| zgjy1992 |
2010-12-20 14:02 |
深圳地区基坑工程30年发展综述
深圳地区基坑工程30年发展综述
付文光，杨志银
（中国京冶工程技术有限公司，深圳 518054）
摘 要：深圳基坑支护技术的发展可分为无意识应用、多种技术初始应用、土钉墙时代及各种技术理性应用四个阶段，目前为第四阶段。，基坑具有多、深、大、密、近、复杂等特点。各种支护技术中，土钉墙约占五成，排桩约四成，其它一成，其中地下连续墙不太适合在深圳地区应用，排桩后撑法值得关注。地下水的治理也经历了从弱到强的过程。由于易产生较严重的环境效应及占用红线外地下空间等原因，土钉、锚杆等受拉构件的应用将进一步下降，内支撑、逆作等方法的应用将越来越多。
关键词：发展阶段；土钉墙；排桩；排桩后撑法；地下连续墙；逆作
中图分类号：TU470 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2010)S2–
作者简介：付文光(1970– )，男，北京市人，注册岩土工程师，教授级高工，主要从事岩土工程设计咨询、工程实践、试验研究等工作。E-mail: zgjy1992@126.com。
Summaries of excavation pit engineering in recent 30 years in Shenzhen
FU Wen-guang, YANG Zhi-yin
(China JingYe Engineering Corporation Limited Company, Shenzhen 518054)
Abstract: Supporting techniques development can be divided into four stages: unconscious apply, elementary apply of multi-methods, soil-nail walls only and rational use of different methods. Now it is in the 4th stage. The excavation pits have the features of big quantity, deep, big, dense, near and complex. Among all the supporting techniques, soil-nail walls occupy 50%, piles in row 40% and the others 10%. It is found that diaphragm is not suitable for Shenzhen and the later braced piles method is more useful. Soil-nail walls and anchor bolts will be further limited because they are maybe harmful to surroundings and occupy nearby underground space while bracing system, top-down construction is wildly used.
Key words: soil-nail walls; piles in row; later braced piles; diaphragm; top-down construction
0 引 言
深圳是国内最早、最成功进行深基坑支护技术研究与应用的城市之一。独特的地理位置、发达的社会经济及城市建设、较为开放的工程建设管理制度等，决定了深圳地区基坑工程技术及管理水平一直在国内外居先进及重要的地位。纵览总结深圳地区基坑工程的发展历程，不仅可以指明今后的发展方向，对其它城市、尤其是那些经济欠发达的内地城市，也具有较强的借鉴意义。
1 深圳地貌及不良工程地质概况[1]
深圳地区地貌大体可分为山地、台地及海岸3个地貌带。山地地貌包托低山、高丘陵及低丘陵，台地地貌包括高台地、中台地及低台地，海岸地貌包括河成堆积阶地平原、海成堆积、阶地滩地、海河混合堆积平原及生物成堆积滩地等。对基坑工程而言的主要不良工程地质有：①淤泥、淤泥质土及淤泥质砂等软土；②砂卵石层，不少场地砂卵石层中的地下水与河水、海水有水力联系；③深厚填土及填石；④基岩。深圳大部分区域第四系土层较薄，下伏基岩埋深较浅；⑤岩溶。龙岗区冲洪积河谷平原下隐伏大面积岩溶地貌，主要发育有溶沟、溶槽、溶洞、土洞等；⑥地下水。地下水位高（埋深一般2~3 m）、水量丰富、土层渗透性强，九成以上的基坑都要以地下水处理为重点问题。此外，深圳台风暴雨频发，水量补给充沛，也给基坑工程带来一定困难。可见，深圳地区地质条件极为复杂多变，既有类似于北京、河北地区的硬土，也有类似于上海、浙江地区的软土，还有类似于重庆、青岛等地区的岩石，这决定了基坑工程及支护技术必然也具有复杂、多样、多变、困难等特征。
2 基坑工程发展历程及现状
2.1 基坑工程发展历程
深圳基坑工程发展历史大体可分为四个阶段：
（1）上世纪80年代为第一阶段，属混沌、无意识应用阶段。80年代初，深圳开始大兴土木，有些建筑物设置了地下室，开始出现基坑开挖与支护工程。与其它城市类似，深圳早期基坑工程特点为：开挖深度浅（多为1层地下室），规模小，周边环境简单，支护技术简单（一般放坡开挖、简单护面，或采用钢板桩、木桩简单支挡），采用明排或降水方式处理地下水，几乎没有基坑监测，设计施工不需要专项资质。
（2）90年代初期至中期为第二阶段，深基坑支护开始作为一门独立的岩土工程技术得到研究应用并迅速发展。90年代以后，深圳城市建设迅猛发展，基坑大量涌现，深基坑及基坑支护的概念形成并被迅速普及，排桩、地下连续墙、搅拌桩重力式挡墙等各种较传统的基坑支护技术纷纷得到应用，以土钉墙（包括复合土钉墙）为代表的崭新技术在深圳率先登台亮相[2]，总的来说以桩锚技术为市场主流。
由于种种原因，第二阶段基坑工程事故频发。为此深圳市1993年初在国内率先发布了《深基坑设计与施工规定》并进行了几次修订，对基坑工程的各环节、对工程各相关单位及从业人员的资格、职权责等进行了全面具体要求；同时在国内率先实施了设计方案专家审查制度；之后又于1996年实施了《深圳地区建筑深基坑支护技术规范》（SJG05—96）。该规范总体上达到了国内领先水平，当时国内外尚未有类似的专业标准，从此深圳基坑工程管理结束了无序行为，进入了有法可依、有章可循、理论指导实践阶段。
（3）1998年至2004年为第三阶段，可视为土钉墙时代。土钉墙技术的横空出世，颠覆了传统的基坑支护技术。90年代初期，技术人员开始在深圳地区尝试该技术，经过几年的摸索，至90年代中期基本成熟。基坑支护技术规范的实施，促使这一技术得到普及推广，迅速占领了市场，1998年至2004年间（施工时间），其市场占有率每年达60~80％以上，当时普遍“有条件要用，没有条件创造条件也要用”，过度迷信与不当使用，导致土钉墙工程事故或险情屡屡发生。
第三阶段也是新技术推出较快、多种支护走向成熟阶段。在这个阶段，国家、行业、地区多种综合及专项技术标准纷纷出台，计算机及商业计算软件得到了普及，基坑支护设计进入了电算化时代。
（4）第四阶段是各种技术的理性应用阶段。各种支护技术基本成熟，新技术推出步伐变缓，组合化技术得到广泛应用，基坑支护设计从安全极限状态设计开始向兼顾正常使用极限状态设计方向进步。多种因素致使土钉墙受到了较多较大限制，一些更安全、更环保的技术受到重视。在设计理论上，有限元、有限差分法等一些数值分析方法得到较多应用，但仍要靠工程经验对计算结果进行判断。第四阶段，深圳已经拥有数十名理论知识扎实、工程经验丰富的专家学者，有了他们的把关及较严格的管理制度和技术标准，深基坑工程安全事故已经很少，重大安全事故基本绝迹。
2.2 基坑工程现状
基坑的几何特征、地质条件、周边环境特点及不同地区建设行政主管部门的管理规定等，决定了该地区基坑支护的技术形式。进入21世纪以后，深圳的城市建筑不断朝着多、高、深、密、近、大、复杂方向发展，基坑支护技术也不断呈现出新的变化：①基坑数量多，每年都有几十至上百个基坑出现，高峰年估计有近200个。不过，随着城市建设用地的日趋紧张及建筑物的日趋饱和，第三阶段以后基坑总数量已呈逐年下降趋势；②基坑平均深度越来越深，大多为2~4层地下室，深度20 m以上基坑已屡见不鲜。开挖最深的平安大厦已达约32 m，目前在国内已知的民用建筑中最深；③基坑来源广泛，仍以建筑物地下室开挖为主，但地下管线等市政设施、公路、铁路、港口、人防、机场、地铁、地下商场、地下构筑物等的开挖产生的基坑比例有逐年增加趋势；④基坑的规模大，平面形状复杂，很多小区红线范围内全部设置了地下室，动辄基坑开口面积达数万平方米、土方挖运量达数十万立方；⑤基坑周边建筑物林立、距离越来越近，市政管线密布，环境越来越复杂，对基坑开挖的要求越来越高。基坑支护不仅要保证基坑本身的安全，还要保证不产生严重的环境效应；⑥开挖技术向多元化、复杂化、组合化发展，各种明挖、暗挖（盾构、导向钻进、逆作等）、盖挖等开挖形式并存，全国各地的技术在深圳地区几乎都有体现。
3 目前主要基坑支护方法
深圳地区基坑支护方法很多[3]。对92年至09年深圳地区351个基坑工程统计结果显示：土钉墙类使用率为50.9%，排桩类37.8%，其它类为11.1%11.3%。
（1）排桩类。排桩较为传统，可分为悬臂、桩锚、桩撑及双排桩等几种。对92年至09年深圳地区138个排桩工程统计结果表明：桩锚形式使用率76.1％，桩撑12.3％，悬臂桩、双排桩各为5.8％，近几年桩锚使用率呈下降趋势，桩撑、双排桩数量有逐渐增多趋势。各种支护结构适宜的支护深度不同，悬臂桩支护深度一般不超过6 m，双排桩支护深度目前最深约16 m，桩锚约24 m，桩撑约32 m。支护桩施工工艺早期以人工挖孔桩为主，2003年广东省对挖孔桩进行限制后，钻（冲）孔桩几乎一统天下；2007年以后，旋挖桩工艺因无泥浆污染、施工速度快、工程造价适中、环保等优点，成为最主要的支护桩施工技术。
排桩后撑法近几年得到了较多应用，值得关注。该法是桩撑与中心岛开挖方式相结合的一种作法，步骤为：①排桩施工完成后，开挖基坑中心土方，四周预留土方以保持排桩稳定；②基坑中心开挖到底后顺作地下室结构；③达到一定层数后，在地下室与排桩之间设置临时支撑以保持排桩稳定，再开挖四周的预留土方；④最后顺作地下室外墙、柱梁板等结构。支撑可为水平支撑设置在层板上，也可设置在底板上作为竖向斜支撑（也称抛撑）。支撑材料一般采用钢管或型钢，以后可不取出直接浇灌在地下室外墙中。该法特点为：①是顺作法，具备顺作法的全部优点；②具备支撑结构体系的最大优点，即基坑变形小、对周边环境扰动小、环境效应弱；③具备中心岛开挖法的全部优点。支撑结构（对撑、环撑、角撑等）最大缺点之一是通常会影响地下室施工进度，但当塔楼位于基坑中央、采用中心岛开挖方式时，可不受四周后加支撑体系的影响，迅速开挖到底施工塔楼，从而大大节省总工期；④排桩支撑仍是临时挡土结构，不与地下室永久性结构相结合，可以提前施工；⑤仍具有支撑结构体系的一些缺点，如不便于支撑下挖土及桩基础施工，且基坑周边挖土滞后于中心不利于工程管理等。该法适用条件为：开挖不深（1~2层地下室）、塔楼位于基坑中央、周边环境对基坑变形及水土流失要求严格、不能设置锚杆、基坑面积宽广很难使用内支撑。
（2）土钉墙类。土钉墙（包括复合土钉墙）曾经有工程造价低及工期快两个突出优点。90年代中期开始，土钉主要采用人工洛阳铲成孔，工程成本很低，这是土钉墙能够迅速风靡全国、独领风骚的最主要原因。进入21世纪之后，一方面，随着农民工工资的提高，土钉墙工程成本逐渐增加，洛阳铲成孔工艺基本上已被废弃不用；另一方面，设计理念变化等多种因素，土钉墙设计方案整体上越来越偏于保守，这两方面原因导致了土钉墙的经济优势不再明显。近几年一些新出台的技术标准出于安全考虑增加了土钉及喷射混凝土的养护时间，使土钉墙的工期优势也不再明显。
土钉墙技术缺陷有：①变形较难控制。土钉墙是一种以受拉土钉为主要构件的柔性支挡结构，整体刚度小，在较深基坑中很难把土体变形约束在较小范围内。②地下水位较高时，不可避免地会造成基坑外的水土流失，可能会引发建筑物及道路的下沉开裂，环境效应较严重。③需要一定的置放宽度也越来越成为土钉墙的缺点，因为大部分基坑侧壁离红线很近甚至基本沿红线开挖，土钉的中、尾部往往会超出用地红线，进入他人的用地范围。随着2007年物权法的实施、人们维权意识的日益增强，基坑支护结构物侵入别人地下空间而引起的纠纷越来越多，给开发商及承建商带来较大的经济及工期风险。④较其它支护结构而言，土钉数量多、施工速度快、检测方法不完善，偷工减料行为比较容易实现，监管及加以制止的难度很大，这形成了国内目前工程环境下土钉墙的一个主要“缺点”。笔者长期工作在一线，通过对数十个土钉墙工程事故或险情的深入调查及分析后认为，在深圳、北京、广州等土钉墙技术发达、专家审图制度比较完善的城市，勘察、设计、监测等都已经不再构成土钉墙工程发生质量或安全事故的主要原因，主要乃至唯一原因是严重的偷工减料行为。偷工减料主要体现在土钉长度减短、数量减少、钢管注浆钉注浆量不足等三方面，很多工程都可用“触目惊心”来描述严重程度。土钉墙上述固有缺陷限制了其应用，尽管近几年土钉墙类支护的基坑比例仍能占有半壁江山，但深圳地区深度18 m以上的基坑已极少采用。
（3）地下连续墙及逆作法。除完成支护功能外，地连墙一般还要兼作地下室外墙，即“二墙合一”，与逆作法密不可分。逆作法的思路是：利用地下室结构的一部分作为支护结构，如利用地下室外墙作为支护墙、梁板作为内支撑、柱作为支撑体系的承重构件等，先施工这些兼作支护结构的墙梁柱板，再开挖土方。逆作法狭义上可分为封闭式全逆作、敞开式全逆作、先顺后逆半逆作、中顺边逆半逆作等4类，逆作构件中，地下室外墙工程量最大、也最为重要，故逆作法的核心是外墙逆作。二合一墙还有墙撑及墙锚两种常用支护形式，均因先施作了地下室外墙，实质上也是广义上的逆作。
深圳尽管早在90年代初期就开始了地连墙应用，但很难推广，直到现在案例也是屈指可数。普遍认为深圳地区不太适合地连墙及逆作法，因为：①深圳地区地下水位高、水量大、土层透水性强，二墙合一时地下室无法进行外防水，只能内防水及自防水，且与地下室底板只能内连接、对结点施工质量要求很高，想做到不渗漏水非常困难。据调查，已完成的地连墙工程中，地下室都存在着不同程度的渗漏水现象，严重的需要24小时不间断抽排水。地铁工程中情况类似；②深圳地区一般在建筑设计扩初完成后即开始基坑的施工，利用施工图设计期间进行基坑开挖，这样可以节省几个月的建设周期。但扩初阶段地下室墙梁板柱等构件很难定形定位，不确定因素多，二合一墙施工后，施工图很难再调整，风险较大；③基坑较软弱土层一般较薄，通常只有几米至十几米，场地下伏残积土强度较高，基岩埋深较浅，地层软硬变化大，有时会有砂层。这些因素造成地连墙施工较困难，质量较难保证，尤其是难以保证槽段之间搭接效果，容易造成渗漏。不过，随着地铁建设的迅猛发展、特深级（超过23 m）及以上深级基坑的增加，地连墙近几年应用有逐渐增多趋势。
（4）其它类。①水泥土类支护结构，如重力式桩墙、内支撑水泥土墙、锚拉水泥土墙等，因施工质量不易保证、安全风险较大、变形较大，已很少应用；②钢板桩、拱形桩（墙）、微型桩水泥土墙、SMW工法等悬臂支护形式因结构变形大、安全风险较大等原因，已很少应用于超过4 m的基坑；③沉井法一般只用于平面尺寸很小的市政基坑。沉井法环境效应较严重，当周边环境复杂时，目前普遍采用水泥土桩超前支护、逆作开挖法（俗称挖井法）；④锁脚法是解决某些特殊问题的办法，时有应用；⑤因效果差、工期长、造价高等原因，被动区加固法工程案例很少。
（5）技术组合类。基坑沿周边分段支护已是常规作法。组合化支护近几年得到越来越多的应用，主要形式有：土钉墙与排桩（桩锚或桩撑）的组合，桩锚与桩撑的混合，适用于半挖半填基坑的钢筋混凝土挡墙与复合土钉墙或排桩的组合等。
（6）地下水治理。早期基坑仅使用明沟及集水坑明排水，开挖困难；之后采用井点降水，取得一定效果；再之后在基坑周边设置止水帷幕，坑内降水或者明排水，效果良好。早期曾使用注浆法（主要在护坡桩间注浆）形成止水帷幕，效果不好；90年代中期开始使用水泥土桩止水帷幕，水泥土桩主要包括搅拌桩及高压喷射注浆桩，采用搅拌桩时，一般两两相互搭接形成连续墙，形成落底式全封闭止水帷幕，止水效果较为可靠，工程造价较低，通常为首选方案；高喷桩造价较高，很少单独成排，一般布置在支护桩间，与支护桩共同形成止水帷幕。本世纪初开始在深圳地铁工程中应用的全套筒钻孔咬合支护桩也可起止水作用，但因造价较高，地铁以外的工程很少采用。就止水效果而言，地连墙最可靠、效果最好，但工程造价太高，极少应用。此外，2002年地铁工程尝试过冻结法止水，因地层非常复杂等原因，没有达到预期效果。
即使基坑四周均是弱透水层，随着基坑深度增加及暴露时间的增加，也会造成地下s水流失，引起地表沉降，对环境造成不良影响。这在深圳已形成共识。故目前深圳地区基坑设计时，如果周边环境较复杂、或对水土流失及基坑变形较敏感时，不管土层是强透水层还是弱透水层，普遍设置止水帷幕，不再设井点降水。坑内积水采用明排处理。
4 前景展望
（1）由于使用上的不方便及设计施工难度过大等原因，深圳超过30 m的基坑数量仍将不多。面积超过5万m2的巨型基坑也不会多，面积过大时开发商倾向于分期开发建设，以利于资金周转。
（2）基坑引发的环境效应受到了越来越多的关注，那些环境效应不明显的支护方法将得到越来越多的应用，土钉墙、复合土钉墙及锚杆、拉锚等构件，因为其变形较大、孔口渗水及成孔时易造成水土流失、对周边环境扰动较大等原因，应用将受到进一步限制。
（3）因为很可能需要占用红线外的空间，锚杆、土钉、拉锚等受拉构件的应用将进一步受到限制，排桩后撑法、内支撑、逆作及半逆作、双排桩等基本不占用红线外空间的支护方法将得到越来越多的应用。
（4）由于历史原因，深圳地区高等院校、科研院所等科研机构缺乏，基坑工程相关单位几乎都以生产实践为主，很难在设计理论、计算方法、技术研发及设备研制等方面有更大、更多的创新。现有工艺的潜能已基本开发充分，新工艺新技术将主要靠新设备产生，但研制机械设备一直是、以后仍将是深圳地区的弱项。但是，深圳岩土工程界的学术氛围相对宽松、包容性强、实践水平高，仍能起到各种新技术的试验田的作用，深圳曾经、且仍将继续为国内外的基坑工程发展做出独特的贡献。
参考文献：
[1] 深圳地质编写组． 深圳地质[M]． 北京： 地质出版社. 2009: 27–52 (Shenzhen Geology Compile Group. Shenzhen Geology[M]. Beijing: Geology Press, 2009: 27–52. (in Chinese))
[2] 杨志银, 张 俊． 复合土钉墙技术在深圳的发展与应用[J]． 岩土工程学报． 2006, 28(增): 1673–1676. (YANG Zhi-yin, ZHANG Jun. Development and application of composite soil nailing walls in Shenzhen[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2006, 28(S): 1673–1676.(in Chinese))
[3] 杨志银, 张 俊． 深圳地区深基坑支护技术的发展和应用[J]．岩石力学与工程学报． 2006, 25(增2): 3377–3383. (YANG Zhi-yin, ZHANG Jun. Development and application of supporting techniques for deep foundation pit excavation in Shenzhen region[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(S2): 3377–3383.(in Chinese))
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