1、基坑支护结构类型及选择原则摘要: 介绍了基坑工程的发展概况、常见的基坑类型和设计原则关键词: 基坑工程；支护结构类型；设计原则基坑工程是为保证基坑施工、主体地下结构的安全和周边环境不受损害而采取的支护结构、降水止水、土方开挖和回填工程的简称。主要包括基坑支护体系设计与施工和土方开挖，是一项综合性很强的系统工程：涉及土力学强度、稳定、变形问题；涉及土与支护结构相互作用的问题。随着土力学理论、测试技术、计算技术、施工机械、施工技术的发展而发展。它要求岩土工程和结构工程技术人员密切配合。以下简单介绍基坑工程的发展概况、基坑工程中常见的支护结构类型及不同地基土条件下的基坑工程支护结构选型原则。 1.基
2、坑工程的发展概况基坑工程是一个古老而又有时代特点的岩土工程课题。事实上，基坑工程的历史发展可以追溯到史前，早在远古时代，人类就开始进行放坡开挖和简易木桩维护。我国木桩基础的使用，可以追溯到距今六、七距今千年的的河姆渡文化时期。此后的数千年为基坑工程的发展的第一时期。18 世纪 60 年代起至 20 世纪 30 年代，为基坑工程发展的第二历史时期，基坑工程的的施工由纯粹的手工操作、体力劳动，发展为半机械化或局部机械化作业。哟其实铁路时代的来临，码头、港口的兴建，都带来了一系列的工程技术问题，这也促使了理论探索和技术研究的发展和创新，正式拉开了基坑工程学术研究的序幕进入 20 世纪以后，随着高层建
3、筑的发展，基坑工程受到进一步重视，等格尔斯大楼建成以后，世界上许多城市纷纷兴建高层，这一时期现代意义的土木工程出现了，对基坑工程的新要求也随之而来，人们开始进行理论探索和技术创新。这段时期被称为基坑工程的孕育时期，20 世纪 30 年代，Terzaghi 等人已开始研究基坑中的岩土问题，提出了预估挖方稳定程度和支承荷载总应力法。这一理论方法，一直沿用至今，但根据许多工程实例的经验总结，已有了许多改进和修正；Bjerrum 和Eide 在 50 年代提出了基坑隆起的分析方法； 60 年代在奥斯陆等地的基坑开挖中开始实施施工监测，并逐步使用，信息化技术完善；从 70 年代起，许多国家陆续制订了指导
4、基坑开挖与支护设计和施工的法规.我国于 20 世纪 80 年代初才开始出现大量的基坑工程. 80 年代前，国内为数不多的高层建筑的地下室多为一层，基坑深不过 4 m，常采用放坡开挖就可以解决问题.到 80 年代，随着高层建筑的大量兴建，开始出现两层地下室，开挖深度一般在 8 m 左右，少数超过 10 m. 进入 90 年代，我国制定了基坑开挖与支护设计和施工的法规，我国的高层建筑迅猛发展，同时各地还兴建了许多大型地下市政设施、地下商场、地铁车站等，导致多层地下室逐渐增多，基坑开挖深度超过 10 m 的比比皆是。逆作法施工技术广泛使用。由于城市高层建筑的迅速发展，地下停车场、高层建筑埋深、人防等
5、各种需要，高层建筑需要建设一定的地下室。近几年，由于城市地铁工程的迅速发展地铁车站、局部区间明挖等也涉及大量的基坑工程，在双线交叉的地铁车站，基坑深达 20-30m。水利、电力也存在着地下厂房、地下泵房的基坑开挖问题。 进入 21 世纪，随着经济的发展和社会的进步，大城市的高层建筑，地下建筑，还有隧道等工程的大幅度增加，而同时为了节省土地，充分利用地下空间，深基坑工程也随之不断增加，在双线交叉的地铁车站，基坑深达 20-30m。水利、电力也存在着地下厂房、地下泵房的基坑开挖问题。无论是高层建筑还是地铁的深基坑工程，由于都是在城市中进行开挖，基坑周围通常存在交通要道、已建建筑或管线等各种构筑物，
6、这就涉及到基坑开挖的一个很重要内容，要保护其周边构筑物的安全使用。而一般的基坑支护大多又是临时结构、投资太大也易造成浪费，但支护结构不安全又势必会造成工程事故，这就对预估变形法提出了更高的要求，都有赖于有限元等现代分析方法和土工参数的正确选择，所以单纯常规的室内试验不足以满足要求，为了获得较为满意的结果，开始把室内试验、现场测验和检测结果相结合。2.基坑支护的类型及其特点和适用范围 基坑的几何特征、开挖深度、工程地址和水文条件、周边环境特点、施工作业设备、施工季节及不同地区建设行政主管部门的管理规定等，决定了该地区基坑支护的技术形式。进入 21 世纪以后，城市建筑不断朝着多、高、深、密、近、大
7、、复杂方向发展，基坑支护技术也不断呈现出新的变化：基坑数量多； 基坑平均深度越来越深；基坑来源广泛；基坑的规模大；基坑周边建筑物林立、距离越来越近，市政管线密布，环境越来越复杂； 开挖技术向多元化、复杂化、组合化发展，各种明挖、暗挖（盾构、导向钻进、逆作等） 、盖挖等开挖形式并存。1 放坡开挖 适用于周围场地开阔，周围无重要建筑物，地基土质较好只要求稳定，位移控制五严格要求，价钱最便宜，回填土方较大。 2 深层搅拌水泥土围护墙 深层搅拌水泥土围护墙是采用深层搅拌机就地将土和输入的水泥浆强行搅拌，形成连续搭接的水泥土柱状加固体挡墙。水泥土围护墙优点:由于一般坑内无支撑，便于机械化快速挖土;具有挡
8、土、止水的双重功能;一般情况下较经济;施工中无振动、无噪音、污染少、挤土轻微，因此在闹市区内施工更显出优越性。水泥土围护墙的缺点: 首先是位移相对较大，尤其在基坑长度大时，为此可采取中间加墩、起拱等措施以限制过大的位移;其次是厚度较大，只有在红线位置和周围环境允许时才能采用，而且在水泥土搅拌桩施工时要注意防止影响周围环境。 3 高压旋喷桩 高压旋喷桩所用的材料亦为水泥浆，它是利用高压经过旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合形成水泥土加固体，相互搭接形成排桩，用来挡土和止水。高压旋喷桩的施工费用要高于深层搅拌水泥土桩，但其施工设备结构紧凑、体积小、机动性强、占地少，并且施工机具的振动很小，噪音也
9、较低，不会对周围建筑物带来振动的影响和产生噪音等公害，它可用于空间较小处，但施工中有大量泥浆排出，容易引起污染。对于地下水流速过大的地层，无填充物的岩溶地段永冻土和对水泥有严重腐蚀的土质，由于喷射的浆液无法在注浆管周围凝固，均不宜采用该法。 4 槽钢钢板桩 这是一种简易的钢板桩围护墙，由槽钢正反扣搭接或并排组成。槽钢长 68m ，型号由计算确定。其特点为:槽钢具有良好的耐久性，基坑施工完毕回填土后可将槽钢拔出回收再次使用;施工方便，工期短;不能挡水和土中的细小颗粒，在地下水位高的地区需采取隔水或降水措施;抗弯能力较弱，多用于深度4m 的较浅基坑或沟槽，顶部宜设置一道支撑或拉锚;支护刚度小，开挖
10、后变形较大。 5 钢筋混凝土板桩 钢筋混凝土板桩具有施工简单、现场作业周期短等特点，曾在基坑中广泛应用，但由于钢筋混凝土板桩的施打一般采用锤击方法，振动与噪音大，同时沉桩过程中挤土也较为严重，在城市工程中受到一定限制。此外，其制作一般在工厂预制，再运至工地，成本较灌注桩等略高。但由于其截面形状及配筋对板桩受力较为合理并且可根据需要设计，目前已可制作厚度较大(如厚度达 500mm 以上) 的板桩，并有液压静力沉桩设备，故在基坑工程中仍是支护板墙的一种使用形式。 6 钻孔灌注桩 钻孔灌注桩围护墙是排桩式中应用最多的一种，在我国得到广泛的应用。其多用于坑深 715m 的基坑工程，在我国北方土质较好地
11、区已有 89m 的臂桩围护墙。钻孔灌注桩支护墙体的特点有:施工时无振动、无噪音等环境公害，无挤土现象，对周围环境影响小;墙身强度高，刚度大，支护稳定性好，变形小;当工程桩也为灌注桩时，可以同步施工，从而施工有利于组织、方便、工期短;桩间缝隙易造成水土流失，特别时在高水位软粘土质地区，需根据工程条件采取注浆、水泥搅拌桩、旋喷桩等施工措施以解决挡水问题;适用于软粘土质和砂土地区，但是在砂砾层和卵石中施工困难应该慎用;桩与桩之间主要通过桩顶冠梁和围檩连成整体，因而相对整体性较差，当在重要地区，特殊工程及开挖深度很大的基坑中应用时需要特别慎重。7 地下连续墙 通常连续墙的厚度为 600mm、800mm
12、、1000mm，也有厚达 1200mm 的，但较少使用。地下连续墙刚度大，止水效果好，是支护结构中最强的支护型式，适用于地质条件差和复杂，基坑深度大，周边环境要求较高的基坑，但是造价较高，施工要求专用设备。 8 土钉墙 土钉墙是一种边坡稳定式的支护，其作用与被动的具备挡土作用的上述围护墙不同，它是起主动嵌固作用，增加边坡的稳定性，使基坑开挖后坡面保持稳定。土钉墙主要用于土质较好地区，我国华北和华东北部一带应用较多，目前我国南方地区亦有应用，有的已用于坑深 10m 以上的基坑，稳定可靠、施工简便且工期短、效果较好、经济性好、在土质较好地区应积极推广。 9 SMW 工法 SMW 工法亦称劲性水泥土
13、搅拌桩法，即在水泥土桩内插入 H 型钢等(多数为 H 型钢，亦有插入拉森式钢板桩、钢管等) ，将承受荷载与防渗挡水结合起来，使之成为同时具有受力与抗渗两种功能的支护结构的围护墙。SMW 支护结构的支护特点主要为:施工时基本无噪音，对周围环境影响小;结构强度可靠，凡是适合应用水泥土搅拌桩的场合都可使用，特别适合于以粘土和粉细砂为主的松软地层;挡水防渗性能好，不必另设挡水帷幕;可以配合多道支撑应用于较深的基坑;此工法在一定条件下可代替作为地下围护的地下连续墙，在费用上如果能够采取一定施工措施成功回收 H 型钢等受拉材料;则大大低于地下连续墙，因而具有较大发展前景。基坑支护型式的合理选择，是基坑支护
14、设计的的首要工作，应根据地质条件，周边环境的要求及不同支护型式的特点、造价等综合确定。一般当地质条件较好，周边环境要求较宽松时，可以采用柔性支护，如土钉墙等；当周边环境要求高时，应采用较刚性的支护型式，以控制水平位移，如排桩或地下连续墙等。同样，对于支撑的型式，当周边环境要求较高地质条件较差时，采用锚杆容易造成周边土体的扰动并影响周边环境的安全，应采用内支撑型式较好；当地质条件特别差，基坑深度较深，周边环境要求较高时，可采用地下连续墙加逆作法这种最强的支护型式。3.基坑支护的设计原则 基坑支护作为一个结构体系，应要满足稳定和变形的要求，即通常规范所说的两种极限状态的要求，即承载能力极限状态和正
15、常使用极限状态。所谓承载能力极限状态，对基坑支护来说就是支护结构破坏、倾倒、滑动或周边环境的破坏，出现较大范围的失稳。一般的设计要求是不允许支护结构出现这种极限状态的。而正常使用极限状态则是指支护结构的变形或是由于开挖引起周边土体产生的变形过大，影响正常使用，但未造成结构的失稳。因此，基坑支护设计相对于承载力极限状态要有足够的安全系数，不致使支护产生失稳。基坑侧壁安全等级及重要性系数安全等级 破坏后果 0一级 支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响很严重1.10二级 支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响一般1.00三级 支护结构破坏、土体失
16、稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响不严重0.90在保证不出现失稳的条件下，还要控制位移量，不致影响周边建筑物的安全使用。因而，作为设计的计算理论，不但要能计算支护结构的稳定问题，还应计算其变形，并根据周边环境条件，控制变形在一定的范围内。一般的支护结构位移控制以水平位移为主，主要是水平位移较直观，易于监测。水平位移控制与周边环境的要求有关，这就是通常规范中所谓的基坑安全等级的划分，对于基坑周边有较重要的构筑物需要保护的，则应控制小变形，此即为通常的一级基坑的位移要求；对于周边空旷，无构筑物需保护的，则位移量可大一些，理论上只要保证稳定即可，此即为通常所说的三级基坑的位移要求；介于一级
17、和三级之间的，则为二级基坑的位移要求。对于一级基坑最大水平位移，一般宜不大于 30mm，对于较深的基坑，应小于 0.3H ，H 为基坑开挖深度。对于一般的基坑，其最大水平位移也宜不大于50mm。一般最大水平位移在 30mm 内地面不致有明显的裂缝，当最大水平位移在40-50mm 内会有可见的地面裂缝，因此，一般的基坑最大水平位移应控制不大于50mm 为宜，否则会产生较明显的地面裂缝和沉降，感观上会产生不安全的感觉。一般较刚性的支护结构，如挡土桩、连续墙加内支撑体系，其位移较小，可控制在30mm 之内，对于土钉支护，地质条件较好，且采用超前支护、预应力锚杆等加强措施后可控制较小位移外，一般会大于
18、 30mm。当场地内有地下水时，应根据场地及周边区域的工程地质条件、水文地质条件、周边环境情况和支护结构与基础形式等因素，确定地下水位控制方法。当场地周围有地表水汇流、排泻或地下水管渗漏时，应对基坑采取保护措施。当有条件时，基坑应采用局部或全部放坡开挖，放坡坡度应满足其稳定性要求。4.总结经过了 20 多年的发展，我国在基坑支护设计研究方面取得了很大的成就，这种成就主要表现为两方面：其一为支护设计理论从最初的强度控制与稳定分析的粗略设计到近几年来所提出的变形控制设计。如果基坑变形达到限制要求，那么强度和稳定性自然会满足，反过来如果强度和稳定性达到要求，则变形限制不一定能达到，因此，变形控制既是
19、设计目的，也是设计方法。其二为支护结构形式的多样化。传统的桩、墙、撑、锚、拉等都属于被动支护形式，即通过被动地抵抗土体的作用力并与之平衡来达到支护目的，现在的趋势则是从经济与安全的角度出发，从改善土的性能入手，尽量最大限度地调动土体自身强度。随着城市建设的发展，开发三维城市空间便成为了必然，目前各类用途的地下空间已经在世界的各大城市得到了开发和利用，高层建筑的多层地下室、地下铁道及地下车站、地下停车站、地下停车库等多种地下设施，大型工业建筑及厂房也对其地下结构提出了新的要求。为了满足社会主义现代化建设的需要，相信在以后的基坑工程实践中，随着支护理论的不断发展和支护技术的不断进步，新技术的不断推
20、广，基坑工程技术水平将会不断提高和发展，深基坑工程必将日益完善。参考文献: 1 建筑基坑支护技术规范 JGJ 12099，19992 龚晓南,高有潮. 基坑工程设计施工手册M . 北京:中国建筑工业出版社,1998.3 刘国彬,侯学渊,黄院雄. 基坑工程发展的现状与趋势 J. 地下空间, 1998. 4 张羽. 基坑开挖与邻近桩基础的相互影响分析D. 同济大学, 2007 . 5 刘建航，侯学渊. 基坑工程手册M. 北京：中国建筑工业出版社，1997. 6 夏明耀,曾进伦.地下工程设计施工手册M. 北京：中国建筑工业出版社，1999. 7 姚爱国,汤凤林,SmithI.M. 基坑支护结构设计方
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