深基坑的发展概况和展望

深基坑的发展概况和展望
概述
基坑工程学是涉及地质、土力学和基础工程、结构力学、工程结构、施工机械和机械设备等的综合学科。

由于设计、施工和管理方面的不确定因素和周环境的多样性，使基坑工程成为一种风险性很大的特种工程。

我们只有在尊重科学的基础上，实事求是地适时地采用技术和管理措施，才能化险为夷，达到预想的目的。

关于基坑深浅问题，目前还有一个明确的定论。

派克（Peck）把大于6.1m的基坑看作是深基坑。

实际上我们常把深度在6～8m以上的基坑看作是深基坑；我本人倾向于把大于15m的基坑看作是深基坑。

由于基坑深度、地质条件、周边环境的不同，基坑支护结构的形式和材料是各不相同的：钢筋混凝土地下连续墙、各种工程桩和桩间防渗体、水泥土搅拌桩重力挡土墙、SMW和TRD型钢连续墙等等。

目前，在深基坑工程的结构中，钢筋混凝土地下连续墙已经成为首选项。

用地下连续墙作为支护墙的基坑，一般都是深基坑。

有支护的基坑工程应包括以下几个方面工程（工序）：①挡土支护结构；
②支撑体系；③土方开挖工艺和设备；④降水或防渗工程；⑤地基加固；
⑥监测和控制；⑦环境保护工程。

基坑工程应当满足以下基本的技术要求：
（1）安全可靠性。

要保证基坑工程本身的安全以及周环境的安全。

（2）经济合理性。

要在支护结构安全可靠的前提下，从工期、材料、设备、人工以及环境保护等多方面综合研究其经济合理性。

（3）施工便利性和工期保证性。

在安全可靠和经济合理的条件下，最大限度地满足施工便利和缩短工期的要求。

2.深基坑的发展概况
2.1基坑是什？
基坑，基坑，土中挖坑是也。

自从人类从树上走向大地，先是利用天然岩洞以栖身，后来发展到在土中挖坑，上覆树枝、树皮以为房屋，生生不息。

更有大者，相传轩辗黄帝在涿的丘山之中，掘土以为城池，以御外敌。

现在西北高原上的黄土窑洞，想是先民遗风吧。

这都是很久远的历史了。

现代建筑工程是随着资本主义的工业革命而起步和发展的；而在第二次世界大战之后，更是有了突飞猛进的发展。

高大建筑物必须有深厚的基础才能站立在历史的长河边；而要把它建设完成，则必须先把基坑挖好。

建筑物越高，基础必然越深，越要做得牢靠。

在此情况下，原来的一些基础形式和做法已经不能适应要求了，于是地下连续墙技术就应运而生了。

只有它才使深大基坑工程能够以日新月异的速度向深、大、难发展；托起更高、更大和更复杂的建筑物；就像已经毁于911灾难的纽约双塔下面的地连墙深基础那样，几次爆炸都不曾使它毁坏，充分验证了地连墙抵抗突发灾难的能力。

2.2地连墙和深基坑的发展概况
地下连续墙技术起源于欧洲。

早在上世纪的二三十年代，德国、法国和意大利就有了地下连续墙的初期专利；首先由意大利1950年在水库大坝中建成了第一座桩排式地下连续墙，至今已有63年历史。

其后又在
米兰地铁工程中，成功地排除了其他竞争方案，在当时视为途的卵石地基中建成了地铁支护挡墙，由此确立了地连墙技术的不可动摇的地。

1954年意大利建成了槽板式地下连续墙，也就是我们现在常说的地下连续墙。

此后，德国、法国、日本和美国相继引进仿效和发展。

我国是在清华大学黄文熙教授1957年赴意大利开会后，1958年在青岛月子口试验建成了桩排式防渗墙，1958～1959年在密云水库试验建成了槽孔（板）式防渗墙，也就是目前大量应用的地下连续墙前身。

可见我国的这行业起步并不算晚，但我们差距在于施工设备制造能力和施工水平上。

我国从80年代末和90年代初期引进国外的液压抓斗（见图1），2000年以后又引进了国外的液压双轮铣（见图2），并进行了一些仿制和自主研发创新，使我国的地下连续墙技术越来越接近了国际先进水平。

日本的地下连续墙技术在世界上是最发达的。

使用超级液压铣槽机和抓斗，已经建成了最深140m厚度达2.8m的地下连续墙，最大的深基坑（竖井）内径达到144m，开挖深度已达到110.1m。

我国目前在西部地区的高山峡谷中建设的水电站，如西藏旁多水电站的防渗墙已经达到了201.47m。

深基础和深基坑的开挖深度最大达到50.1m，地下连续墙的深度达到了77m，墙厚达到1.5m。

取得了可喜的成果。

图1意大利液压抓斗图
图2 液压铣槽机（双轮铣）图
3.当前深基坑和深基础工程的发展概况
3．1概述
本文把深基坑（深基础）和地下连续墙的发展概况结合起来，加以介绍。

应当承认，日本在当代的深基坑和深基础工程和技术的领域居于领先水平。

3．2地下连续墙的施工深度
目前世界上最深前五地下连续墙均在日本：
排墙深（m）用途地点施工日期
1 140 排水竖井3# 1993年
2 130 排水竖井1# 1994年
3 129 排水竖井2# 1993年
4 122 排水竖井4# 1995年
5 119 川崎人工岛1991年
（试验）150 明石大桥1987年
3．3基坑内部开挖深度
随着钢筋地连墙深度的增加，内部开挖深度也随着增加；内部开挖深度约为墙深的60%。

排开挖深度hp 地连墙深用途地点施工日期
(m) (m)
1 110.1 110.1 管道竖井2004～2005年
2 82.0 110 污水井1995
3 76.0 106 白鸟大桥墩1988
4 75.0 119 川崎人工岛1991
5 74.7 83 管道竖井1993
国内50.1 77 盾构竖井2003
3．4地下连续墙厚度
排墙深（m）用途地点施工日期
1 2.8 川崎人工岛1991年
2 2.6 污水竖井1988年
3 2.
4 变电站深基坑1993年
4 2.4 桥梁深基坑1998年
5 2.4 大深基坑1999年
其中第3的变电站深基坑挡土墙，采用变断面的地下连续墙，其上部44m 厚2.4m；下部26 m厚1.2 m。

在日本已经进行了厚度3.2m的挖槽试验。

3．5深基坑的平面尺寸
深基坑多采用圆形平面，可以充分利用砼的抗压特点，减少内部支撑结构的麻烦。

排内径（m）用途地点施工日期
1 144 变电站深基坑1993年
2 140 高雄地铁2002～2003年
3 98 川崎人工岛1991年
4 81 抽水井1992年
5 80.5 地下贮槽1996年
要说明的是，第2号的台湾高雄地铁的内径140 m的圆形深基坑，是在十字口下完成的。

我国成都某基坑周长达2600m。

3．6混凝土的强度
目前日本的砼设计标准强度为60Mpa，钻芯混凝土平均强度已经达到85 Mpa。

排砼强度用途地点施工日期
1 60 天然气贮槽1994年
2 60 天然气贮槽1995年
3 60 高铁深基坑1996年
4 60 排水竖井1998年
5 60 天然气贮槽1999年
国内45 深基坑2003年
3．7地下连续墙深基础
地下连续墙基础工法是由日本发明并发展的。

排基础深度用途地点施工日期
（m）
1 106 白鸟大桥3#墩1988年
2 77 隧道竖井1990年
3 76 明石大桥碇1994年
4 76 大深基础1994年
5 75 高速1989年
图3某悬索桥的定图
图4某海底隧道通风井图
4．基坑工程的设计和施工要点
4．1概述
一个完整的深基坑工程的设计，应当包括以下几个方面的内容：（1）深基坑支护的总体策划和布置；参见图3和图4。

（2）深基坑的渗流分析；
（3）深基坑工程的防渗体和降水（回灌）设计；
图5液压抓斗挖槽示意图
（4）支护结构的内力计算与细部设计；
（5）深基坑工程的地基处理设计；
（6）基坑开挖方案设计；
（7）深基坑工程的检测和监测设计。

4．2支护结构的结构形式和材料
深基坑的支护结构包括以下几个部分：
1．垂直挡土结构：
主要有地下连续墙；（施工过程见图5）
现场灌注桩和预制桩；
钢板桩和SMW、TRD墙；
这里要指出的是，这种垂直挡土结构，不仅用于基坑支护。

有时还要用于加固周边建筑物的地基。

2．水平支撑结构：
钢支撑（型钢、钢管、组合钢梁）
钢筋砼支撑
预应力索（杆），见图6
图6 基坑侧壁的杆
3.基坑底部地基加固
高压喷射灌浆
水泥灌浆或化学灌浆
水泥土搅拌桩
4．3防渗和降水设计
1．设计方案
对于存在地下水的深基坑，均应进行此项设计。

深基坑的防渗设计主要是确定垂直挡土结构的入土（岩）深度和结构的总深度。

由于深基坑的开挖，改变了地基土和地下水的应力、移和渗流条件，需要通过不同的方案比较来选定入土深度：
图7基坑承压水的降压井图
（1）全部防渗方案：
将地连墙（这里泛指垂直挡土结构）底伸入到不透水的土层或岩层内。

（2）全部降水方案
此时不设置防渗设施，通过强力抽水，将地下水降到基坑底部以下。

由于强力抽水，对周边地下水影响很大，所以此法只在周边环境开阔地域内使用，比如某些大型江河中的堰和基坑。

（3）防渗和降水相结合方案
此方案是在基坑上部设置支护和防渗结构，下部则采抽排地下水的方法，来降低地下水，以满足基坑施工和保护周边环境的要求。

参见图7。

在城市建设中，当地下水的隔水底板埋藏很深时，可采用此种方法。

2．防渗措施
（1）地下连续墙，墙底伸入不透水层内。

当入土深度很大时，其下部可不配筋，采用素混凝土结构。

（2）水泥灌浆帷幕。

（见图8）
图8深基坑的上墙下幕防渗结构
（3）高压喷射灌浆帷幕。

（4）水泥土搅拌桩墙（含SMW，TRD），断面形式见图9和图10。

图9 SMW的剖面图
图10 TRD的剖面图
（5）地下防渗墙（砼、砂浆或自硬泥浆、薄墙）
（6）冻结法
3．降水工法
根据地下水的类型、埋深和基坑的特性，可以采用以下几种降水方法：（1）明排水
（2）井点排水和超级井点排水（SWP）
（3）管井排水
（4）辐射井排水
当基坑周边建（构）筑物离得较近，容易引起移时，有时需要在基坑外边采取回灌措施，以保持该处地下水不变或不会降低太大。

4．4地基处理设计
这里所说的深基坑地基处理设计，包括以下几个方面：
（1）为防止基坑底部软土地基起，而在基坑边缘采用的加固措施（有时也叫被动区加固），也有采用抽条加固的。

加固的方法多用高喷桩，也可用水泥土桩或水泥灌浆帷幕。

（2）为防止坑底地基土（砂土类）管涌或流土破坏，而采用的水平密封加固措施，形成水平的防渗帷幕。

此时可采用高喷帷幕或水泥灌浆帷幕；但鲜有成功的实例；也有采用水下浇注砼的，可以做成封底结构。

（3）地连墙或灌注桩的接缝堵
有些基坑采用工程桩和桩间防渗的方法，来解决基坑渗问题。

在地基土渗透系数不是很大的情况下，是可行的。

近年来，为了防止地下连续墙或咬合桩接缝水，也采用了类似方法。

所采用的防渗、堵措施有：高喷桩、搅拌桩、水泥或化学灌浆、冻结法等。

（4）当周边建（构）筑物的地基条件很差（如流砂、淤泥等）时，深
基坑于大江大河堤防附近时，要对临基坑一侧的地基进行加固防渗，甚至将其周全部封起来。

4．5检测和监测
在上述几道工序施工过程中和完成以后，在基坑开挖过程中，在地下结构施工过程中，均应进行各种结构、地基和地下水的移、应力、水等项检测监测，及时掌握动态参数，做出评价，采取相应措施，以确保深基坑工程安全顺利施工。

4．6设计思的改进
本文的主旨是由深基坑的渗流稳定条件来确定地连墙的入土深度。

这与以往的设计思线是不同的。

以往的设计是按照抗倾覆或者是抗深层圆弧滑动等条件来选定基坑地连墙的入土深度的；有考虑或者是有全面考虑基坑渗流稳定问题；也有考虑地连墙的经济性问题。

实践证明，这种设计导致了一些基坑出现问题。

我们认为应当改变一下这种深基坑设计思（线）。

本文是根据以下几个条件来确定入土深度的。

（1）用渗流稳定条件确定最小入土深度；
（2）用支护结构的经济条件（通过方案比较，优化应力和配筋）来确定设计采用的入土深度；
（3）用基坑稳定条件，如总体稳定、圆弧滑动稳定、踢脚等稳定条件来核算设计采用的入土深度是否满足要求；
（4）构造要求。

基坑底部的渗流分析见图图11。

图11 基坑底部渗流计算图
其中第一个条件求得的入土深度hd1，是地连墙入土深度最小下限值；如果比它再小，基坑就会不稳定。

所以这个条件不但是必要的，而且是必须的。

第二个条件是要求所采用入土深度hd2，应当使结构内力（主要是弯矩）尽可能小，使结构的钢筋用量和砼用量合理，以达到经济合理的目标。

由于内力（弯矩）随着入土深度的增加而变小，那hd2应当大些为好，以便使内力（弯矩）小些；但是会由此增加混凝土和钢筋的数量。

通常hd2应大于由第一个条件确定的入土深度。

至于究竟hd2多大合适，应当选用几个不同的入土深度进行内力和配筋计算。

由计算结果中，选用内力（弯矩）最小或比较小时的入土深度，作为设计的入土深度。

第三个条件是现有基坑支护规程所要求的。

由此求出的入土深度hd3，常常是小于第一个条件求出的入土深度hd1，如果以此作为设计值，常常是不安全的。

所以它只是一个必要的条件不是必须的条件，通常作为校核条件。

只是在河口区、滨海区和湖区的深基坑工程中，才有可能成为控制条件。

第四个条件是根据通常做法提出的，比如，通常要求深基坑防渗体应深入到下部不透水层中。

日本要求有水平支撑时入土深度不小于1.5 m；钢板桩挡土墙的入土深度不小于3.0m。

按照这种思（线）进行设计，是由第一个渗流稳定条件来解决基坑的安
全问题；由第二个条件解决支护结构的经济性（造价最低）问题；而把第三个地基土稳定条件作为校核条件。

以往的设计，大多只按第三个设计条件进行计算，选出一个入土深度，即按此进行结构配筋。

总之我们推荐的深基坑的新设计思（线）为：
（1）首先进行深基坑渗流分析和计算，确定入土深度的最小设计值hd1。

（2）通过试算和比较，求出内力（弯矩）与入土深度的关系曲线，选用最小或较小的内力（弯矩）与相应的入土深度值hd2，以此作为设计参数。

此入土深度不得小于由（1）渗流稳定条件确定的最小设计值hd1，即hd2 ≥hd1。

（3）在内力（弯矩）和入土深度hd已经确定的条件下，选择几个不同地连墙厚度（或桩的直径与间距），进行配筋计算。

当弯矩一定时，钢筋用量与墙厚（砼方量）成反比。

由此可以选出钢筋和砼造价之和最小的那个墙厚和配筋量作为设计值。

（4）其他的设计步骤同以往。

显然这种设计思（线）把地基土、地下水的稳定性和支护结构物经济性综合考虑，并且以地下水的渗流稳定为前提条件，以支护结构的经济性为目标，这样做出的设计应当是更合理、安全的。

5.深基坑工程技术展望
5.1新的基坑理论和技术的支持
随着基本建设的不断发展，深大基坑和基础工程必然越来越多，设计施工难度越来越大，非常需要新的理论和技术的支持。

5.2 制造结构精良和定准确的设备
深基坑的不断发展，在很大程度上取决于我国的工程机械设计和制造技术的不断进步，为地基基础行业提供结构精良、定准确、适应性强、施工效率高的挖槽及配套设备。

5.3 把解决地下连续墙的接头问题放在重要置
可以说，地连墙槽段之间的接头是制约我国地下连续墙进一步发展的瓶颈。

我们在水利水电的防渗墙工程中使用了圆管拔管机，可在150m以上的防渗墙中成功实现了拔管。

但是，在城市地连墙工程中，还有很成功、很有把握的接头；特别是当我们向70或80m或更大深度推进时，必须解决这个问题。

使用液压双轮铣可以解决一些圆形基坑地连墙的槽孔接头问题，但是又有好几个工程发现了双轮铣切割钢筋问题，既破坏了结构，又大大影响施工速度。

看来这是一个需要多方面配合的事。

5.4提高挖槽的精度，研制高精度检测设备。

当我们的目标锁定80-100m深基坑时，要想造成底部连续的墙体时，挖槽的的偏斜度应当不大于1/1000-2/1000。

要做到这一点，需要个方面协作攻关。