中国煤炭地质总局华盛水文地质勘察工程公司 河北邯郸 056001
摘要：近年来，随着我国经济和城市建设的迅猛发展，地下空间开发规模越来越大，极大地推动了基坑工程设计理论与施工技术的快速发展。本文在详细分析邯郸市工程地质条件的基础上，总结提出了适宜于邯郸市区的基坑支护形式与影响基坑支护方案选择的主要因素，以期为今后本地区基坑支护工程设计施工提供借鉴。
关键词：基坑支护 工程地质条件 支护形式 边坡失稳
前言：由于不同区域岩土工程特性的迥异，导致基坑工程具有很强的区域性。有不少基坑工程由于设计和施工的失误而引发工程事故，不但延误了工期，而且产生了不良的社会影响。因此，在基坑设计与施工时，必须合理选取设计参数和施工支护方式，保证支护结构和周边环境的安全可靠。
1、邯郸市区工程地质条件分析
邯郸市区在大地构造上处于新华夏系太行山隆起带和华北平原沉降带的连接处。区内地层由古生代奥陶纪、石炭纪、二叠纪地层和新生代第三纪、第四纪地层组成。第三纪地层是以杂色黏土为主的湖积相沉积物，最大厚度近2000m。第四纪地层下部是冰川沉积的砂砾石层，中上部为漳河、滏阳河、沁河冲洪积形成的黏性土层。
根据地层成因分析，影响市区基坑施工安全的土层主要为新近沉积土以及一些特殊土层如：膨胀土、淤泥质土、湿陷性黄土、人工填土等。
新近沉积土：多分布于市区东部，以粉土、黏性土为主，局部夹杂薄层粉细砂，具有承载力低，变形大，易产生不均匀沉降的特点。
膨胀土：主要分布于市区西部地势较高处，为第三纪上新世至第四纪早更新世内陆湖相沉积物，随含水量的变化具有明显的膨胀和收缩性，在基坑开挖时如不能及时喷护，易产生自然坍塌。
淤泥质土：多分布于市区河流故道附近，呈软塑或流塑状态，含有机质，压缩性高，抗剪强度差，具有明显的触变性和蠕变性。
湿陷性黄土：主要分布在市区西部，为近代河流洪积而成，厚度随地形变化而异，在一定压力作用下受水浸湿后，结构迅速破坏而产生显著附加沉陷。
人工填土：主要分布在老城区范围内，分为素填土和杂填土两种。素填土以粉土、黏性土为主，为高压缩性或中等压缩性土，固结性差，力学强度低。杂填土以建筑垃圾和生活垃圾为主，强度不均匀，易产生不均匀沉降。
区内地下水主要有上层滞水、潜水和承压水，东部平原区以上层滞水、潜水为主，补给方式为大气降水的垂直补给和滏阳河及沁河的侧向补给，地下水位埋深一般为3-6 m。西部丘陵区膨胀土地层中存在少量裂隙水。
2、基于邯郸市区岩土工程特性的工程地质分区
根据邯郸市区岩土工程类型及组合特点，结合基坑设计施工情况，大致分为三个区：
滏阳河区：为市区内以滏阳河和沁河为中心的条带状地区，地势平坦，影响基坑稳定性的土层以新近沉积土、淤泥质土为主，地下水位较浅，基坑施工时易产生扰动变形。
城中区：主要为市区中东部大部分地区，以新近沉积土和少量杂填土为主，水位较浅，易产生不均匀变形和扰动变形。
膨胀土区：主要为市区西部区域，无地下水或少量裂隙水，基坑施工时极易产生顺层滑动或膨胀变形。
3、邯郸市基坑支护技术应用现状
3.1邯郸市区常用的基坑支护形式
（1）复合土钉墙支护结构
复合土钉墙是将土钉墙与预应力锚杆、微型桩、截水帷幕等构件中的一种或几种结合而成的复合支护体系，通过发挥组合优势，扩充了土钉墙支护的适用范围，弥补了传统土钉墙的缺陷和使用限制。
复合土钉墙适用于黏性土、粉土、砂土、碎石土、全风化岩和强风化岩，甚至局部夹有淤泥质土的土层也可以采用。邯郸市区深度10-12 m左右的基坑，只要场地条件允许，一般都可采用复合土钉墙支护形式，以预应力锚杆复合土钉墙居多。
（2）桩锚支护结构
系指排桩与预应力锚杆联合支护的简称。排桩多为钻孔灌注桩或预制桩，单排布设。支点多采用预应力锚索，锚索一端与冠梁或腰梁联结，另一端通过锚固体锚固在桩后的土层中，共同组成整体结构以承受土体的的侧压力。当场地内地下水位超过基坑开挖深度时，可在支护桩之间或桩后施工截水帷幕。桩锚支护结构具有较大的整体刚度，可以在不放坡的条件下进行基坑开挖和地下结构施工，是邯郸市区目前为止深基坑工程最常见的支护结构形式。
（3）双排桩支护结构
由前、后两排支护桩和连梁连接成的刚架及冠梁组成的支挡体，沿基坑侧壁排列设置。双排桩可以在没有锚杆的情况下，发挥空间结合桩体的刚度和空间效应（与桩间土协同），达到保持基坑边坡稳定、变形受控的目的。当临近已有地下结构、障碍物，锚杆无法实施或周边土层条件不能提供一定的锚固力时，采用双排桩就是一种理想的选择。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆从基坑稳定性分析来看，后排桩对前排桩可能产生的滑动面具有稳定功能，明显加大了基坑的稳定性。
（4）地下连续墙
是指采用专用或通用的机械设备，在基坑周边分段连续挖出窄而深的沟槽，下放钢筋砼壁笼，在沟槽内浇注砼而形成一道具有防渗、挡土和承重功能的连续的地下墙体。
当地下连续墙仅仅用作临时结构时，较其他支护方法费用要高很多，只适用于周边环境比较复杂的地段，目前在邯郸市区应用较少。
3.2 影响基坑支护方案选择的主要因素
为了在基坑支护过程中做到技术先进、经济合理，确保基坑边坡、基坑周边环境和地下设施的安全，在选择基坑支护结构形式时，应在取得工程相关资料的基础上综合考虑下列因素：
（1）基坑开挖深度：基坑开挖深度直接关系到基坑支护结构的安全等级，乃至支护结构的施工方法、造价和工期。
（2）岩土性质：不同场地土的物理力学性质各不相同，基坑开挖影响范围内各土层岩土性质是影响基坑稳定的重要因素。
（3）水的影响：水是影响基坑稳定性的另一重要因素。基坑开挖时，场地里的大量积水和地下水的渗流会影响工程施工与工程安全。调查表明，大多数基坑工程事故都是由于地下水处理不当而造成的。
（4）周边环境：当支护结构失效时，周边环境产生的人身、经济和社会的负面影响，也是基坑设计及施工时必须要考虑的重要因素。
（5）地下结构与基础形式：主体地下结构和基础形式限制了基坑支护形式的使用。当主体地下结构和基础形式不同时，即使相同的地域或地段，基坑支护形式也可能不同。
3.3 基坑失稳破坏的主要形式
根据邯郸市区以往基坑工程发生破坏的规律分析，各种支护结构的破坏形式主要集中在环境破坏和地下水的渗透破坏，而以环境破坏居多。
（1）基坑周边环境破坏
当基坑周边基坑开挖影响范围内的地面产生过大的变形，尤其是不均匀沉降时，会引起周边建筑物及地下管线等的开裂、变形等，严重时会影响其正常使用或报废。
影响基坑周边地面变形的因素主要有以下几点：支护结构水平位移引起的周边土体的水平和垂直变形；施工降水引起的地面下沉；支护结构施工工艺引起的周边土体的扰动变形，尤其是在锚索或土钉成孔施工时引起的变形。
（2）地下水作用下土的渗透破坏
在影响基坑边坡稳定的众多因素中，地下水渗流作用是一个相当突出的问题。
对于地下水位高的深大基坑工程，连续的降水致使基坑内外产生一定的水头差，使得地下水在土体中产生渗流。一方面渗流会增加土体的侧向压力，另一方面在地下水渗透力的作用下，部分土颗粒就会被渗透水流携带和搬运而引起流沙或管涌，导致土体的抗剪强度降低，从而大大降低土体的稳定性。若基坑底部存在承压含水层，当隔水层的自重不足以抵抗承压水头压力时，就会发生坑底失稳引发突涌。
4、工程实例
4.1 工程概况
工程场地位于邯郸市展览北路与曙光路交叉口西南角。拟建工程均为框架剪力墙结构，地上建筑为24-33层，地下2-3层，基础形式为筏板基础，基础埋深10.5m。
4.2 周边环境
基坑东侧为曙光路，距离基坑12m处有煤气管道，埋深2.0m。西侧为展后街，距离基坑15m处有上水管道，埋深2.0m。基坑北侧为临时运输通道和材料堆放场地。基坑南侧距基坑12m为2-4层砖混结构居民楼。
4.3 场地工程地质条件
根据岩土工程勘察报告，基坑开挖影响范围内各土层岩土特征为：
第一层为杂填土，以粉土、粉质黏土为主，平均厚度1.6m，土的粘聚力10.0kpa，内摩擦角10.0o，土的重度18.0kg/m3。
第二层为粉土，土层平均厚度5.4m，土的粘聚力13.7kpa，内摩擦角9.7o，土的重度18.6kg/m3。
第三层为粉质黏土，土层平均厚度4.0m，土的粘聚力19.3kpa，内摩擦角12.1o，土的重度19.0kg/m3。
第四层为粉质黏土，土层平均厚度2.0m，土的粘聚力17.0kpa，内摩擦角12.1o，土的重度19.2kg/m3。
第五层为粉土，土层平均厚度5.4m，土的粘聚力16.2kpa，内摩擦角11.4o，土的重度19.6kg/m3。
第六层为粉质黏土，土层平均厚度4.4m，土的粘聚力20.2kpa，内摩擦角12.8o，土的重度19.9kg/m3。
场地地下水位埋深6.8-8.2m，为孔隙潜水，以大气降水补给为主，基坑开挖影响范围内第2层粉土、第3层粉质黏土为主要含水层。
4.4 基坑降水方案
根据场地工程地质条件及基坑开挖深度，为减少对周边环境的影响，采用帷幕截水和管井降水相结合的方法。截水帷幕采用水泥深层搅拌桩，桩顶标高-6.0m，桩底标高-11.5m。
4.5 基坑支护方案
根据基坑开挖深度、场地岩土性质及周边环境等因素综合分析，基坑支护结构采用桩锚支护结构形式+复合土钉墙。
（1）桩锚支护结构
支护桩采用PRC桩，桩长12m，桩径为500mm，桩间距1.0m；设置两排锚索，锚索筋体采用钢绞线，锚索长度20m，锚固段长度15m，锚索孔径150mm，施工倾角15度，锚固体采用水泥素浆。
（2）复合土钉墙支护结构
从地表到-6.0m采用复合土钉墙支护结构。土钉墙边坡坡率为1：0.30，自上而下设置2道土钉和1道锚索，土钉钢筋为Φ18，长度为8.0m，水平间距为1.00m，梅花形布置，锚索直径150mm，长12m，锚固段长度5m。面层绑扎Φ8@210*210钢筋网，采用喷射厚100mm的C20混凝土。
4.6 基坑支护结构设计与整体稳定性验算
支护桩采用PRC桩，用等强度代换的原则，其弯矩与剪力设计值均超过按灌注桩计算的结果。锚杆的设计主要进行了锚杆类型与材料的选择，锚杆的截面积、锚固段长度与自由段长度的计算以及锚杆刚度的计算。基坑支护结构整体稳定性验算采用Bishop法，计算方式为总应力法，进行了抗倾覆、抗滑移、抗隆起和抗渗流等稳定性验算。
4.7基坑支护效果
该基坑工程支护结构施工与土方开挖交叉进行，从2010年5月开工至2010年11月完工，历时6个月。在基坑施工过程中，对基坑边坡顶部的沉降位移和水平位移进行了定期监测，沉降位移和水平位移均在规范及设计图纸要求的范围内，整体支护效果显著。
5、结语
（1）基坑支护工程具有较强的时空效应和环境效应，基坑开挖打破了原有平衡条件，从而引起周边土体应力场的改变产生变形，进而对周边构筑物及地下管线产生不良影响。
（2）基坑支护工程设计，应根据不同区域岩土性质、基坑开挖深度、地下水特点并综合考虑基坑周边环境、地下结构与基础形式等因素影响，合理选取设计参数和施工支护方式。
（3）根据基坑整体计算方法对基坑施工进行指导时，应结合以往工程实例进行比对，适当调整计算参数，可以有效弥补传统理论设计方法的不足。
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论文作者:巩松树
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第22期
论文发表时间:2018/1/4
标签：基坑论文; 结构论文; 土层论文; 邯郸论文; 市区论文; 工程论文; 形式论文; 《建筑学研究前沿》2017年第22期论文;