应按建筑基坑支护技术规范JGJ120-1999附录C的规定进行地下水渗透稳定性验算。1）坑底以下有水头高于坑底的承压水含水层，且没用截水帷幕隔断其基坑内外的水力联系时，承压水作用下的坑底突涌稳定性（见图7）应符合式（6）规定。 （6） 式中，Kse1为突涌稳定性安全系数，Kse1不应小于1.1；D为承压含水层顶面至坑底的土层厚度(m)；为承压含水层顶面至坑底土层的天然重度(kN/m3)，对成层土取按土层厚度加权的平均天然重度；h为基坑内外的水头差(m)；w为水的重度(kN/m3)。1-截水帷幕；2-基底；3-承压水测管水位；4-承压

12、水含水层；5-隔水层图7坑底土体的突涌稳定性验算 2）悬挂式截水帷幕底端位于碎石土、砂土或粉土含水层时，对均质含水层地下水渗流的流土稳定性（见图8）应符合式（7）规定。对渗透系数不同的非均质含水层，宜采用数值方法进行渗流稳定性分析。 （7） 式中， Kse2为流土稳定性安全系数，安全等级为一级、二级、三级的支护结构，Kse2分别不应小于1.6、1.5、1.4；D为截水帷幕底面至坑底的土层厚度(m)；D1为潜水水面或承压水含水层顶面至基坑底面的土层厚度(m)；为土的浮重度(kN/m3)；h为基坑内外的水头差(m)；w为水的重度(kN/m3)。1-截水帷幕；2-基坑底面；3-含水层；4-潜水水位；

13、5-承压水测管水位；6-承压含水层顶面图8采用悬挂式帷幕截水时的流土稳定性验算 3）坑底以下为级配不连续的不均匀砂土、碎石土含水层时，应进行土的管涌可能性判别。当地下水位高于基坑底面且基坑底面以下的土为疏松砂土时，地下水产生向上的渗透水压，如果这种水压产生的动水坡度超过砂土层的极限动水坡度，基坑底面就会失去稳定，砂土向上涌入基坑，这种现象称为管涌（见图9）。图9基坑管涌示意基坑抗管涌稳定性应符合式（9）规定：（9） 式中， Ks为安全系数，可取1.52.0；i为动水坡度， i =hw/L ；ic为极限动水坡度， ic =(Gs-1)/(1+e)；hw为墙体内外的水头差；L为产生水头损失的最短流

14、线长度，L= hw+2D，D为墙体插入深度；Gs 为土颗粒密度；e为土的孔隙比。此外，基于土钉支护的普遍应用，对其稳定性略作分析。根据土钉支护的作用机理,其稳定性分析分为外部稳定性和内部稳定性两种情况。外部稳定性分析针对的是体外破坏,整个支护结构作为一个刚体,可能发生三种形式的破坏，即沿支护体底面滑动；绕支护面层底端(墙趾)倾覆或因支护底面竖向压力过大，超过地基土的承载力而失稳；与周围和深部土体一起来整体滑动（见图10）。前两种破坏可按重力式挡土墙的模式进行分析，后一种破坏则可按一般边坡稳定的方法进行分析，一般取抗滑安全系数1.3,抗倾覆安全系数1.5。这种体外破坏的情况是否真会发生，目前尚有

15、争议。图10外部稳定性破坏内部稳定性分析针对的是体内破坏，此时破坏面全部或部分穿过加固后的土体（见图11）。图11内部稳定性破坏计算分析采用边坡稳定的极限平衡法，破坏面的形状假定为圆弧面、抛物面、双折线面或对数螺旋曲面中的一种，破坏面的底端通过坡面底端，破坏面与地表的交线需通过试算确定，此交线至挡土墙面的距离一般不超过墙高的0.35倍。破坏面上的作用力要考虑水压力的影响，破坏面上的抗力为土体的抗剪力与土钉提供的抗力之和。 深基坑坍塌事故链接：珠海拱北祖国广场基坑坍塌事故1998年5月6日下午，珠海市拱北祖国广场工地发生一起特大基坑坍塌事故，造成5人在撤离现场时受轻伤，3栋民房、37间商铺和1间员工食堂倒塌陷入坑中，10栋民房和附近道路、排污、供水、供电设施受到不同程度影响，直接经济损失1377.6万元。 上海轨道交通4号线浦东南路至南浦大桥区间隧道塌陷事故2003年7月1日凌晨4时许，上海轨道交通4号线浦东南路至南浦大桥区间越江隧道，上、下行隧道的联络通道施工时，大量流沙涌入隧道，隧道部分塌陷，地面也随之出现以风井为中心的“漏斗型”沉降。北京地铁10号线