基坑工程技术发展二十年_方潜生

自 20 世 纪 80 年 代 末 至 今，我 国 经 济 和 建 设 事 业飞速发 展，城 市 化 建 设 促 进 了 地 下 空 间 的 开 发， 地下工程日益增多。二十多年来我国在基坑工程 的分析理论、设计 方 法、施 工 技 术、监 测 手 段 等 方 面 都取得了长足的进步。基坑工程的规模由中小型 基坑发展到大型、超 深 基 坑； 运 用 范 围 则 从 建 筑、市 政工程拓展到桥梁、铁 路、地 铁 等 工 程； 发 展 区 域 也 从大城市向中、小 城 市 发 展。 著 名 建 筑 施 工 专 家 赵 志缙教 授 曾 说： “如 果 把 历 史 推 前 20 ～ 30 年，那 时 还没有‘基坑工 程 ’这 个 组 合 名 词 ”。 我 国 20 世 纪 中有关地下工程专 著 或 教 材 还 很 少 见，这 些 年 的 发 展已使基 坑 工 程 成 为 建 筑 和 岩 土 工 程 的 一 个 重 要 分支。住房 和 城 乡 建 设 部 颁 布 的 建 筑 业 十 项 新 技 术的几个版本中都 把 基 坑 工 程 置 于 首 位，也 显 见 基 坑工程在我国建筑业发展中的地位和作用。 1 我国基坑工程发展的两个阶段
目前地下水位以下的土压力计算有两个原则， 即： 水土分算的原则和水土合算的原则。但这也是 我国理论界和工程界争议较大的一个土力学问题。
水土分算即分 别 计 算 土 压 力 和 水 压 力，两 者 之 和即总的侧 压 力，这 一 原 则 对 于 粉 性 土、砂 土 和 碎 石土等类 土 没 有 异 议。 水 土 合 算 则 认 为 土 孔 隙 中 不存在自由 的 重 力 水，而 存 在 结 合 水，它 不 传 递 静 水压力，以 土 粒 与 孔 隙 水 共 同 组 成 的 土 体 作 为 对 象，直接用 土 的 饱 和 重 度 计 算 侧 压 力，这 一 原 则 适 用于不透水的黏性土。
Technology Development of Excavation Engineering of Our Country in Twenty Years
Ying Huiqing
（ College of Civil Engineering，Tongji Univer： This paper introduced concept and method evolution of excavation engineering of our country in twenty years and pointed out two problems about lateral earth pressure worthy of study． It also described development and present situation of soil nailing wall，gravity cement-soil wall，plate retaining structure and top-down method combined with the actual situation． Key words： underground； foundation excavation； lateral earth pressure； design； construction； topdown method
随着计算机技 术、有 限 元 分 析 方 法 以 及 商 用 软 件的推广，考 虑 基 坑 开 挖 过 程 中 的 多 种 因 素，例 如 作用在 支 护 结 构 上 水 土 压 力 的 变 化、模 拟 开 挖 过 程、土体和结构共 同 作 用 等 成 为 可 能。 继 而 在 基 坑 中开始采用平面弹 性 地 基 杆 系 有 限 元 法、空 间 有 限 元法等，这些方法都 能 较 好 地 解 决 上 述 工 程 实 际 问 题 ，使 分 析 更 为 精 细 化 ，并 可 考 虑 土 的 弹 塑 性 分 析 。
2012 年 10 月上
施工技术
第 41 卷 第 374 期
CONSTRUCTION TECHNOLOGY
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我国基坑工程技术发展二十年
应惠清
（ 同济大学土木工程学院，上海 200092）
［摘要］ 阐述了二十年来我国基坑工程设计理念和方 法 的 演 进，指 出 了 有 关 水 土 压 力 的 两 个 值 得 研 究 的 课 题 。 结
我国基 坑 工程 两 个 发 展 阶 段 的 重 要 标 志 是： ①第一阶段，在 2000 年前后颁布了一批有关基坑工 程的国家行业标准和地方 标 准，这 些 规 范 （ 规 程） 总 结了我国基坑工程前十年的研究成果和实践经验，
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施工技术
第 41 卷
也使以后基坑工程的设计 与 施 工“有 法 可 循”； ② 第 二阶段，在 2009 年颁布 了 国 家 标 准《建 筑 基 坑 工 程 监测技 术 规 范 》GB50497—2009，同 时，在 这 一 时 期 有关基坑工程的行业和地方规范普遍进行了全面 修订，它提 升 了 我 国 基 坑 工 程 新 的 经 验 和 成 果，也 总结了一些事故和教训。我国的基坑工程技术达 到了一个新的更高的水平。 2 基坑工程设计理念和方法的演进 2. 1 基坑工程设计理念的演变
基坑工程的“时 空 效 应 ”是 中 国 工 程 院 院 士 刘 建航提出的基坑设 计 施 工 基 本 原 理，对 指 导 基 坑 设 计与施工具有很 强 的 实 际 意 义。 简 言 之，基 坑 工 程 的“时空效 应 ”就 是 基 坑 支 护 结 构 的 变 形 和 周 边 地 层的变 形 随 时 间 推 移 而 发 展，也 因 开 挖 的 空 间 尺 度、开挖后 的 坑 底 暴 露 面 积 而 不 同，它 在 软 土 地 基 的条件下 尤 为 突 出，是 一 个 典 型 的 施 工 力 学 问 题。 根据“时空效应”的原理，工 程 界 总 结 出 土 方 开 挖 的 “分层、分块、对 称、平 衡、限 时 ”原 则 已 在 大 量 工 程 中得到贯彻，理论和 工 程 实 践 都 证 明 了 它 的 科 学 性 和有效性。
合 实 际 介 绍 了 土 钉 墙 、重 力 式 水 泥 土 墙 、板 式 支 护 结 构 等 支 护 结 构 和 逆 作 法 施 工 技 术 的 发 展 和 现 状 。
［关键词］ 地下工程； 基坑； 水土压力； 设计； 施工技术； 逆作法
［中图分类号］ TU753
［文献标识码］ A
［文章编号］ 1002-8498（ 2012） 19-0001-05
近二十多 年 来，我 国 社 会、经 济 和 建 设 事 业 高 速发展是基坑工 程 发 展 的 前 提。 与 此 同 时，结 构 工 程和岩土工程理 论 的 发 展，结 构、岩 土、材 料、施 工、
［收稿日期］ 2012-09 -20 ［作者简介］ 应惠清，教 授，博 士 生 导 师，E-mail： 13601988551 @ 163． com
此外，从 经 典 的 太 沙 基 （ Terzaghi ） 、普 朗 特 尔 （ Prandtl） 等理论至今，在 基 坑 整 体 稳 定 性 等 方 面 的 分析和计 算 也 在 实 践 中 得 到 不 断 发 展。 包 括 整 体 稳定性、抗 倾 覆 稳 定、坑 底 隆 起 稳 定 以 及 抗 承 压 水 稳 定 等 ，计 算 方 法 不 断 完 善 。
除了计算 方 法 的 发 展，近 年 来，信 息 化 设 计 和 施工也运用于基坑 工 程，在 基 坑 工 程 进 行 实 时 监 测 和反分析以及基坑 工 程 的 风 险 分 析 和 设 计，实 现 了 基坑的预测和预控。 2. 3 有关水土压力的两个值得研究的问题 2. 3. 1 水土压力的分算和合算
我国基坑 工 程 发 展 的 重 要 方 面 是 设 计 理 念 的 演变。早期 的 设 计 出 发 点 往 往 以 考 虑 地 下 工 程 施 工、为施工 创 造 条 件 为 主，设 计 中 一 般 考 虑 承 载 能 力极限状态，而 较 少 关 注 周 边 环 境 保 护，又 由 于 缺 乏设计规 范 指 导，工 程 设 计 与 施 工 或 以 经 验 为 主， 或以理论为主。如今基坑工程的设计首先考虑环 境保护，设 计 不 仅 满 足 承 载 能 力 极 限 状 态，而 且 满 足正常使用极限 状 态，即 满 足 环 境 保 护 要 求。 作 为 经验科学的基坑工 程 在 设 计 和 施 工 中 必 须 坚 持“理 论 和 经 验 相 结 合 ”。 2. 2 基坑工程设计方法的发展
信息等多学科的结 合，计 算 技 术 的 发 展 和 应 用 以 及 新材料、新工艺、新 设 备、新 技 术 的 开 发 为 基 坑 工 程 发展奠定了坚实的基础。
我国在基 坑 工 程 技 术 近 二 十 年 的 发 展 历 程 大 略可分为两个阶段。第一阶段是 20 世纪 80 年代末 到 90 年 代 末，这 是 一 个 研 究、探 索 阶 段。这 一 时 期 我国开始了一个城 市 建 设 高 潮，大 城 市 的 土 地 日 趋 紧张，开始 地 下 空 间 的 开 发 和 利 用，涌 现 了 大 量 地 下工程。而之前的 基 坑 一 般 规 模 较 小，多 为 房 屋 建 筑的基础、地 下 室 或 城 市 市 政 管 沟 基 槽，工 程 界 尚 缺乏大型深基坑 的 设 计 与 施 工 经 验。 于 是 北 京、上 海、深圳、广 州 等 大 城 市 的 工 程 技 术 人 员 率 先 开 始 进行研究、探索和大量工程实践。第二阶段是 21 世 纪初的十年，这是 基 坑 工 程 技 术 的 发 展 阶 段。 这 十 年中，基坑工程的设 计 理 论 和 施 工 技 术 得 到 了 进 一 步的发展和 提 升，并 开 始 进 行 实 时 的 施 工 监 测，以 信息化指导设计和 施 工，并 研 究 开 发 了 基 坑 设 计 施 工 的 反 分 析 、环 境 控 制 及 风 险 防 范 系 统 和 应 用 软 件 。
早期的基 坑 支 护 结 构 设 计 主 要 依 据 古 典 的 土 力学原理，采 用 静 力 平 衡 的 解 析 法，古 典 方 法 主 要 有： 卜鲁姆（ H． Blum） 的极限平衡法、求解入土深度 的盾恩法、考虑板桩 或 支 撑 合 理 受 力 的 等 弯 矩 法 及 等反力法等，这些古 典 方 法 解 决 了 一 些 基 坑 的 基 本 问题，但计 算 仅 限 于 力 的 平 衡，较 少 考 虑 实 际 施 工 工况，采用这些计算 方 法 所 得 到 的 计 算 结 果 用 于 基 坑支护结 构 分 析 时，内 力 与 实 际 情 况 的 误 差 较 大， 难以反映复杂地下 工 程 的 施 工 工 况，一 般 只 适 用 于 小型的简 单 基 坑。之 后 提 出 了 一 种 近 似 计 算 方 法———等值梁法，它 与 实 际 吻 合 度 较 好，计 算 方 法 简单，在工 程 中 逐 渐 广 泛 运 用，并 在 单 支 点 等 值 梁 计算法的基 础 上，通 过 适 当 假 定，形 成 了 多 支 点 板 桩墙的计算模式，使 之 成 为 当 时 基 坑 设 计 常 用 的 方 法。在基坑支护结 构 日 趋 复 杂 的 情 况 下，需 要 进 行 不同工况的分析，于 是 就 提 出 了 考 虑 施 工 工 况 的 设 计方法，但 至 此 为 止，基 坑 设 计 仍 是 以 力 平 衡 的 解 析法为主，无法进 行 变 形 分 析。 进 一 步 的 发 展 则 是 弹性基床系数法。在水平基础梁的弹性地基梁分 析 方 法 解 决 地 基 、基 础 梁 两 者 的 力 -变 形 关 系 的 基 础 上，提出将 支 护 结 构 看 作 一 竖 向 放 置 的 梁，采 用 与 水平基础梁分析相 同 的 方 法，形 成 了 竖 向 弹 性 地 基 梁法（ 竖向弹性支点法） ，以 后 被 我 国 有 关 基 坑 设 计 的规范 采 纳，它 较 好 地 解 决 了 力 和 变 形 的 计 算 问 题，成为目 前 设 计 的 主 要 方 法 之 一，也 是 我 国 基 坑 工程现行规范推荐的主要计算方法。