基坑工程发展中应重视的几个问题

第28卷 增刊 岩 土 工 程 学 报 Vol.28 Supp. 2006年 11月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Nov., 2006 基坑工程发展中应重视的几个问题 龚晓南 (浙江大学岩土工程研究所，浙江 杭州 310027) 摘 要：分析了基坑工程发展中存在的主要问题。为了促进基坑工程技术水平的进一步提高，分析了基坑工程发展中笔者认为应重视的几个问题：基坑工程设计管理、按稳定控制设计和按变形控制设计、围护型式的合理选用、优化设计、基坑工程施工管理、基坑工程规范、基坑工程围护设计软件的合理评价等。 关键词：基坑围护设计；按稳定控制设计；按变形控制设计；优化设计；设计软件；基坑工程规范 中图分类号：TU463 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2006)S0–1321–04 作者简介：龚晓南(1944– )，男，浙江金华人，博士，教授，主要从事软粘土工程学、地基处理与复合地基、基坑工程学、施工环境效应及对策、土工计算机分析等。 Some major problems in the development of foundation pit engineering GONG Xiao-nan (Institute of Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China) Abstract: The major problem in the development of foundation pit engineering was discussed. Some issues were analyzed in order to promote the construction techniques of foundation pit engineering, including the management of foundation pit design, design according to deformation and design according to stability, the rational pattern selection of bracing of foundation pits, the optimization for design, the management of foundation pit construction, the code for techniques of foundation pit engineering as well as the appraisal of the software used in the design of foundation pits. Key words: design of bracing of foundation pit; design according to stability; design according to deformation; optimization for design; design software; code for techniques of foundation pit engineering 0 引 言 改革开放以来，随着城市化和地下空间开发利用的发展，我国基坑工程发展很快。二十多年来我国基坑工程设计和施工水平有了很大的提高，在发展过程中也有许多问题值得我们思考。一方面，基坑工程领域的工程事故率还是比较高的。不少地区在发展初期大约有三分之一的基坑工程发生不同程度的事故，即使在比较成熟阶段一个地区也常有基坑工程事故发生。另一方面，由于围护设计不合理，造成工程费用偏大也是常有的。笔者曾报道一基坑工程设计投标实例，三个围护方案的工程费用分别为1200万、800万和350万元左右。专家评审一致认为第三个方案不仅成本低而且安全可靠。实施后观测的最大水平位移仅有3 cm左右。岩土工程设计具有概念设计的特性，基坑围护设计的概念设计特性更为明显。太沙基说的“岩土工程与其说是一门科学，不如说是一门艺术（Geote- chnology is an art rather than a science.）”的论述对基坑工程特别适用。岩土工程分析在很大程度上取决于工程师的判断，具有很强的艺术性。根据笔者的切身体会，就基坑工程发展中应重视的几个问题谈几点思考，以抛砖引玉。不妥之处，望能得到指正。 1 基坑工程特点 在讨论基坑工程发展中应重视的几个问题以前先谈谈基坑工程的特点。笔者曾在《深基坑工程设计施工手册》[1]一书中指出基坑工程具有以下8方面的特点：①基坑围护体系是临时结构，安全储备较小，具有较大的风险性；②基坑工程具有很强的区域性；③基坑工程具有很强的个性，不仅与工程地质条件和水文地质条件有关，还与周围环境条件有关；④基坑工程综合性强，既需要岩土工程知识，也需要结构工程知识。基坑工程涉及土力学中稳定、变形和渗流三个基本课题，需要综合处理；⑤土压力的复杂性；⑥基坑工程具有较强的时空效应；⑦基坑工程是系统工程，应进行动态管理，实行信息化工；⑧基坑工程的环境─────── 收稿日期: 2006–06–02 1322 岩 土 工 程 学 报 2006年 效应。人们不难发现在基坑工程发展中出现的一些问题通常都与对上述基坑工程特点缺乏深刻认识，未能采取有效措施有关。 2 基坑工程设计管理 对基坑工程事故的分析表明：源自设计的原因的占大部分，剩下的源自施工组织管理方面的原因占多数，也有极少数源自基坑工程复杂性造成的偶然性原因。基坑围护体系是临时结构，对围护设计的重要性重视不够；由于对基坑工程区域性强、个性强、综合性强及土压力的复杂性等特点缺乏足够认识，对围护设计的技术要求重视不够。不少从事基坑围护设计技术人员缺乏必要的基础知识或专业训练。有的缺乏结构工程的基础知识，有的缺乏岩土工程基础知识。甚至有人认为买个设计软件就可以进行基坑围护设计了。加强基坑工程设计管理既有利于提高从事基坑围护设计人员的技术水平，也有利于提高对基坑工程重要性的认识。不少地区的经验均表明：加强基坑工程设计管理是减少基坑工程事故非常有效的措施。 基坑工程设计管理主要有二项：建立和完善审查制度和招投标制度。审查制度包括设计资格审查和设计图审查。设计图审查专家组应由从事设计、施工和教学科研、以及管理工作的专家组成。实行基坑工程设计招投标制度可引进竞争，促进技术进步，优化设计方案，从而使社会和经济效益最大化。 3 按稳定控制设计与按变形控制设计 基坑工程对环境影响反映在下述两方面：挖土卸载和地下水位降低造成周围地基土体的变形。基坑周围地基土体的变形可能对周围的市政道路、地下管线或建（构）筑物产生不良作用，严重的则会影响其正常使用。评价基坑工程对环境的影响程度，还与基坑周围环境条件有关。有的基坑周围空旷，市政道路、地下管线、周围建（构）筑物在基坑工程影响范围以外，可以允许基坑周围地基土体产生较大的变形；而有的基坑由于紧邻市政道路、管线、周围建（构）筑物，而不允许基坑周围地基土体产生较大的变形。前者可以按稳定控制设计，后者则必须按变形控制设计。按变形控制设计中变形控制量应根据基坑周围环境条件因地制宜确定，不是要求基坑围护变形愈小愈好，也不宜简单地规定一个变形允许值，应以基坑变形对周围市政道路、地下管线、建（构）筑物不会产生不良影响，不会影响其正常使用为标准。 笔者在这里强调两点：一是基坑工程中按稳定控制设计和按变形控制设计的概念比基础工程设计中按承载力控制设计和按沉降控制设计的概念有新的内容。后者在按承载力控制设计和按沉降控制设计中，荷载和设计计算方法是不变的；而前者在按稳定控制设计和按变形控制设计中，由于土压力与位移有关，作为荷载的土压力大小变化很大。二是应加强基坑围护变形计算理论和计算方法的研究，加强基坑围护按变形控制设计的研究。 一个优秀的基坑围护设计一定要根据周边环境因地制宜而决定采用按稳定控制设计还是按变形控制设计。根据基坑周边环境条件进行基坑工程设计对设计人员提出了更高的要求。 4 围护型式的合理选用和优化设计 基坑工程区域性和个性很强，综合性强，具有较强的时空效应，应根据工程地质和水文地质条件，基坑开挖深度和周边环境条件，选用合理的围护型式。 基坑围护型式很多，每一种基坑围护型式都有其优点和缺点，都有一定的适用范围。一定要因地制宜，具体工程具体分析，选用合理的围护型式。 如何合理选用，笔者认为应抓住该基坑围护中的主要矛盾。认真分析基坑围护的主要矛盾是稳定问题，还是控制变形问题。基坑工程产生稳定和变形问题的主要原因是土压力问题，还是处理地下水的问题。 一般来说，饱和软粘土地基中的基坑需采用排桩加内支撑的围护型式以解决土压力引起的稳定和变形问题。若基坑较浅（一般小于5 m），且周边可允许基坑有较大的变形，亦可采用土钉或复合土钉型式支护，或水泥土重力式挡墙支护。采用土钉或复合土钉支护，基坑深度一定要小于其临界支护高度。土钉支护临界支护高度主要取决于地基土体的抗剪强度。 而对粉砂和粉土地基的基坑围护主要是地下水处理的问题。地下水处理有两种思路：止水和降水。止水帷幕施工成本较高，有时施工还比较困难，特别当坑内外水位差较大时，止水帷幕的止水效果往往难以保证。有条件降水时应首先考虑采用降水的方法。在降水设计时要合理评估地下水位下降对周围环境的影响。为了减小基坑降水对周围的影响，如需要也可通过回灌提高地下水位。在粉砂、粉土地基地区，有条件采用土钉支护时应首先考虑采用土钉支护。如基坑较深，可采用浅层土钉支护，深部采用排桩墙加锚或加撑支护。如需要采用止水帷幕和排桩加内支撑或锚杆围护也要采取措施尽量降低基坑内外水位差，并且当止水帷幕漏水时，应有应付漏水的对策。 不少基坑工程事故源自地下水的问题未处理好。笔者认为在处理水的问题时，能降水就尽量不用止水，增刊 龚晓南. 基坑工程发展中应重视的几个问题 1323一定要用止水时也要尽量降低基坑内外的水头差。止水帷幕设计容易，而保质保量施工好则比较困难。 基坑围护方案合理选用是第一层面的优化设计，第二层面的优化设计是指选定基坑围护方案后，对具体设计方案的优化。因此除应重视基坑围护方案的合理选用外，还应重视具体设计方案的优化。在具体设计方案的优化设计方面还有较大的发展空间。 5 基坑工程施工 前面己经谈到除设计方面的原因外，不少基坑工程事故的原因源自施工方面。基坑挖土施工不当引发的基坑工程事故比例很高。要解决施工不当引发的基坑工程事故问题，提高施工单位素质，加强施工管理是关键。基坑工程是系统工程，基坑围护设计应考虑挖土程序对基坑稳定和变形的影响。基坑围护设计应对基坑挖土施工提出合理要求。基坑挖土施工单位要根据设计要求制定挖土施工组织实施方案，要严格按照设计要求进行挖土施工，并根据基坑监测调整施工进度和采取必要的措施。 影响基坑工程性状的因素很多，不确定因素也多，基坑工程施工一定要实行信息化施工。要重视基坑监测工作，要认真进行基坑工程监测设计，因地制宜确定预警值。在施工过程中，要认真做好监测工作。设计、施工、监测三方要密切配合，进行动态管理，实现信息化施工，可有效减少基坑工程事故的发生。 6 基坑工程规范 张在明院士[2]在《对我国现行岩土工程规范的几点看法》一文中谈到：“一本岩土工程规范，大体由三方面的元素构成，即基本原理（fundamental principles）、应用规则（application rules）和工程数据（engineering parameters）。”先进国家或者经济联合体的规范，基本上都是强调对基本原理的把握，应用规则是对基本原则的实施性说明，很少向规范使用者提供具体的工程参数的取值。他认为：第一、现行规范过于具体细致的规定不能反映岩土工程的客观规则。第二、规范作为技术法规，应该是工程活动的原则指导，而不是供工程师查表使用的工具书。过于具体细致的规定，不仅不一定符合工程实际，也不利于工程师的进取和技术进步。笔者认为张院士分析得非常深入，事实上在规范中过于具体细致的规定，不仅难以合理，而且也不利于技术人员进一步探讨问题，不利于发挥科技人员的聪明才智，不利于技术进步。 笔者十几年前应邀在北京参加冶金部基坑工程规范审定会时，有两点印象至今还是很深刻。第一点印 象深的是一位专家介绍国外有关基坑工程规范的情况。国外基坑工程规范规定都很简单，很原则，只规定基坑工程围护设计应该满足那些要求，应该进行那些计算。至于如何进行计算，如何满足要求，很少有具体的规定。第二点印象深的是有好几位著名资深专家在会上谈到基坑工程影响因素多，很复杂，制定一本全国性规范是很困难的。这次审定会过去几年后，许多国标、部标、省标、市标的基坑工程规范、规程相继发布和实施。纵观这些基坑工程现范或规程，都没能避免制定过于具体细致的规定。这些过于具体、过于细致的规定很难反映基坑工程的客观规则，作为技术法规也很难严格执行。 在前面文中笔者强调对基坑围护设计的审查工作，在这里还要强调的是在基坑围护设计的审查工作中要避免“本本主义”，对于基坑工程规范、规程中过于具体、细致的规定不应过分认真，设计是否符合基本原理、是否偏不安全则是需要认真把关的，同时在基坑围护设计的审查工作中亦要重视地区性经验。 7 基坑围护设计软件 如何评价设计软件在基坑围护设计中的作用是很困难的，但这个问题又很重要。是否可以这样评价目前的状况：基坑工程围护设计离开设计软件不行，但只依靠设计软件进行设计也不行。前半句笔者的意思是计算机在土木工程中的应用发展到今天，总应该采用电算取代繁琐的手工计算。这里的设计软件还包括自编的设计软件，以及已积累丰富的分析经验的设计软件。在这里笔者要强调的是后半句，只依靠设计软件进行设计也不行。 目前基坑围护设计商业软件很多，设计时常常发现当采用不同的软件进行计算时，计算结果往往不同。这本身说明不能只依靠设计软件进行设计。基坑工程区域性、个性很强，基坑工程时空效应强，编制基坑围护设计软件都要作些简化和假设，不可能反映各种情况。影响基坑工程的稳定性和变形的因素很多，很复杂，设计软件也难以全面反映。而目前大部分设计软件是按稳定控制设计编制的，当需要采用按变形控制设计时，采用按稳定控制设计编制的设计软件进行设计可能出现许多不确定因素。 在岩土工程中要重视工程经验，要重视各种分析方法的适用条件。如在稳定分析中，要强调所采用的稳定分析方法、分析中所采用的土工参数、土工参数的测定方法、分析中采用的安全系数是相互配套的。若采用的稳定分析方法不同，则采用的安全系数值也应不同；在应用同一稳定分析方法时，采用不同的方1324 岩 土 工 程 学 报 2006年 法测定的土工参数，采用的安全系数亦应不同。岩土工程的许多分析方法都是来自工程经验的积累和案例分析，而不是来自精确的理论推导。因此，具体问题具体分析在基坑工程中更为重要。 综上所述，只依靠设计软件进行设计是不妥的。因此，在应用计算机软件进行设计计算分析时，应结合工程师的综合判断。只有这样才能搞好一个基坑围护设计。 8 结 语 基坑工程事故率比较高和由于围护设计不合理造成工程费用偏大是目前基坑工程发展中存在的主要问题[3-4]。为了促进基坑工程技术水平的进一步提高，笔者建议应重视下述几方面的工作： (1) 加强基坑工程设计管理，建立设计图的审查制度和招投标制度。这样利于促进技术进步，优化设计方案，从而达到减少基坑工程事故和获得较好的社会和经济效益的目的。 (2) 一个优秀的基坑围护设计一定要根据周边环境因地制宜决定采用按稳定控制设计或按变形控制设计，因此要加强基坑围护变形计算理论和方法以及基坑围护按变形控制设计理论的研究。 (3) 在设计中应抓住围护中的主要矛盾，合理选用围护型式。不少基坑工程事故源自地下水未处理好。在处理地下水的问题时，能降水就尽量不用止水，实在需要止水时也要尽可能降低基坑内外的水头差。 (4) 基坑围护方案合理选用是第一层面的优化设计，第二层面的优化设计是指基坑围护方案确定后，对具体设计方案的优化。目前在具体设计方案的优化设计方面还有较大的发展空间。 (5) 影响基坑工程性状的因素很多，而某些因素尚具有很强的不确定性，因此要重视基坑监测工作，因地制宜确定预警值。在施工过程中，一定要实行动 态管理，实现信息化施工。 (6) 基坑工程现范或规程中过于具体细致的规定很难反映基坑工程的客观规则。基坑围护设计一定要十分重视地区性经验。 (7) 合理评价基坑工程围护设计软件的作用，在应用设计软件进行设计计算分析时，应结合工程师的综合判断。只有这样才能搞好一个基坑围护设计。 (8) 基坑工程发展中出现的一些问题都与对基坑工程特点缺乏深刻认识，未能采取有效措施有关。因此深刻认识基坑工程特点对于提高基坑工程设计和施工水平具有非常重要的意义。 参考文献： [1] 龚晓南.深基坑工程设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1998.(GONG Xiao-nan. Handbook for design and construction of deep excavation pits[M]. Beijing: China Architecture and Building Press, 1998.) [2] 张在明.对我国岩土工程规范现状的几点看法:土建结构工程的安全性与耐久性[M].北京:中国建筑出版社,2003.(ZHANG Zai-ming. On the China code for geotechnical engineering: The structural safety and durability[M]. Beijing: China Architecture and Building Press, 2003.) [3] 龚晓南.土钉和复合土钉支护若干问题[J].土木工程学报,2003,36(10):80–83.(GONG Xiao-nan. On soil nailing and composite soil nailing[J]. China Civil Engineering Journal, 2003,36(10):80–83.) [4] 龚晓南.关于基坑工程的几点思考[J].土木工程学报,2005,38(9):99–102.(GONG Xiao-nan. Studies on foundation pit engineering[J]. China Civil Engineering Journal, 2005,38(9):99–102.)