結合中文文獻談基坑工程二三事

結合中文文獻談基坑工程二三事

[摘要]：文章結合中文文獻，簡要地從基坑工程計算理論的進步、施工方法的突破、操作機械的使用和新工程材料的發現4個方面，介紹了我國基坑工程在近20a來的發展情況，以期供同行參考，共勉。

0引言

近年來，我國逐漸形成一支“基坑工程”隊伍，大家從事的工作簡單地講，就是為祖國繁榮、社會進步和經濟發展，在想各種辦法“挖坑”，即“基坑”。規范JGJ120-2012中解釋，基坑是指：為進行建（構）筑物地下部分的施工由地面向下開挖出的空間。當然，這是學者們的儒雅說法，干基坑工作的同行都清楚，基坑就是巖土中挖的坑。既然是在巖土中挖坑，那么要干什么工作才能實現順利地挖坑。

古人講“治大國如烹小鮮”，那么搞基坑工程也只能算作一碟小菜了。如何做好一桌菜，大概分為“煎、烤、炒、炸；蒸、煮、燜、燉”這8個字。其實，搞基坑工程也就是“搞土”和“搞水”兩件事，大致概括為搞土 “撐、拉、錨、頂”；搞水“止、降、排、灌”8個字?；庸こ炭此坪唵?，實則受巖土自身情況的復雜性影響，基坑工程屬于一項跨學科、綜合性、高難度和高風險的工程。由于本人水平和知識有限，故下文借助中國知網，從往年發表的學術文獻中窺探時間在1996.01.31~2016.12.31這20a間，我國基坑工程的進展。

在中國知網高級檢索頁面，從“全文”欄目中檢索“基坑”兩字，結果如圖1所示。從圖1可看出，論文數量在1996~2004年期間，增長曲線平緩，表明這期間工程實踐與課題研究較少；2004~2014期間，論文增長曲線基本成陡變型上升，表明這期間工程實踐與學術研究爆發式的發展。該情況與我國高校土木工程學生擴招和房地產黃金發展期高度吻合。從2014年論文數量開始出現下滑趨勢，這一現象也符合從2014年房地產開始進入過剩期，去庫存階段（除一線和強二線城市）的基本國情。

從圖1可看出，近年來，發表的與基坑有關的論文多于10000篇/a，但眾所周知，如此多的論文中含有大量用來評職稱所撰寫的“湊數”論文，即所謂的“垃圾論文”。在中國知網高級檢索頁面，從“篇名”欄目中檢索“基坑”兩字，并設置按他引次數排序，結果如圖2所示。從圖2可看出，被引用次數較多的論文基本發表在三大“EI巖土期刊”和“EI土木期刊”上，且年份集中在1998~2001期間，論文作者基本為名校教授、院士和知名設計院技術領導、勘察設計大師等；論文內容基本涵蓋理論計算、數值分析、性狀研究和測試技術。

本人認為巖土工程能否進步，大致取決于計算理論、施工方法、操作機械和工程材料，這4個方面的新發現。因此，下文結合20a來的論文文獻，從上述4個方面，簡要地總結和分析深基坑工程的技術進展。

1 計算理論的進步

①“增量法”可考慮逐步加撐或加錨和逐步開挖過程的支護結構內力和位移計算，目前被設計計算普遍采用。②“地基反力法”可以考慮支撐軸力、墻體彎矩、土壓力等隨開挖過程的變化，能合理解釋結構剛度和土剛度的作用，目前地基反力法以 m 法應用最為廣泛。③“3D有限元”三維空間有限元研究了基坑開挖過程中圍護結構變形、土壓力的空間分布及基坑的幾何尺寸效應，目前在復雜基坑，以及地鐵周邊基坑工程，必須使用3D有限元計算，方可通過地鐵專家設計審查。④“極限平衡法”，基于地基承載力的概念或圓弧滑動法從基于極限平衡法研究基坑抗隆起穩定性。⑤“多塊體上限法”應用到飽和黏土基坑抗隆起穩定性分析。⑥“水土分算與合算”提出了在一定條件下“水土合算”可能有一定微觀基礎，提出了兩種算法的使用條件。⑦“考慮基坑寬度的計算”推導出考慮基坑寬度影響的抗傾覆、抗隆起穩定安全系數計算公式。⑧“圓環支撐剛度系數”提出了圓環支撐體系水平剛度系數的簡易計算方法，并給出了解析式的修正式。⑨“有效應力”粗粒土使用有效應力強度指標；對于黏性土一般采用固結不排水(CU)強度指標較為合理。⑩“土體硬化模型參數”土體硬化模型已成為基坑數值分析中最常用的本構模型之一，通過各種實驗獲得了軟土基坑工程數值分析中確定HS模型參數時的參考值。⑾“土拱效應”建立了考慮土拱效應的疏排樁支護基坑樁身內力和變形的計算模型。⑿“有限土體土壓力”明確了支護結構后有限土體土壓力的計算與取值方法，并寫入河南、北京等地方規范。

2施工方法的突破

20a年來，我國深基坑工程施工方法，取得了重大突破，如：⑴“深基坑時空間效應”在軟土地區，特別是靠近地鐵的基坑工程，均采用大坑劃分為若干小坑施工的方法，減少開挖對周邊環境的影響。⑵“樁間軟土和坑內被動區加固”在軟弱土地區采用攪拌樁或高壓旋噴樁等對樁間土體或坑內被動區加固，減小開挖變形。⑶“兩墻合一”支護墻兼做地下室外墻，節約材料、降低造價，特別是地鐵深基坑或緊貼地鐵的深基坑普遍采用。⑷“主體地下結構與支護結構相結合”在環境保護要求，工期進度要求高的工程常采用相結合的施工方法，上海華東院王衛東教授已經出版專著并寫入規范。⑸“承壓水五面隔滲”對承壓水水位較高地區，環境保護要求極高的工程，采用基坑四周隔斷地下水，坑底注漿或攪拌樁封底加固隔斷承壓水的措施。⑹“中心島順作、周邊環板逆作”對于超大型基坑工程，設置內支撐造價高昂，工期特長的情況，常采用該方法，在上海、南京等地較普遍。⑺“混凝土拱效應高抗壓性”主要在采用混凝土圓環、圓弧內支撐，充分發揮混凝土高抗壓性能和拱形受力較高的性能，在天津地區非常普遍，一個基坑六七個圓環相切的混凝土內支撐。⑻“中心施工、坑邊留土反壓”在天津地區常見，且天津大學鄭剛教授進行了很有價值的研究。⑼“SMW工法”技術已經成熟，且已經形成規范JGJT 199-2010 。⑽“PCMW工法”即攪拌樁內插預制樁的施工方法，在江蘇地區已普遍使用，南京工業大學黃廣龍教授研發出預制支護管樁和預制矩形支護樁，并形成江蘇省圖集和規范。⑽“HCMW”工法，采用水泥土樁內插預制工字型樁（現場后張法）的施工方法，在江蘇常州等地較多地使用。⑾“波浪形支護結構”采用預制半圓形樁，通過扣件連續形成波浪形支護結構，在水利工程河邊護岸工程較多地使用，個別基坑工程也采用。⑿“咬合樁施工方法”常見有鋼筋混凝土樁和素混凝土樁咬合，也有鋼筋混凝土樁和水泥土咬合等，該方法技術成熟，在昆明、合肥、南京等地均有采用。⒀“U形預制樁”該方法支護樁采用預制U形樁，通過扣件連接形成擋土結構，類似于拉森鋼板樁，在方法在江蘇鎮江等地已有使用。⒁“HUC組合鋼板樁”組合了拉森鋼板樁和H型鋼，剛度較大，江蘇等軟土地區已有使用。⒂“樁墻合一”支護灌注樁作地下室外墻的一部分，已在南京、上海等地采用。⒃“內支撐兼作棧橋”第一道混凝土內支撐兼作施工棧橋，全國大部分地區普遍采用。⒄“可回收錨桿”通過通電熔化錨固端頭的錨桿，在多個地區使用，技術較成熟。⒅“高壓旋噴錨樁”采用高壓旋噴形成的大直徑錨桿，即錨樁平衡土壓力，較傳統錨桿，施工更便捷，質量更可靠。⒆“長短樁組合法”在地層較好，為滿足支護結構嵌固要求，使用該方法，在山東等地采用。⒇“MJS工法”將硬化材料泥漿的配料直至加壓輸送、噴射、地層切削、混合、強制排泥、集中泥漿這一系列工序作為監控對象。是一種能進行水平地基加固和360°全方位地基加固的施工工法，對于周邊環境及地基擾動影響積極微??；能實施大深度地基加固及水面下的施工，并且可以選擇排泥場所。（21）“魚腹梁鋼支撐”采用預應力鋼絞線，通過鎖定在鋼圍檁上平衡土壓力，在全國多個地采用。（22）“裝配式組合H型鋼內支撐”通過組合多根H型鋼形成內支撐，在杭州、南京、南昌等地已使用。新型支護結構和支護方法較多，不再列舉，新型支撐亦很多，詳見圖3。

3 施工機械的發明

（1）TRD切割止水施工機械?？蛇_到60m深度的連續成墻施工，有效補充地下連續墻用于止水造價高昂的短板；（2）CSM雙輪銑止水施工機械?？傻?0m深，轉角容易，補充了TRD施工機械轉角難的不足，且造價較TRD低；（3）五軸攪拌樁止水施工機械。較三軸攪拌樁施工速度快，造價低；（4）六軸攪拌樁止水施工機械。施工速度快，造價較三軸低；（5）旋挖機。相比于傳統泥漿護壁鉆孔灌注樁，施工速度快，無泥漿污染；（6）超長螺旋鉆機。施工壓灌樁，相比于傳統鉆孔灌注樁，速度快，無泥漿污染，相比旋挖機，噪音??；（7）SH400C連續墻抓斗成槽機。成槽深度可達70m，對于一般建筑深基坑均能滿足要求。（8）鑿巖機。能夠較快地實現破除巖石，造價相對人工挖孔較低。（9）雙輪銑成槽機?？梢源┩钢酗L化巖層，形成超深地下連續墻。

4  工程材料的發現

（1）GFRP玻璃纖維。因該材料抗拉強度非常高，GFRP筋已經用于基坑支護，代替土釘中的鋼筋，，在支護樁中代替鋼筋使用，效果較好，在已南京地區應用。特別在地鐵盾構始發井和接收井，代替鋼筋，解決了盾構機難以切割的問題；（2）GS土體固化劑。又名地基加固特種砂漿，是一種新型的軟土增強加固材料，用于止水攪拌樁，強度可達3.0~5.0MPa，解決了軟土地區止水攪拌樁強度達不到1.0MPa，質、安監站驗收不通過的問題，在上海地區已較普遍地使用；（3）T63熱處理帶肋高強鋼筋。該鋼筋抗拉強度可達540~630MPa，解決了混凝土圍檁和混凝土棧橋配筋較多，節點處鋼筋綁扎困難的問題，且造價相比于III級鋼，可節約15%，在江蘇省較普遍地使用。

5結語

（1）通過20a來中文文獻的分析，從計算理論、施工方法、工程機械和工程材料，分析了我國現階段深基坑工程進展和技術能力。

（2）我國幅員遼闊，地質地貌區別很大，各地區施工經驗與方法不同，工程技術發展各異，本文僅僅從個人了解的知識，淺談基坑工程的粗淺認識。全文參考了楊光華、王衛東、鄭剛、黃茂松、黃廣龍、李廣信等諸多教授與學者的成果，謹此表示感謝！

（3）限于篇幅，文中所提內容的參考論文，未一一列出，感興趣的同仁可通過中國知網下載，詳閱。限于水平，不足之處，敬請指點與諒解！