6-2 基坑工程

6-2基坑工程近年来我国随着经济建设和城市建设的快速发展，地下工程愈来愈多。高层建筑的多层地下室、地铁车站、地下车库、地下商场、地下仓库和地下人防工程等施工时都需开挖较深的基坑，有的高层建筑多层地下室平面面积达数万平方米，深度有的达26.68m，施工难度较大。大量深基坑工程的出现，促进了设计计算理论的提高和施工工艺的发展，通过大量的工程实践和科学研究，逐步形成了基坑工程这一新的学科，它涉及多个学科，是土木工程领域内目前发展最迅速的学科之一，也是工程实践要求最迫切的学科之一。对基坑工程进行正确的设计和施工，能带来巨大的经济和社会效益，对加快工程进度和保护周围环境能发挥重要作用。6-2-1基坑工程的内容基坑开挖的施工工艺一般有两种：放坡开挖（无支护开挖）和在支护体系保护下开挖（有支护开挖）。前者既简单又经济，在空旷地区或周围环境允许时能保证边坡稳定的条件下应优先选用。但是在城市中心地带、建筑物稠密地区，往往不具备放坡开挖的条件。因为放坡开挖需要基坑平面以外有足够的空间供放坡之用，如在此空间内存在邻近建（构）筑物基础、地下管线、运输道路等，都不允许放坡，此时就只能采用在支护结构保护下进行垂直开挖的施工方法。对支护结构的要求，一方面是创造条件便于基坑土方的开挖，但在建（构）筑物稠密地区更重要的是保护周围的环境。基坑土方的开挖是基坑工程的一个重要内容，基坑土方如何组织开挖，不但影响工期、造价，而且还影响支护结构的安全和变形值，直接影响环境的保护。为此，对较大的基坑工程一定要编制较详细的土方工程的施工方案，确定挖土机械、挖土的工况、挖土的顺序、土方外运方法等。在软土地区地下水位往往较高，采用的支护结构一般要求降水或挡水。在开挖基坑土方过程中坑外的地下水在支护结构阻挡下，一般不会进入坑内，但如土质含水量过高、土质松软，挖土机械下坑挖土和浇筑围护墙的支撑有一定困难。此外，在围护墙的被动土压力区，通过降低地下水位还可使土体产生固结，有利于提高被动土压力，减少支护结构的变形。所以在软土地区对深度较大的大型基坑，在坑内都进行降低地下水位，以便利基坑土方开挖和有利于保护环境。支护结构的计算理论和计算手段，近年虽有很大提高，但由于影响支护结构的因素众多，土质的物理力学性能、计算假定、土方开挖方式、降水质量、气候因素等都对其产生影响。因此其内力和变形的计算值和实测值往往存在一定差距。为有利于信息化施工，在基坑土方开挖过程中，随时掌握支护结构内力和变形的发展情况、地下水位的变化、基坑周围保护对象（邻近的地下管线、建筑物基础、运输道路等）的变形情况，对重要的基坑工程都要进行工程监测，它亦成为基坑工程的内容之一。为此，基坑工程包括勘测；支护结构的设计和施工；基坑土方工程的开挖和运输；控制地下水位；基坑土方开挖过程中的工程监测和环境保护等。6-2-2基坑工程的设计原则与基坑安全等级6-2-2-1基坑支护结构的极限状态根据中华人民共和国行业标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99的规定，基坑支护结构应采用以分项系数表示的极限状态设计方法进行设计。基坑支护结构的极限状态，可以分为下列两类：1．承载能力极限状态这种极限状态，对应于支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大变形导致支护结构或基坑周边环境破坏。2．正常使用极限状态这种极限状态，对应于支护结构的变形已妨碍地下结构施工，或影响基坑周边环境的正常使用功能。基坑支护结构均应进行承载能力极限状态的计算，对于安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，尚应对基坑周边环境及支护结构变形进行验算。6-2-2-2基坑支护结构的安全等级《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99规定，其坑侧壁的安全等级分为三级，不同等级采用相对应的重要性系数γ，基坑侧壁的安全等级分级如表6-64所示。基坑侧壁安全等级及重要性系数表6-64安全等级破坏后果重要性系数γ0一级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响很严重1.10二级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响一般1.00三级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响不严重0.90注：有特殊要求的建筑基坑侧壁安全等级可根据具体情况另行确定。支护结构设计，应考虑其结构水平变形、地下水的变化对周边环境的水平与竖向变形的影响。对于安全等级为一级的和对周边环境变形有限定要求的二级建筑基坑侧壁，应根据周边环境的重要性，对变形适应能力和土的性质等因素，确定支护结构的水平变形限值。当地下水位较高时，应根据基坑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形式等因素，确定地下水的控制方法。当基坑周围有地表水汇流、排泄或地下水管渗漏时，应妥善对基坑采取保护措施。对于安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，应对基坑周边环境及支护结构变形进行验算。基坑工程分级的标准，各种规范和各地也不尽相同，各地区、各城市根据自己的特点和要求作了相应的规定，以便于进行岩土勘察、支护结构设计、审查基坑工程施工方案等用。《建筑地基基础工程施工质量验收规范》GB50202-2002对基坑分级和变形监控值作如下规定：基坑变形的监控值（cm）表6-65基坑类别围护结构墙顶位移监控值围护结构墙体最大位移监控值地面最大沉降监控值一级基坑353二级基坑686三级基坑81010注：1．符合下列情况之一，为一级基坑：（1）重要工程或支护结构做主体结构的一部分；（2）开挖深度大于10m；（3）与临近建筑物、重要设施的距离在开挖深度以内的基坑；（4）基坑范围内有历史文物、近代优秀建筑、重要管线等需严加保护的基坑。2．三级基坑为开挖深度小于7m，周围环境无特别要求的基坑。3．除一级和三级外的基坑属二级基坑。4．与周围已有的设施有特殊要求时，尚应符合这些要求。位于地铁、隧道等大型地下设施安全保护区范围内的基坑工程，以及城市生命线工程或对位移有特殊要求的精密仪器使用场所附近的基坑工程，应遵照有关的专门文件或规定执行。6-2-3基坑工程勘察为了正确地进行支护结构设计和合理地组织施工，在进行支护结构设计之前。需要对影响基坑支护结构设计和施工的基础资料，全面地进行收集，并加以深入了解和分析，以便其能很好地为基坑支护结构的设计和施工服务。在进行支护结构设计之前，主要需要收集下面三方面的资料；工程地质和水文地质资料；场地周围环境及地下管线状况；地下结构设计资料。现分述如下。6-2-3-1岩土勘察基坑工程的岩土勘察一般不单独进行，应与主体建筑的地基勘察同时进行。在制定地基勘察方案时，除满足主体建筑设计要求外，亦应同时满足基坑工程设计和施工要求，因此，宜统一布置勘察要求。如果已经有了勘察资料，但其不能满足基坑工程设计和施工要求时，宜再进行补充勘察。基坑工程的岩土勘察一般应提供下列资料：1．场地土层的成因类型、结构特点、土层性质及夹砂情况；2．基坑及围护墙边界附近，场地填土、暗洪、古河道及地下障碍物等不良地质现象的分布范围与深度，并表明其对基坑的影响；3．场地浅层潜水和坑底深部承压水的埋藏情况、土层的渗流特性及产生管涌、流砂的可能性；4．支护结构设计和施工所需的土、水等参数。岩土勘察测试的土工参数，应根据基坑等级、支护结构类型、基坑工程的设计和施工要求而定，一般基坑工程设计和施工要求提供的勘探资料和土工参数见表6-66。基坑工程设计和施工所需的勘探资料和土工参数表6-66标高（m）压缩指数Cc深度（m）固结系数Cv层厚（m）回弹系数Cs土的名称超固结比OCR土天然重度γc（kN/m3）内摩擦角φ（°）天然含水量w（%）粘聚力c（kPa）液限wL（%）总应力抗剪强度塑限wP（%）有效抗剪强度塑性指数IP无侧限抗压强度qu（kPa）孔隙比e十字板抗剪强度cu（kPa）不均匀系数（d60/d10）渗透系数（cm/s）水平kh压缩模量Es（MPa）垂直kv对特殊的不良土层，尚需查明其膨胀性、湿陷性、触变性、冻胀性、液化势等参数。在基坑范围内土层夹砂变化较复杂时，宜采用现场抽水试验方法，测定土层的渗透系数。内摩擦角和粘聚力，宜采用直剪固结快剪试验取得，要提供峰值和平均值。总应力抗剪强度（φcu、ccu）、有效抗剪强度（φ'、c'），宜采用三轴固结不排水剪试验、直剪慢剪试验取得。当支护结构设计需要时，还可采用专门原位测试方法，测定设计所需的基床系数等参数。基坑范围及附近的地下水位情况，对基坑工程设计和施工有直接影响，尤其在软土地区和附近有水体时。为此在进行岩土勘察时，应提供下列数据和情况：1．地下各含水层的视见水位和静止水位；2．地下各土层中水的补给情况和动态变化情况，与附近水体的连通情况；3．基坑坑底以下承压水的水头高度和含水层的界面；4．当地下水对支护结构有腐蚀性影响时，应查明污染源及地下水流向。地下障碍物的勘察，对基坑工程的顺利进行十分重要。在基坑开挖之前，要弄清基坑范围内和围护墙附近地下障碍的性质、规模、埋深等，以便采用适当措施加以处理。勘察重点内容如下：1．是否存在旧建（构）筑物的基础和桩；2．是否存在废弃的地下室、水池、设备基础、人防工程、废井、驳岸等；3．是否存在厚度较大的工业垃圾和建筑垃圾。6-2-3-2周围环境勘察基坑开挖带来的水平位移和地层沉降会影响周围邻近建（构）筑物、道路和地下管线，该影响如果超过一定范围，则会影响正常使用或带来较严重的后果。所以基坑工程设计和施工，一定要采用措施保护周围环境，使该影响限制在允许范围内。为限制基坑施工的影响，在施工前要对周围环境进行应有的调查，做到心中有数，以便采取针对性的有效措施。1．基坑周围邻近建（构）筑物状况调查在大中城市建筑物稠密地区进行基坑工程施工，宜对下述内容进行调查：（1）周围建（构）筑物的分布，及其与基坑边线的距离；（2）周围建（构）筑物的上部结构形式、基础结构及埋深、有无桩基和对沉降差异的敏感程度，需要时要收集和参阅有关的设计图纸；（3）周围建筑物是否属于历史文物或近代优秀建筑，或对使用有特殊严格的要求；（4）如周围建（构）筑物在基坑开挖之前已经存在倾斜、裂缝、使用不正常等情况，需通过拍片、绘图等手段收集有关资料。必要时要请有资质的单位事先进行分析鉴定。2．基坑周围地下管线状况调查在大中城市进行基坑工程施工，基坑周围的主要管线为煤气、上水、下水和电缆。（1）煤气管道。应调查掌握下述内容：与基坑的相对位置、埋深、管径、管内压力、接头构造、管材、每个管节长度、埋设年代等。煤气管的管材一般为钢管和铸铁管，管节长度约4~6m，管径常用100、150、200、250、300、400、500mm。铸铁管接头构造为承插连接、法兰连接和机械连接；钢管多为焊接或法兰连接。（2）上水管道。应调查掌握下述内容：与基坑的相对位置、埋深、管径、管材、管节长度、接头构造、管内水压、埋设年代等。上水管常用的管材有铸铁管、钢筋混凝土管和钢管，管节长度约3~5m，管径为100~2000mm。铸铁管接头多为承插式接头和法兰接头；钢筋混凝土管多为承插式接头；钢管多用焊接。（3）下水管道。应调查掌握下述内容：与基坑的相对位置、管径、埋深、管材、管内水压、管节长度、基础形式、接头构造、窨井间距等。下水管道多用预制钢筋混凝土管，其接头有承插式、企口式、平口式等，管径为300~2400mm。（4）电缆。电缆种类很多，有高压电缆、通讯电缆、照明电缆、防御设备电缆等。有的放在电缆沟内，有的架空。有的用共同沟，多种电缆放在一起。电缆有普通电缆与光缆之分，光缆的要求更高。对电缆应通过调查掌握下述内容：与基坑的相对位置、埋深（或架空高度）、规格型号、使用要求、保护装置等。3．基坑周围邻近的地下构筑物及设施的调查如基坑周围邻近有地铁隧道、地铁车站、地下车库、地下商场、地下通道、人防、管线共同沟等，亦应调查其与基坑的相对位置、埋设深度、基础形式与结构形式、对变形与沉降的敏感程度等。这些地下构筑物及设施往往有较高的要求，进行邻近深基坑施工时要采取有效措施。4．周围道路状况调查在城市繁华地区进行基坑工程，邻近常有道路。这些道路的重要性不