基坑工程现状和发展

基坑工程和现场监测的现状和发展

1 基坑工程现状

随着城市建设的发展,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,诸如高层建筑多层地下室、地下铁道及地下车站、地下停车库地下街道、地下商场、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。近 20年是我国城市基坑工程发展最为迅猛的时期,针对城市地区用地紧张和地价昂贵的状况,开发商总是设法提高土地的空间利用效益。由于向上伸展受到容积率的限制,因而加大对地下空间的利用则成为有效的选择。深基坑开挖与支护技术得到了前所未有的发展和推进。

目前常见的深基坑支护类型:

1)钢板桩支护

钢板桩由带锁口或钳口的热轧型钢制成,把这种钢板桩互相连接就形成钢板桩墙,被广泛应用于挡土和挡水。目前钢板桩常用的截面形式有U形、Z形和直腹板型。钢板桩由于施工简单而应用较广。

2)深层搅拌支护

深层搅拌支护是利用水泥作为固化剂,采用机械搅拌,将固化剂和软土剂强制拌和,使固化剂和软土剂之间产生一系列物理化学反应而逐步硬化,形成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土桩墙,作为支护结构。适用于淤泥、淤泥质土、粘土、粉质粘土、粉土、素填土等土层,基坑开挖深度不宜大于6m。对有机质土、泥炭质土,宜通过试验确定。

3)排桩支护

排桩支护是指柱列式间隔布置钢筋混凝土挖孔、钻(冲)孔灌注桩作为主要挡土结构的一种支护形式。柱列式间隔布置包括桩与桩之间有一定净距的疏排布置形式和桩与桩相切的密排布置形式。柱列式灌注桩作为挡土围护结构有很好的刚度,但各桩之间的联系差必须在桩顶浇注较大截面的钢筋混凝土帽梁加以可靠联接。

4)地下连续墙

地下连续墙具有整体刚度大的特点和良好的止水防渗效果,适用于地下水位以下的软粘土和砂土等多种地层条件和复杂的施工环境,尤其是基坑底面以下有深层软土需将墙体插入很深的情况,因此在国内外的地下工程中得到广泛的应用。并且随着技术的发展和施工方法及机械的改进,地下连续墙发展到既是基坑施工时的挡土围护结构,又是拟建主体结构的侧墙,如支撑得当,且配合正确的施工方法和措施,可较好地控制软土地层的变形。

5)土钉支护

土钉支护是用于土体开挖和边坡稳定的一种挡土技术,由于经济、可靠且施工快速简便,已在我国得到迅速推广和应用。

土钉支护的使用要求土体具有临时自稳能力,以便给出一定时间施工土钉墙,因此对土钉墙适用的地质条件应加以限制。

另外还有锚杆或喷锚支护、拱圈支护逆作法支护、悬臂桩支护方式、门式悬臂支护方式、内支撑支护工程和排桩+预应力锚索等。

深基坑支护技术虽已在全国不同地区、不同的地质条件下取得了

不少成功的经验,但现仍存在一些问题需进一步研究或提高,以适应现代化经济建设的需要。深基坑工程支护施工过程中常常存在的问题主要有以下几种:

1)土层开挖和边坡支护配合不当

a、常见支护施工滞后于土方开挖很长一段时间,而不得不采取二次回填或搭设架子来完成支护施工。

B、一般来说,土方开挖技术含量相对较低,工序简单,组织管理容易。而挡土支护的技术含量高,工序较多且复杂,施工组织和管理都较土方开挖复杂。

2)边坡修理达不到设计、规范要求

常存在超挖和欠挖现象。一般深基础在开挖时均使用机械开挖、人工简单修坡后即开始挡土支护的砼初喷工序。而在实际开挖时,由于施工管理不当,技术交底不充分,分层分段开挖高度不一,挖机操作手的操作水平等因素的影响,使机械开挖后的边坡表面平整度,顺直度不规则,而人工修理时不可能深度挖掘,只能就机挖表面作平整度修整,在没有严格检查验收就开始初喷,故出现挡土支付后出现超挖和欠挖现象。

3)土钉或锚杆受力不符合设计要求

a、深基坑支护所用土钉或锚杆钻孔直般为100~150的钻杆成孔,孔深少则五、六米,深则十几米,甚至二十多米,钻孔所穿过的土层质量也各不相同。钻孔如果不认真研究土体情况,往往造成出渣不尽,残渣沉积而影响注浆,有的甚至成孔困难、孔洞坍塌,无法插筋和注

浆。

b、注浆时配料随意性大、注浆管不插到位、注浆压力不够等而造成注浆长度不足、充盈度不够,而使土钉或锚杆的抗拔力达不到设计要求,影响工程质量,甚至要做再次处理。

4) 喷射砼厚度不够、强度达不到设计要求

基坑喷射砼常用的是干拌法喷射砼设备,其主要特点是设备简单、体积小,输送距离长,速凝剂可在进入喷射机前加入,操作方便,可连续喷射施工。虽然干喷法设备操作简单方便,但由于操作手的水平不同,操作方法和检查控制等手段不全,原材料质量控制不严、配料不准、养护不规范等因素,往往造成喷后砼的厚度不够、砼强度达不到设计要求。

5) 施工过程与设计的差异大

a、深层搅拌桩的水泥掺量常常不足,影响水泥土的强度。 b、在同样做法的支护中,发生水泥土裂缝,有时不是在受力最大的地段,检查结果表明:强度不足,地面施工堆载在局部位置往往要高于设计允许荷载。

c、施工质量与偷工减料的现象也并不少见。

6)设计与工程实际差异较大

a、深基坑支护由于其土压力与传统理论的挡土墙土压力有所不同,在目前没有完善的土压力理论指导下,通常仍沿用传统理论计算,因此有误差是正常的。

b、许多学者对此进行了许多研究,在传统理论土压力计算的基

础上结合必要的经验修正可以达到实用要求。

7)工程监理不规范

a、按规定高层建筑、重大市政等的深基坑是必须实行工程监理的,大多数事故工程都没有按规定实施工程监理,或者虽有监理而工作不规范,只管场内工程,不管场外影响,实行包括设计在内的全过程监理的就更少。

b、客观地说深基坑工程监理要求监理人员具有较高业务水平,在我国现阶段主要就支护结构工程质量、工期、进度进行监理,而设计监理尚有一定差距。

8 )施工监测不重视

a、主要是建设单位为省钱不安排施工监测,或者虽设置一些测点,数据不足,忽视坑边周边变形检测,或者不重视监测数据,形同虚设。

b、支护设计中没有监测方案,发生意外情况不能及时警报,事故发生后也不易分析原因,不利于事故的早期处理,省了小钱花大钱。

城市基坑工程通常处于已建房屋和城市生命线工程(如供水、 供气管道) 的密集地区,为了保护这些已建建筑物和构筑物的正常使用和安全运营,常需对基坑工程引起的周围地层移动限制在一定变形值之内,也即分别要求挡土结构的水平位移和其邻近地层的垂直沉降限制在某标准值之内,甚至也限制墙体垂直沉降和地层的水平移动值满足周围环境要求,以变形控制值来分成几类标准,用以设计基坑工程的方法正在完善,取代单纯验算强度和稳定性的传统做法,在软土地

区,变形在控制设计限值方面起着主导作用。

在基坑工程中, 由于地质、 水文、 荷载、 施工等条件以及外界其它各种因素的多种影响,现有的计算理论还不能全面准确地反映工程的各种复杂变化。只有在施工过程中进行综合、 系统的现场监测, 才能对支护结构和周围土体的力学性质进行全面的了解, 以确保工程的顺利进行。尤其对于软土地区的大中型工程,现场监测更为重要。

2 现场监测现状

大量高层建筑兴建带来大规模基坑工程,也使基坑工程事故不断,其中东南沿海开放城市占事故总数三分之一。主要表现为支护结构大位移与破坏,基坑塌方及大面积滑坡,基坑周围道路开裂与塌陷,相邻地下设施变位与破坏,临近建筑物开裂与倒塌,使国民经济与人民生命财产造成重大损失。对全国重大基坑事故调查与统计分析发现,任何一起基坑事故都与监测不力或险情预报不准直接有关。

与其它工程结构不同的是,基坑支护结构除需满足自身的强度要求和变形要求外,还必须满足受基坑工程影响的周围环境的变形要求 在软土地区后者的重要性往往不亚于前者。不少工程在支护结构尚未有破坏迹象的情况下,由于周围地层变形而损坏相邻建筑物或地下管线的现象时有发生,甚至引起严重后果。因而,从基坑支护结构及环境安全的整体考虑,工程中应根据理论计算,确定一系列变形和内力的预警指标以进行控制。预警指标包括静态指标和动态指标。

若要及时、准确地掌握基坑开挖中支护结构及环境的安全状态,

还必须依靠现场监测,将施工中实测的各项变形与内力的数据随时与预警指标相对照。一旦发现异常情况,就能及时采取措施对事态加以控制,防患于未然。相反,一些投资者出于经济或其它原因,忽略了基坑工程中的现场监测,从而导致工程事故的发生,这方面的教训也是惨痛的。所以为达到安全预警的目的,现场监测是非常必要的。

基坑工程的现场监测是基坑在开挖施工处理中,用科学仪器设备与手段对基坑支护结构本身与周边环境进行综合监测,一般包括以下对象:

(1)支护结构;

(2)相关的自然环境;

(3)施工工况;

(4)地下水状况;

(5)基坑底部及周围土体;

(6)周围建(构)筑物;

(7)周围地下管线及地下设施;

(8)周围重要的道路;

(9)其他应监测的对象。

基坑分为一级、二级和三级,具体分级如下:

(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,且周围环境无特别要求时的基坑。

(3)除一级和三级外的基坑属二级基坑。

目前基坑开展现场监测的主要是技术依据,没有明确的政府条文规定,主要的技术依据为GB50497-2009建筑基坑工程监测技术规范。建筑基坑工程现场监测除应符合本规范外,尚应符合国家现行有关标准的规定,有关的标准为:GB50026-2007《工程测量规范》、JGJ 8-2007《建筑变形测量规范》、GB 50308-1999《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》、GB50007-2002《建筑地基基础设计规范》、GB50202-2002《建筑地基基础工程施工质量验收规范》、JGJ120-99《建筑基坑支护技术规程》和一些地方技术规定。

基坑工程的现场监测应采用仪器监测与巡视检查相结合的方法。基坑工程仪器监测项目应根据下表进行选择:

建筑基坑工程仪器监测项目表

基坑工程整个施工期内,每天均应有专人进行巡视检查。基坑工程现场监测的频率及其它的技术要求主要依据GB50497-2009建筑基坑工程监测技术规范。

目前能够真正成功实施信息化施工的城市基坑项目并不多见。大多数的基坑监测工作只是起到了一些简单的反馈作用, 并不能最终使监测成果的反馈达到更深的层次。目前多数监测单位重视仪器埋设、 数据采集, 轻视数据分析和反馈, 仅仅满足于收集资料和提交数据、 报表, 进行简单分析, 判断是否超过控制值以报警, 不能结合施工和地质情况对监测成果进行充分、 深入的理论分析, 导致花费大量人力物力进行的监测工作不能真正发挥优化设计和及时反馈指导施工的作用。另外,基坑工程现场监测工作尚未得到各方面的足够重视,广西的基坑工程现场监测才刚刚起步,按监测规范进行监测的建设方很少,建设方为了节约成本,只请第三方进行一些简单的常规观测应付了事,甚至不少工程中仍只由施工单位进行一些简单的常规观测, 并未由专业人员实施专业监测。事故的隐患依然存在, 影响了基坑工程设计与施工水平的提高,所以应进一步增强对基坑工程的

现场监测。

3 基坑技术和现场监测的发展

1)基坑向着大深度、大面积方向发展,周边环境更加复杂,深基坑开挖与支护的难度愈来愈大。因此,从工期和造价的角度看两墙合一的逆作法将是今后发展的方向之一。

2)土钉支护方案的大量实施,使得喷射混凝土技术得以充分运用和发展。为减少喷射混凝土的回弹量以及保护环境,湿式喷射混凝土将逐步取代干式喷射混凝土。

3)在有支护的深基坑工程中,基坑开挖大多以人工挖土为主,效率不高。今后将研究开发小型、灵活、专用的地下挖土机械,以提高工效,加快施工进度,减少时间效应的影响。

4)为了减少基坑变形,通过施加预应力的方法控制变形将逐步被推广,另外采用深层搅拌或注浆技术对基坑底部或被动区土体进行加固,也将成为控制变形的有效手段。

5)为减小基坑工程带来的环境效应(如因降水引起的地面附加沉降),或出于保护地下水资源的需要,基坑将更多采用帷幕型支护。除地下连续墙外,一般采用旋喷桩或深层搅拌桩等工法构筑止水帷幕。目前,有将水利工程中防渗墙的工法引入到基坑工程中的趋势。

6)在软土地区,为避免基坑底部隆起,造成支护结构水平位移加大和邻近建(构)筑物下沉,可采用深层搅拌桩或注浆技术对基坑底部土体进行加固,可提高支护结构被动区土体的强度。

7)为进一步提高基坑工程的总体水平, 改进传统的设计方法,

实现信息化监控设计与施工将是必然趋势。而现场监测就成为贯穿于整个过程的必不可少的环节,它将在基坑工程中发挥更大的作用。

8)目前基坑监测停留在人工监测,尚不能做到实时监测,信息化施工受到限制,自动化监测以自动型 TCA系列全站仪为传感器,利用其自带的马达和通讯接口,配合自动监测软件,在计算机的控制下实施全自动的工作,实时的采集数据,分析数据和预测趋势,从而使监测工作的效率得到进一步的提高,真正实现信息化施工。基坑的自动化监测现在处在起步阶段,主要应用在地铁等重要基坑的施工监测中,随着自动化监测技术的发展和完善,必将得到更加广泛运用。 4 对深基坑工程现场监测的建议

1)建立专门的行政主管部门来监督管理,强调深基坑现场监测的重要性,制定深基坑现场监测工程管理规定,目前济南市、深圳市等已有自己的深基坑现场监测工程管理规定,使每个深基坑工程在施工期间都能做到实时监测,进行信息化施工,保证深基坑工程施工能安全、顺利的完成;

2)要严格执行国家有关的监测规范和条文,引导建设方对开挖深度超过5m、或开挖深度未超过5m但现场地质情况和周围环境较复杂的基坑工程均应实施基坑工程监测;

3)监测单位应当同时具备岩土工程和测绘资质。监测单位不得与深基坑工程的施工单位有隶属关系。监测人员应统一经过专业培训,具备执业资格;

4)建筑基坑工程设计阶段应由设计方根据工程现场及基坑设计

的具体情况,提出基坑工程监测的技术要求,主要包括监测项目、测点位置、监测频率和监测报警值等。

5)基坑工程施工前,应由建设方委托具备相应资质的第三方对基坑工程实施现场监测。监测单位应编制监测方案。监测方案应经建设、设计、监理等单位认可,必要时还需与市政道路、地下管线、人防等有关部门协商一致后方可实施。


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