CON STRU CT I ON T ECHNOLO GY

[收稿日期]1999211201

[作者简介]侯学渊(1932—),男,上海市人,同济大学地下建筑与工程系,教授,博士生导师,上海市四平路　200092,电话:(021)65982778

城市基坑工程发展的几点看法

侯学渊,刘国彬,黄院雄

(同济大学地下建筑与工程系,上海　200092)

[摘要]基坑工程的设计应该从强度控制设计向变形控制设计转变,才能满足日益严格的环境要求。同时,基坑工程

的设计与施工紧密结合是基坑工程的必然趋势。本调基坑工程的设计参数应该通过现场反分析求得。

[关键词]地下工程;基坑工程;变形控制设计;时空效应;土压力;信息化施工;反分析[中图分类号]TU 75311

[文献标识码]A 　　　[文章编号]100228498(2000)0120005203

Severa l V iews on the D evelopm en t of Urban Founda tion W ork

HOU Xue 2yua n 　L I U G uo 2b in 　HUANG Yua n 2x iong

(S ubstructu re E ng ineering D ep art m ent ,T ongj i U niversity ,S hang hai 　200092)

Abstract :T he design of foundati on w o rk shall be converted from strength 2con tro l m ode to defo r m ati on 2con tro l m ode in o rder to m eet the increasingly strict environm en tal dem ands .M eanw h ile ,the clo se com b i 2nati on of design and con structi on is an inevitab le trend fo r the foundati on w o rk .T h is paper em phasizes the design param eters in the foundati on w o rk due to be sough t by reverse analysis on site .

Key words :underground con structi on ;foundati on p it excavati on ;defo r m ati on 2con tro l design ;ti m e 2sp ace ef 2fect ;so il p ressu re ;info r m ati onalized con structi on ;reverse analysis

1　引言

城市建设的发展,带动地下空间的发展,目前各类用途的地下空间已在世界各大中城市中得到开发利用,诸如地下停车库、地下街道、地下商城、地下医院、地下仓库、地下民防工事以及多种地下民用和工业设施等。同时,地下工程建设项目的数量和规模迅速增大,如高层建筑物基坑、大型管道的深沟槽、越江隧道的暗埋矩形段及地铁工程中的车站深基坑等。这些地下空间的建设,多采用费用低廉、施工方便的明图1　城市基坑典型剖面

挖法,由此而产生了大量深基坑工程,其规模和深度不断加大,且城市基坑工程往往处于房屋和生命线工程的密集地区。图1是典型的城市基坑工程的示意图。在基坑的周围不仅有已建房屋或地铁隧道,而且有供水或供气管。90年代以来,基坑工程的设计理论和施工技术日益进步,不但涌现了多种符合我国国情的实用的基坑支护方法,而且使得基坑工程的设计理论、计算方法得到不断改进,施工工艺取得长足

的进步。基坑工程的设计规范也有一定的发展。但如果应用现有基坑工程的设计理论(强度控制设计)和常规施工技术难以达到保护基坑周围的环境要求。因此城市基坑工程,特别是软土地区的城市基坑工程正在对基坑工程的设计理论和施工技术提出严峻的挑战。

2　从强度控制设计到变形控制设计

基坑工程周边的建筑物或地下管线或隧道的抵抗变形及不均匀变形的能力是有一定的限度。如当基坑紧邻地铁隧道(地铁隧道要求绝对变形不能超过20mm ,曲率必须小于

1 15000)时,单纯保证基坑稳定远不能满足如此严格的隧道

变形要求。但在现有的基坑围护结构设计中,主要以保证基坑稳定为目的,只要强度满足即可,即设计由强度控制,较少会注意如何减少对周围环境的影响。多年在软土地区的基坑工程实践中发现由于地下施工引起地层变形而损坏地面建筑或地下管线的现象经常出现,往往引起严重后果,而基坑支护结构尚无破坏迹象,因此,基坑支护结构除满足强度要求外,还需满足变形要求。

现有的基坑支护结构的内力变形计算的方法很多,如等值梁法、连续介质有限元法以及弹性地基杆系有限元法等

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为了保护这些已建建(构)筑物的正常使用和安全运营,常需把因基坑工程引起的周围地层移动在一定的变形值之内,也即分别要求挡土结构的水平位移及其邻近地层的垂直沉降在某标准值之内,甚至也墙体垂直沉降和地层的水平位移值满足周围环境要求。根据基坑工程周围环境保护要求,将基坑变形控制标准分为4个保护等级[1]。因此,基坑工程的设计应从强度控制设计转变为变形控制设计。应按变形控制设计基坑的内力与变形,需从以下几个方面加以研究:

(1)寻找一种能准确计算支护结构位移的基坑工程设计方法。这是问题的关键。

(2)寻找能准确计算基坑周围土体位移场(包括垂直沉降场和水平位移场)的计算方法。

(3)寻找一种能准确计算基坑开挖面以下任意深度的土体回弹量,即回弹变形场。

3　基坑工程的设计与施工紧密结合是必然的趋势

311　基坑工程的设计与施工的严重脱离

现有的基坑工程的设计与施工的严重脱离,一方面,基坑的设计计算工况不能切实可行地反映基坑的施工,另一方面,目前的基坑工程的设计并未真正深入到施工组织设计中去,设计人员只是按常规假设工况进行计算,而不管施工的具体工况是否与设计一致。因而造成基坑施工过程中土方开挖和支撑加设的随意性,从而使得绝大多数工程的设计计算工况与实际工况严重不符,加剧了计算的内力、变形与实测的内力、变形的不一致。众所周知,在数值计算过程中,如果能提高10%的精度,从数学的角度看,无疑是一个不菲的进步。但施工的随意性可使任何一个即使是完美无缺的计算变得毫无精度可言。312　未正确处理内支撑体系的局部平衡与整体平衡的问题钢筋混凝土水平封闭框架(环梁)支撑体系在现浇钢筋混凝土封闭框架达到强度后,可具有较高的整体刚度和稳定性,变形的可靠度高,对基坑周围的管线和环境能起到很好的保护作用,目前在软土深基坑中显示出独特的优点。

在设计中,钢筋混凝土水平封闭框架内支撑体系是按平面框架结构设计的,是考虑封闭框架结构,一次性地计算框架的内力和位移。从表面上看,只要满足整体平衡与强度要求,则上面的计算方法便完美无缺。其实不然,在实际工程的施工过程中,现浇钢筋混凝土框架是分段分部浇筑的,没有形成之前,就已进行开挖。如果钢筋混凝土封闭框架体系的局部平衡不能满足要求,无疑会造成严重工程事故。因此,在支护结构的设计中,不但要验算钢筋混凝土水平封闭框架的整体平衡,同时还要确保该框架体系的局部平衡。只有这样,才能保证万无一失。对于非一次性形成封闭框架的支撑体系均应注意到这一点。

313　设计与施工紧密结合是必然的趋势

要解决目前基坑工程的设计与施工严重脱节的局面,可采用考虑时空效应的基坑工程施工方法。该方法是考虑时空效应,科学地利用土体自身控制地层位移的潜力,以解决软土深基坑稳定和变形问题的基本对策,以此为指导思想,形成基坑工程的设计和施工方法。这种方法的主要特点是设计与施工密切结合,在设计和施工中,定量地计算及考虑时空效应的基坑开挖和支撑的施工因素对基坑在开挖中的内力和变形的实际影响,并以科学的施工工艺,有效地控制基坑的变形。

其主要内容是:根据基坑工程设计所选定的主要施工参数,按基坑规模、几何尺寸、支撑形式、开挖深度和地基加固条件,提出详细的可操作的开挖与支撑的施工程序及施工参数。开挖与支撑的施工工序基本是按分层、分步、对称、平衡的原则而制定的,最主要的施工参数是分层开挖的层数、每层开挖深度,以及每层开挖中基坑挡墙被动区土体开挖后、挡墙未支撑前的暴露时间和暴露的宽度及高度。大面积不规则形状的高层建筑深基坑中,基坑挡墙被动区土体在基坑中间部分地层先开挖的过程中,被保留成支承挡墙的土堤,此土堤断面尺寸按其能抵住挡墙的要求而定,亦为主要设计参数。严格按选定的施工程序和施工参数施工,就使复杂多变的施工因素变为较明确而有规律性的施工因素,其引发的时空效应也能较符合设计预期的要求。现在地铁车站深基坑和高层建筑地下室深基坑工程中,凡对基坑变形控制要求较高者,在建筑施工单位的群体的创造性的实践中,已基本按此做法施工并取得优良的预期效果。在长条形地铁车站深基坑中,基坑开挖和支撑的施工技术要点是:按一定长度分段开挖和浇筑结构,在每段开挖中再分层、每层分小段地开挖和支撑,随挖随撑,施加支撑预应力,完成每小段的开挖和支撑的施工时间在一定范围之内。在不规则的大型高层建筑地下室的基坑施工中,采用分层盆式开挖法,在每一层先挖中间部分并安装或浇筑此范围的支撑,而后将各根支撑两端

6施工技术第29卷

所留支承挡墙的土提,分步、对称地挖除并即安装或浇筑其间顶住挡墙的部份支撑。每个分步的开挖和支撑施工时间,根据支撑形式等具体情况,具有明确的控制值。各种形式的基坑均优先考虑以井点降水法改善土性,减小土的流变变形。

314　采用信息化施工

基坑工程的风险性很大,而现场监测既是及时指导正确施工、避免事故发生的必要措施,又是检验设计理论的正确性和发展设计理论的重要手段。科研工作者应该深入到基坑工程的施工一线中去,取得第一手资料,来确定和优化设计和施工参数。基坑工程是实践性很强的学科,现场的大量监测资料如果不配以相应的施工工况,那么现场监测仅达到了指导施工的目的,而对检验和发展设计理论毫无益处。

4　计算参数的取值必须考虑施工因素的影响

现有基坑工程设计规范中,对计算参数(如被动区水平抗力系数)的取值往往是给定一个区间值,而且这一区间很大,因而工程设计人员在取值时,具有很大的随意性和经验性。不同的工程设计人员,即使都按同一设计规范选用设计参数的量值,但计算出的墙体变形肯定千差万别,相差可达一倍以上,然而某一工况下的墙体变形只有一个。因此,如果要做到精确预测变形的话,就必须做到从现场反分析来确定设计参数,也就是说,要考虑到施工因素对设计参数的影响。

这里以基坑工程设计中的一个重要参数——土体的水平抗力系数K h 为例来说明。由于受到众多因素的影响,准确取值很困难,如果按经验取值,很难有满意的结果。为了获得准确的土体水平抗力系数,我们进行了大量的现场试验,建立了能考虑包括施工条件在内的各种复杂因素的K h 值计算方法。

在基坑开挖过程中,由于软土的流变性及开挖方式的差异性,被动区土压力以及水平抗力系数K h 值都是在变化的。

图2(a )、

(b )列举的是地铁1号线徐家汇车站27线东西被动区实测土压力随时间的变化;(c )是商品交易大厦被动区土压力的实测值,由图2可知:被动土压力是变化的。

图2　被动土压力随时间的变化

因此,K h 与开挖时间、空间、地质条件和加固条件等密切相关,是基坑开挖时间、空间、地层土性条件、加固条件、环境条件等的函数。为便于工程应用,采用一等效的水平抗力系数K h 来综合反映土体抵抗变形的能力,能考虑土体的粘、弹、塑性及包括施工因数在内的各种影响系数。通过现场试验实测资料的整理并结合程序反分析、理论研究,建立了被动抗力K h 的计算方法。

该计算方法的正确性已在大量的工程实践中得到证实,作为反映基坑变形总体效应的等效土体水平抗力系数K h 的变化规律的研究,其目的在于为基于现场信息反馈和时空效应法施工的基坑支护结构设计提供一个能反映现场施工实际的参数,从而根据现场反馈信息,及时调整施工参数,达到控制基坑变形,保护周围环境的目的。

等效土体水平抗力系数K h 值与开挖的空间位置、一次开挖土体宽度及高度、无撑暴露时间等之间的函数关系已经建立,并已应用到支护结构设计软件。

岩土工程由于自然界岩土材料的地域性、多相性和不均性,故较难寻找一个理论的本构关系来模拟强度和变形全过程性能,采用室内土工试验参数的常规正分析难以符合客观工程反映,需要很长的时间(也可能至无穷大)才会逐步接近工程实际,我们提倡一条反分析的道路,即利用现场测试的基坑变形数据,来反分析出土性综合系数,以作为工程设计的依据而进行正分析变形预测,这是一条“理论导向,量测定量,经验判断”的理论与实际相结合的道路。

5　重视工程实践

基坑工程开挖与支护是地下工程施工中极其丰富而富于变化的领域,包含土力学强度与稳定问题,位移变形问题,土与支护结构相互作用问题以及环境岩土工程问题。基坑工程具有很强的区域性和显著的个性。

在以往的研究中,习惯于从理论到实践、从试验室到实际工程,这样一条研究方法,往往把实际工程作为验证理论推导成果、试验室试验成果的辅证。在基坑工程中,这并不是理论与实践结合的最佳形式。目前,基坑工程的计算理论几乎穷尽所有能利用的数学、力学方法,但由于岩土工程的复杂性以及其工程性质研究的滞后性,并不能较切合实际地解决设计与施工问题,还得从大量的原始积累开始。多年的基坑工程实践表明:实际工程是最好的原形试验,在试验室中无法考虑的诸多可变因素在实际工程中均得到了充分的反映。所以,应该用实际工程中积累得到的实测资料来建立新的设计施工理论或修正改进现有的基坑工程的设计理论,进一步提高设计参数的精度。

6　结论

城市地下空间的进一步开发和利用,需要基坑工程的设计与施工技术作为支撑,因而对基坑工程的设计理论和施工技术提出了严峻的挑战。为了达到保护城市基坑工程周围环境的要求,基坑工程的设计应从传统的强度控制设计转变为变形控制设计,基坑的设计与施工必须密切结合,采用考虑

时空效应的基坑施工方法。基坑工程中的主动土压力不是固定不变的,而是变化的。为了准确预测和计算基坑的变形,必须重视工程实践,提倡利用现场测试的资料来反分析基坑设计所需要的计算参数。参考文献:

[1]　刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M ].北京:中国

建筑工业出版社,1997.

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