基坑深度分级及不同深级支护技术适用性的探讨
付文光 杨志银
（中国京冶工程技术有限公司 深圳市南山区后海大道后海办公楼6楼 518054）
摘 要：基坑深度是基坑最重要的特征参数，对深度适当分级有利于基坑支护技术的交流与使用。大于4m的基坑应定性为深基坑，可分别以4m、6m、13m、18m、23m、30m为标准，把深基坑深度划分为稍深、中深、颇深、甚深、特深、超深及极深7个级别，不同深级有相宜的基坑支护方法。从施工安全出发，2~4m深的稍深基槽也应该纳入深基坑管理范围。基坑的规格也可按面积，分别以100、2500、10000、25000、50000m2为标准，划分为微型、小型、中型、大型、超大型及巨型6个级别。文中最后对基坑及支护技术的发展前景进行了展望。
关键词：基坑 深度 面积 分级 深级
中图分类号：TU470 文献标识码：A 文章编号：
作者简介：付文光（1970－)，男，北京市人，注册岩土工程师，教授级高工，1992年北京科技大学毕业后在中国京冶工程技术有限公司从事岩土工程设计咨询、工程实践、试验研究等工作至今。
Discussion about classification of foundation pit depth and retaining technology applicability of different depth
FU Wen-guang, YANG Zhi-yin
(China JingYe Engineering Corporation Limited Company, Houhai Road Houhai office 6 floor , Nanshan District, Shenzhen,518054)
Abstract: The depth is the most important characteristic parameters of foundation pit. It is helpful to exchange and application of retaining and protection excavation technology if the depth can be appropriately classified. It should be characterized as deep foundation pit when the depth is deeper than 4m, and be divided into seven levels as low-depth，middle-depth，high-depth，great-depth，ultra-depth，super-depth，extra-depth by the standards as 4m, 6m, 13m, 18m, 23m, 30m, and there are appropriate methods of retaining and protection for the different depth. Proceed from the safety on constructing; 2-4m low-depth foundation trench also should be included in the scope of management for deep foundation pit. By the standard of area as 100,2500,1000,25000,50000 m2, the size of pit should be divided into six levels as micro-size, little-size, middle-size, large-size, great-size, huge-size。Finally, the paper gives expectation for development prospects of foundation pit and excavation technology.
Key words: foundation pit; depth; area; classification; depth-level
1 国内基坑工程发展概况
自上世纪90年代开始，国内的基坑工程得到迅猛发展。90年代以前国内高层建筑共1000余栋，90、91两年新建1000余栋，92年一年新建1000余栋[1]，之后每年都新建数千栋甚至更多。90年代之前基坑数量不多，92年之后，房屋建筑、市政、公路、铁路、港口、水利水电、电力、矿山、冶金、人防、机场、煤炭、国防等各行各业土木工程形成的各种基坑，每年动辄上千甚至数千个，已经很难计数，估计比世界上其它国家的总和还要多，其中建筑物地下室开挖形成的基坑占九成以上。
随着数量的迅猛增多，基坑规模越来越大。基坑深度越来越深，当初几乎都在中等深度及以下，现在大多在中深级以上，不时有超深级甚至特深级出现；尺寸越来越大，当初几乎都是中小型，现在以大中型为主，时不时有超大型甚至巨型出现；规模越来越大，当初体积大者不过几万m3，现在几十万m3已是常见，甚至有的超过100万m3。
基坑支护设计理论越来越先进，设计施工水平越来越高。技术推陈出新速度很快，一些落后的技术不断被淘汰，不少新技术、新工艺、新设备、新材料在基坑工程中得到了推广使用。
基坑周边各种地下管线及市政设施越来越多，与其它建（构）筑物距离越来越近，周边环境越来越复杂，对基坑安全使用的要求及限制越来越多越来越严格，设计及施工难度越来越大，风险越来越高。原建设部2003年明示基坑工程是建筑业最危险的专项工程之一，要求各级政府建设主管部门建立基坑工程技术专家审查制度。
从业单位及人员越来越广泛。当初只有专业单位从事基坑工程的设计施工，现在很多综合性或其它行业的设计公司也在从事设计，很多总承包资质单位及其它行业的专业公司也在从事施工，从业人员的组成日益多样化。
政府主管部门、相关从业单位及人员对基坑重视程度越来越高，政府监管力度越来越大。国内目前正在有效实行的基坑工程技术标准，国标、行标及地标有二十几本。近年来上至国务院下至多个部委省市，纷纷对基坑工程做出了专项管理条例或规定。国家2009年开始实施注册岩土工程师制度。
基坑工程技术交流也越来越频繁。中国建筑学会建筑施工学术委员会基坑工程专业委员会1998年在济南召开了第一届全国基坑工程学术讨论会后，2002、04、06、08年分别在温州、广州、上海及天津召开了第二~五届会议，2010年7月准备在厦门召开第六届会议，2001年在南京还召开了土钉墙支护专题会议。各届会议收到的论文从最初的几十篇发展到后来的两、三百篇。总之，基坑工程一派繁荣景象。
但目前大家对基坑规格的叫法比较混乱，一些论文中作者把仅11、12m的基坑称为超深基坑，或把占地面积仅1万多m2的称为巨大基坑，不禁让人有点哑然。基坑最重要的特征参数就是深度，把深度按一定的原则进行适当的分级，是一种能够简练而准确地描述基坑主要几何特征的方法，就像用安全等级来表征基坑支护应达到的安全程度一样。同时，对深度分级也可以更方便地理解及约定不同基坑支护方法在不同深度级别下的适用性。这将有利于基坑支护技术的理解、交流与应用。倘若如此，对基坑的平面尺寸适当分级也具有一定的意义。
2 基坑深度分级及适用的支护技术
2.1 分级标准
国内各种技术标准、各地政府相关条例规定及手册指南等文献，对超过一定深度的基坑笼而统之称为深基坑，深度标准一般定为5m，也有少部分定为6m、4m甚至3m，低于这一标准则视为浅基坑。这种划分标准在数年前基坑较少时是适合的，但现在已显粗糙，跟不上基坑工程发展的要求，需要划分更细致一些以便于应用。
笔者对783个基坑工程实例进行了数理统计。样本来自3方面：①笔者公司在深圳地区设计或施工的部分工程，316个；②会议论文集，包括第一~五届全国基坑会议、第三~九届全国地基处理会议（第一、二、十届没有收录基坑论文）、1996年至2002年全国岩土锚固学术研讨会、高层建筑深基坑工程经验交流学术研讨会议等，295个；③几本工程实例集[2~5]，172个。统计结果如表1所示。统计中：①有些基坑开挖深度有多种，故实际样本（不同剖面）988个；②深度为非整数时，0.2m以上向上取整，不足0.2m向下取整；③集水井、电梯井、承台等坑中坑不计；④深度小于4m的不计；⑤微型基坑不计；⑥样本中91.8%为房屋建筑基坑，8.2％为其它类基坑；⑦样本具有局限性，多集中在经济发达地区，老少边山穷地区较少。
根据地下室层数、基坑支护工法、设计施工难度、使用频率、使用方便性等原则，以表1数据为基础，把基坑深度划分为9个级别，如表2所示，其中开挖深度不小于4m的统称为深基坑，深基坑的深度级别从III级计起。中深、颇深、甚深、特深、超深、极深的排列顺序及英文翻译借鉴了无线电频段划分及命名方法。由于实例太少，超深基坑与极深之间暂不确定划分标准，笼统称之为“超深”。
不同深级适宜的基坑支护技术有所不同。下文探讨的适宜深度不适合以下情况：①岩质（中风化及微风化岩）基坑或土岩混合的基坑；②分级开挖、上下两级坡体之间几乎没有影响或相互影响不大的基坑；③平面尺寸过小、空间效应很强的基坑，如本文后面所谓的微型基坑。基坑支护技术适应性讨论时不考虑这三种情况。
表1 基坑深度统计表
Table 1 Statistics of foundation pit depth
深度/m 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27-30 >30
数量/个 17 59 69 78 82 90 102 84 66 64 45 38 39 26 28 16 18 11 12 13 5 6 4 各1 12
比例/% 1.7 6.0 7.0 7.9 8.3 9.1 10.3 8.5 6.7 6.5 4.6 3.8 3.9 2.6 2.8 1.6 1.8 1.2 1.2 1.3 0.5 0.6 0.4 0.1 1.2
表2 基坑深度分级表
Table 2 Level of foundation pit depth
基坑深度级别 浅基坑 稍深基槽 稍深基坑 中深基坑 颇深基坑 甚深基坑 特深基坑 超深基坑
深度级别 I II III IV V VI VII VIII
深度H/m H<4 2≤H<4 4≤H≤6 6<H≤13 13<H≤18 18<H≤23 23<H≤30 H≥30
数量/个 － － 145 566 176 70 19 12
所占比例 － － 14.7% 57.3% 17.8% 7.1% 1.9% 1.2%
2.2 超深及极深基坑
超过30m的基坑国内外罕见，收集到的国内案例如表3所示。从表中可以看出，超深基坑中房屋建筑基坑所占比例仅约20%。超深基坑的围护结构几乎只有墙撑形式，竖向构件为钢筋混凝土连续墙，横向构件为内支撑类。尺寸较小时可采用沉井施工方法，较大时采用地下连续墙支撑、地连墙逆作（半逆作）施工方法。地连墙目前是地下水位较高的超深及特深基坑中最佳止水形式，其它支护形式，如排桩，很难同时解决地下防水及支护结构强度问题。有桩撑加冻结法止水帷幕在29m深基坑中成功应用的案例，但冻结法成本较高、应用较少，通常作为辅助开挖手段，应用于地铁、矿山竖井及水下隧道等工程，鲜用于基坑支护，在建筑基坑领域目前尚不具备推广条件。尺寸不大的基坑各种深度几乎都可以采用沉井法开挖，但沉井由于所围空间小、使用不便、施工难度较大、造价较高等原因，极少用于房屋建筑基坑，以下不再讨论。
表3 国内超深及部分特深基坑简表
Table 3 Part of great-depth and super-depth foundation pit at home
序号 工程名称 深度/m 基坑支护方法 施工日期
1 润扬长江公路大桥北锚碇 50.0 墙撑 2002年
2 润扬长江公路大桥南汊悬索桥南锚碇 29.0 桩撑加冻结法止水帷幕 2002年
3 上海外环线越江隧道浦西段 30.4 墙撑 2002年
4 上海东方艺术中心 27.4 分级开挖，复合土钉与墙撑分级支护 2002年
5 上钢一厂1780mm热轧工程旋流池 33.0 地连墙半逆作 2003年
6 武汉阳逻长江大桥南锚碇 41.5 地连墙逆作 2004年
7 武汉阳逻长江大桥北锚碇 40.0 岩石锚喷网 2005年
8 珠江黄埔大桥悬索桥北锚碇 30.0 地连墙逆作 2005年
9 上海市轨道交通四号线浦东南路站～南浦大桥站区间隧道修复东西两侧基坑 41.5 墙撑 2006年
10 国家大剧院 32.5 分级开挖，桩锚与墙锚分级支护 2006年
11 上海500KV静安（世博）地下输变电站 33.7 地连墙逆作 2006年
12 马钢新区2250mm热轧带钢工程旋流沉淀池 39.3 地连墙逆作 2007年
13 浦钢搬迁炼钢连铸机基础基坑 32.0 墙撑 2008年
14 广州地铁三号线北延线燕塘站 31.7 墙撑 2008年
15 泰州长江公路大桥中塔 76.0 沉井 2008年
16 宁波建龙钢厂轧钢漩流井 32.0 分级开挖，桩撑与岩石锚喷网分级支护 不详
17 天津于家堡综合交通枢纽配套市政公用工程 31.0 地连墙逆作 在建
18 天津站交通枢纽工程 32.5 地连墙逆作 在建
19 上海中心 31.1 墙撑 在建
20 深圳平安大厦 32.0 桩撑支护，旋喷桩加注浆止水 拟建
2.3 特深基坑
23~30m的特深基坑目前很少见，大多采用桩撑、墙撑或地连墙逆作（半逆作）法，少数采用桩锚或墙锚支护。将特深标准定为23m，主要是考虑到对预应力锚杆（筋、索、管、束等）使用的限制。随着使用要求的提高，人们越来越关注基坑变形及水土流失对周边环境的影响，基坑支护设计已不能再单纯考虑支护结构的承载能力极限状态，还要考虑正常使用极限状态，即在强度设计基础上要进行变形设计。锚杆由于刚度较小，变形较大，作为单一横向构件与地连墙、排桩、格构梁等联合支护时，支护体系不可避免地要产生较大的水平变形，故对锚杆的支护深度应该有所限制。此外，锚杆从地连墙或止水帷幕打洞穿过，孔口渗漏很难封堵，基坑较深、水位较高又受到环境限制不能降水时，锚杆孔口渗水及施工过程中的水土流失甚至可能会导致工程失败。从工程实例来看，尽管有少量深度23~25m的基坑使用锚杆支护取得了成功，但风险很大，从安全出发，笔者认为锚杆支护深度不宜超过23m，桩锚、墙锚、锚杆格构梁等支护深度超过23m后可采用支撑或支撑与锚杆的混合支护。
2.4 甚深基坑
18~23m的甚深基坑已较为多见，尤其在地铁工程中。从表1中可以看到，基坑深度超过18m后数量锐减，故将甚深标准定为18m。甚深基坑目前大多采用桩、墙与撑、锚支护或地连墙逆作（半逆作），北京、河北等地质条件较好的地区，为节省造价，目前不少工程采用上半部分土钉墙或复合土钉墙、下半部分桩锚或桩撑的组合支护形式。
土钉墙或复合土钉墙不适用于甚深及以上深级的基坑支护。支护构件按在土体中的空间位置及所起作用大体可分为竖向构件与横向构件两类：竖向构件受力状态以受弯受剪为主，如桩、墙（有嵌固深度）、板（不嵌入土中）、格构等；横向构件以受压受拉为主，受压构件如支撑或起支撑作用的梁、墙、板、肋等，受拉构件如预应力锚杆、土钉、拉锚、拉梁、筋带等。土钉墙类支护以受拉构件土钉作为主要受力结构，充分利用了材料的抗拉强度，受力较为合理，故工程造价相对较低。但与锚杆支护一样，因结构物（土钉与土体形成的复合土体）的刚度较小，支护体系不可避免地要产生较大的变形，在较深的基坑中的安全性较差，故土钉墙类支护深度不能太深。此外，近几年由于建筑业劳务人员工资上涨、设计安全系数越来越大等原因，土钉墙工程造价较低这个较其它支护方法的最大优势已经不再明显，在甚深以上基坑中造价降低程度有限，但风险却过大。
单一的双排桩也不适用于甚深及以上深级基坑。双排桩组成的空间刚架结构没有横向受力构件，不像内支撑一样要占用坑内空间，也不像锚杆或土钉一样要占用坑外空间，大大地加深了排桩的支护深度，近几年得到了较多应用。但是如果不与横向构件联合应用，其支护的深度必然受到限制。从已有的工程实例来看，在较好的土层中，双排桩支护深度如果不超过18m，效果还是能够令人满意的。
2.5 颇深基坑
13~18m的颇深基坑已常见，适用的支护方法也较多。除甚深及以上级别基坑支护方法外，复合土钉墙、双排桩、环形地连墙（可设环形腰梁）等也适用于颇深基坑，但基本型土钉墙不适用。此外，无支护开挖深度也应限制在13m以内。一些技术标准、政府条例等把12m作为一个标准，但很多3层地下室基坑深度12~13m，如表1所示，以12m作为划分标准使用不便，故宜将颇深标准定为13m，这样基本不会影响土钉墙等的正常使用。颇深以上深级基坑设计难度较大，安全等级多为一级，应由富有经验的资深设计人员主导设计。
2.6 中深基坑
6~13m的中深基坑数量最多。这一深级的基坑支护难度通常不大，故视为中等深度，适用的支护方法也最多。颇深及以上深级适用的支护方法仍适用，土钉墙、拱形桩（墙）、排桩半逆作、疏桩土钉墙、加筋（一般为型钢或微型桩）水泥土墙支撑、抛撑（即竖向斜支撑）、地面拉锚等方法或构件，或这些形式的组合形式，也均适用。悬臂式桩（墙）、重力式水泥土桩墙等单一竖向构件支护结构很难或不宜适用于这一深级。
值得指出的是桩的形式。在颇深及以上深级基坑中，几乎只有钢筋混凝土桩一种形式；在中深及以下基坑中，除钢筋混凝土桩外，钢板桩、钢筋混凝土板桩、钢管桩、水泥土桩墙、加筋水泥桩墙、小桩水泥土墙（单排或双排微型桩与多排水泥土桩联合支护）等多种形式可采用，同时也有一些桩型不再或很少使用，如支盘桩、条桩、十字桩、丁字桩、型钢桩等，逆作拱墙目前也很少使用。
2.7 稍深基坑
4~6m是绝大多数一层地下室的开挖深度。由于深度较浅，一些中深及以上深级的基坑支护方法不再适用，如地连墙、双排桩、逆作法等，但其它支护方法仍适用。还有一些支护结构，如悬臂桩，包括中深基坑适用的各种桩、木板桩、预应力管桩、微型桩等各种桩，中深基坑适用的各种重力式桩墙，木板支撑结构，钢木混合支撑结构，等等，适用于稍深基坑，但很难在更深的基坑中使用。
把深基坑起算标准定为4m是基于安全管理角度考虑。一些城市把深基坑的标准定为5m，有些开发商为了规避政府等部门对深基坑的监管，把开挖深度刻意调整在5m以下。但是基本上没有办法把具有一层地下室的基坑深度调整在4m以内。基坑目前早已不再局限于较好的土层放坡开挖，即便不足4m，在土质较差的场地内，也有较大的风险，故对深基坑的起始标准应规定得较为严格一些。
2.8 浅基坑
一般来说，半地下室、浅基础（独立基础、条基、筏基、箱基等）、承台、地基换填、挡土墙基础、路基等开挖深度不超过4m，如果政府管理部门规定4m以上的基坑为深基坑、需岩土工程专业公司设计施工，并不会对上述施工造成不便。浅基坑大多可以采用坡率法开挖，基本以土的自稳为主，可不支护、不护面或采用一些较为简单的处理方式，如堆砂袋、木桩、型钢、挂钢筋网砂浆护面等。
2.9 稍深基槽
设立这一深级是从施工时作业人员人身安全考虑。工程界尚未有“基槽”的准确定义，一般把狭长的基坑称为基槽。市政管线埋设时产生大量基槽，基槽暴露时间较短，通常只有几天至几十天，开挖深度一般在6m以内，部分雨水管、污水管、排洪暗渠或综合管沟等埋深可能会超过。因使用时间短、相关单位及人员不重视、设计施工人员缺少经验等原因，基槽开挖支护措施往往较为简单，存在着较大的安全隐患。因为槽底狭窄，施工人员大部分工作时间都要靠近槽壁作业，一旦槽壁坍塌，后果十分严重，即基槽比基坑的安全风险更大。从深圳市施工安全监督站了解到，深圳地区近几年基坑工程没有发生人身死亡事故，但每年都有2~3起基槽开挖死亡事故，其开挖深度为2~5m（深圳市规定5m以上的基坑支护设计施工方案需进行专家评审），其实这些安全事故只需开挖坡率大一些或采用钢、木等构件简单支挡一下即可避免。笔者认为政府部门、相关单位及人员、技术标准编制者等都应对稍深基槽像深基坑一样足够重视。
3 基坑面积分级及适用的支护技术
基坑的面积比周长更能够表征基坑的规模。对上述样本的面积统计结果如表4所示。由于部分案例没有提供基坑面积，故实际样本665个。
表4 基坑面积分级表
Table 4 Level of foundation pit area
级别 微型 小型 中型 大型 超大型 巨型
面积S
/万m2 S<0.01 0.01≤S
<0.25 0.25≤S
<1.0 1.0≤S
<2.5 2.5≤
S<5.0 S≥5.0
数量/个 3 176 333 99 51 3
比例/% 0.5 26.5 50.1 14.9 7.7 0.5
巨型基坑罕见，目前了解到的有3个，施工时间均为2005年：中央电视台新址，面积约6.43万m2，深度10.5-23m；宁波科技园1-3号地块，面积约5.99万m2，深度5.5-6.8m；上海仲盛商业中心，面积约5万m2，深度15m。不少大面积地块分期建设、分期开挖，分割减小了每期基坑面积。
微型基坑通常空间效应明显，施工空间狭小，有一些较为独特的支护方法，如逆作拱墙法（俗称挖井法）、无隔墙沉井等。因为不经济、不安全、施工不方便等原因，大型及以上基坑基本不采用对撑，超大型及以上基坑极少采用环撑。开挖较深不能采用锚杆时，超大型及巨型基坑大多采用逆作或半逆作法施工。其它支护方法较少受到基坑平面尺寸的影响。
4 基坑及支护方法发展前景展望
（1）由于使用上的不方便及设计施工难度过大，超深及特深级基坑在房屋建筑中以后将增加不多，但在其它行业中的数量及深度还会继续增加。
（2）巨型基坑将增加不多，面积过大时开发商倾向于分期开发建设，以利于资金周转。
（3）对基坑止水的要求越来越高。基坑工程对周边环境的影响受到了越来越多的关注，基坑开挖造成周边地下水位下降从而引发建筑物下沉开裂产生的纠纷越来越多，给开发商及承建商造成较大的经济及工期损失的风险越来越大，这将使那些对地下水扰动较少的支护方法得到越来越多的应用。
（4）随着物权法的实施，人们越来越关注自己的地下空间的使用权利。因为很可能需要占用红线外的空间，锚杆、土钉、拉锚等受拉横向构件的应用将进一步受到限制，内支撑、逆作及半逆作、双排桩等基本不占用红线外空间的支护方法将得到越来越多的应用，一些境外较为常用的工法[6]，如地中壁法、扶壁法将会被引入研究使用。
（5）基坑变形问题将越来越受到重视，如前所述。这将促使支护设计理论及计算方法得到进一步完善与发展。
（6）土钉墙及复合土钉墙的使用将进一步减少，包括锚杆、拉锚等构件，原因为：锚杆及土钉等构件变形较大，需占用红线外空间，孔口渗水及成孔时易造成水土流失，对周边环境扰动较大，等等，如前所述。
（7）有限元法及有限差分法等数值分析方法将得到越来越多的应用。尽管短时期内数值分析方法只能作为辅助分析手段，取代不了解析分析法及经验类比法，但因其一些独特的优势，如能够良好地模拟施工过程、能够全面揭示不同工况条件下的应力及位移场、能够通过已有测量监测数据较好地分析及判断以后的发展趋势等，必将在基坑支护中得到越来越多的应用。实际上，不少城市在一些大型基坑工程中已经在应用数据分析法进行辅助设计。
（8）工程造价将不再是决定基坑支护方法的最主要因素，以人为本的治国思想在基坑工程中得到体现，基坑支护以安全、尤其是人身安全为第一要素的思想正在深入人心并得到贯彻执行。
（9）基坑支护新工艺的推出步伐变缓，支护方法向组合化、联合化、多样化发展，即把两、三种支护形式结合应用，扬长避短，优势互补。新技术的表现形式将主要为新设备及具有低碳、节能、减排特征的环保型技术。
参考文献：
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