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1、第4章 深基坑支护技术4.1 概述近年来，随着我国经济建设和城市建设的迅速发展，地下工程日益增多。高层建筑地下室、地铁车站、地下车库、地下商场、地下人防工程、桥墩等施工时都需要开挖较深的基坑。大量深基坑工程的出现，促进了设计计算理论的提高和施工工艺的发展，通过大量的工程实践和科学研究，逐步形成了基坑工程这一新的学科。深基础施工是大型和高层建筑施工中极其重要的环节，而深基坑支护结构技术无疑是保证深基础顺利施工的关键。4.1.1基坑工程发展现状我国的基坑工程发展于上世纪70年代末，那时只有少量的大型工程项目有开挖深度达10m以上的基坑工程，这些工程大多选址在较少或没有周边建筑物、地下构造物的地区，
2、因此深基坑支护技术的研究并没有得到足够的重视。到上世纪80年代后期，尤其是90年代以来，我国的经济实力有了飞速的发展，充分利用地下空间建造地下车库、商场和人防设施来解决我国人多地少的矛盾已在城市建设中形成共识。同时城市高层建筑越来越多，这些高层建筑大都有13层的地下室，基坑开挖深度通常达到6m20m。一些大城市，如北京、上海、天津、广州的地铁工程的建设也需要进行大规模的地下开挖。近十余年来，我国先后召开了若干关于深基坑工程的国内、国际学术交流会。国家先后颁布实施了行业标准建筑基坑工程技术规范(YBJ9258-97)和建筑基坑支护技术规程(JGJ 120-99)。上海、深圳、武汉、广东、浙江、江
3、苏等省市也陆续制订了基坑工程的地方标准。新颁布的国家标准建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)也增加了“基坑工程”一章。2005年建设部将深基坑工程列为今后十年我国建筑业10项重点研究发展的新技术之一。总体来看，我国的基坑工程有以下特点：（1）基坑越挖越深。随着城市人口的急剧增加，城市土地资源日益紧张，为了在有限的土地上创造最大限度的经济收益，建筑投资者们不得不向空间发展。80年代以前，即使是在大城市，高层建筑的数量也是屈指可数，12层的地下室也不普遍，在中等城市，更是少见。现在大城市，高层、超高层建筑鳞次栉比，地下室已发展至34层，所以，基坑深度有许多已大于10米，个别的已达到30
4、米以上。（2）工程地质条件和施工环境越来越差。由于经济的高速发展，高层、超高层建筑如雨后春笋，数量急剧增长，而且主要集中在市区繁华地段。建筑密度大，人口密集，交通拥挤，场地狭小，施工环境很差。城市建设往往要根据城市规划部门的安排，区域可选性越来越小，在有些情况下，地质条件可选性差。在这种情况下，在深基坑施工过程中，不仅要保证本基坑的作业安全，而且更要保证周围其它建筑、道路、管线的正常运营。（3）基坑支护方法多。随着支护技术和理论的日益成熟，支护经验的不断交流，新的支护方法层出不穷。诸如人工挖孔桩、预制桩、深层搅拌桩、地下连续墙、钢支撑、木支撑、抗滑桩、拉锚、注浆、喷锚挂网支护等，各种桩、板、墙
5、、锚杆以及土钉墙的联合支护等，应有尽有，各显神通。（4）基坑工程事故多。此问题在建筑界显得异常突出，基坑与边坡工程事故危及四邻安全；给周围群众的生产、生活带来很大的不便，影响居民的正常生活；造成市政交通堵塞。深基坑事故的屡屡发生，给国家和人民的生命财产造成了很大损失。（5）对基坑工程的时空效应与环境效应重视不够。基坑的深度和平面形状对基坑围护体系的稳定性和变形有较大的影响，空间效应的存在使得支挡结构所受土压力与经典土压力有较大的不同，在基坑围护体系设计和施工中要注意工程的空间效应，并加以利用。此外，基坑工程的开挖势必引起周围地基中地下水位的变化和应力场的改变，导致周围地基土体的变形，对相邻建筑
6、、构筑物及地下管线产生影响。目前，对这两点重视不够。因此，对基坑工程的空间效应与环境效应应予以重视。（6）深基坑技术有待于尽快发展提高，以适应当前工程的需要。当前深基坑开挖支护工程已发展到以深大复杂为特点的新时期，特别是沿海地区，地下水位较高，深基坑工程施工工艺有待于进一步的研究和发展。4.1.2深基坑支护方法尽管工程界流行深、浅基坑的说法，但目前并没有严格区分深、浅基坑的统一标准。Terzaghi和Peck曾于1967年建议把深度超过6m的基坑称为深基坑，但未得到普遍认可。国内也有人视深度超过5m的基坑为深基坑。现一般认为，当开挖深度大于67m时，便可以看作是深基坑。基坑支护是指为保证地下室
7、施工及周边环境的安全，对基坑侧壁及周边环境采用的支挡、加固保证措施等。支护结构主要承受侧向压力，包括水土压力及地面荷载、邻近建筑物基底压力、相邻场地施工荷载等引起的附加压力，以水土压力为主。土压力是基坑周围一定范围内的土体与支护结构之间相互作用的结果。传统的支护设计理论是把基坑周围土体当作荷载，作为支护结构的“对立面”，然后根据围护墙的位移情况，分别按静止土压力、主动土压力或被动土压力来进行支护设计，称此类支护为被动支护。事实上，基坑周围土体具有一定的自支撑能力，可以将它用作支护材料的一部分，源于这一观点的支护设计是设法充分发挥和提高基坑周围土体的自支撑能力并补强其不足部分，称此类支护为主动支
8、护。一、被动支护被动支护是一种被广泛应用的、传统的深基坑支护方法，其支护结构主要包括围护墙和撑锚体系，对排桩式围护墙通常还包括止水帷幕。1、围护墙(1)排桩式围护墙为简便起见，并参照建筑基坑支护技术规程(JGJ120-99)的规定，把采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制钢筋混凝土桩、钢板桩等桩型按队列式布置组成的墙体均归为排桩式围护墙。按布桩方式，排桩围护墙可分为柱列式排桩围护墙、连续排桩围护墙和双排桩围护墙等。对于开挖深度在610m左右的各安全等级基坑均可采用排桩围护墙支护。(2)地下连续墙地下连续墙是先在地面以下开挖一段狭长的深槽，其内充满泥浆以保护槽壁稳定，然后吊放钢筋笼，水下浇筑混凝土，筑
9、成一段钢筋混凝土墙段，再将这些墙段连接起来形成的地下墙壁。它在施工时噪音和振害较少，除用作基坑施工时的围护墙外，一般还是地下结构的一部分。它适用于各种地质条件和安全等级的基坑，并可进行逆筑法施工。2、撑锚体系(1)内支撑内支撑是设置于基坑内部，承受围护墙传来的水土压力等外荷载的结构体系，由支撑、围檩(腰梁)和立柱等构件组成，排桩式围护墙顶部还设置帽梁(冠梁)。在软土地区，特别是建(构)筑物密集的城市中开挖深基坑，内支撑被广泛应用。目前采用的支撑材料主要有型钢、钢管和钢筋混凝土等。内支撑平面布置形式除了惯用的井字形加角撑外，针对不同的基坑平面形状，巧妙地运用力学原理，还开发应用了圆形、椭圆形钢筋
10、混凝土环梁封闭式桁架平面布置。为达到增大坑内挖土空间，而又能保证支撑体系刚度的目的，近年来采用了边桁架代替传统的围檩、受力性能良好的曲线型杆代替单一的直杆、桁架杆代替实腹杆等新技术。此外，还常将一些方便施工的栈桥和起重机架等与内支撑结构相结合，使之成为整体的支撑系统，以达到增加支撑刚度和方便施工的双重目的。(2)拉锚当施工场地周围条件许可且工程地质较好时，可采用坑外拉锚形成对围护墙的支撑作用。拉锚形式有土层锚杆、锚碇拉锚和锚桩拉锚等。土层锚杆在深基坑支护中被广泛应用，它设置在围护墙背后，为挖土、地下结构施工创造了条件。土层锚杆的一端通过围檩与围护墙连接，另一端深入稳定的土层中。土层锚杆由锚固头
11、、拉杆和锚固体组成，分自由段和锚固段两部分。拉杆可以是粗钢筋、钢筋束或钢铰线，以钢铰线为多用。传统土层锚杆的锚固体为水泥砂浆圆柱体，后又出现了带扩大头或通过多次高压注浆形成的葫芦串锚固体。为回收拉杆材料，近年还成功地设计和施工了可拆卸式土层锚杆。目前土层锚杆的设计理论还落后于工程实践，致使设计和施工不当而造成的浪费和工程事故不少。二、主动支护主动支护是以充分发挥和提高基坑周围土体自支撑能力的新型支护方法，其发挥和提高土体自支撑能力可以从物理、化学和几何的途径着手，相应的支护型式主要有以下几种。1、水泥土墙支护水泥土墙是在搅拌桩的基础上基于化学加固土体的机制，于20世纪70年代初在瑞典发展起来的
12、一种主动支护型式。我国于70年代末开始研究和应用，90年代初才开始大量应用于基坑工程实践中。它是利用水泥系材料作固化剂，通过特殊的拌和机械(如深层搅拌机或高压旋喷机)就地将原状土和固化剂(粉体或浆体)强制拌和，经过土与固化剂(或掺和料)产生一系列物理化学作用，形成具有一定强度、整体性和水稳性的重力式支护结构。一般适用于开挖深度不大于6m，基坑侧壁安全等级为二、三级，且水泥土桩施工范围内地基土承载力不大于150KPa的情况。在水泥搅拌桩内加劲性型钢，形成复合围护墙，这种在日本己经成熟应用的方法(SMW工法)，早年由于我国经济条件不允许消耗大量造价高的型钢，而未能得到推广应用。近些年由于工字型钢拔
13、出技术、钢管甚至竹木加劲部分地取代型钢加劲技术的研究成功，使SMW工法在我国得到推广应用并有所创新。特别是在上海、广州、深圳等沿海城市，当前正在广泛使用。2、土钉墙支护土钉墙是在新奥法的基础上基于物理加固土体的机制，于20世纪70年代在德国、法国和美国发展起来的一种主动支护型式。我国于80年代初应用于矿山边坡支护，后在基坑支护中迅速推广应用。它由被加固土、放置于原位土体中的细长金属杆件(土钉)及附着于坡面的混凝土面板组成，形成一个类似于重力式的支护结构。土钉墙通过在土体内放置一定长度和密度的土钉，使土钉与土共同工作来大大提高原状土的强度和刚度。土钉墙支护一般适用于开挖深度不大于12m，侧壁安全
14、等级为二、三级的非软土场地基坑。当地下水位高于坑底时，应采取降排水或截水措施。3、喷锚支护喷锚支护是在新奥法的基础上基于物理加固土体的机制，于20世纪90年代在我国发展起来的一种主动支护型式。它与土钉墙支护在施工工艺上有相似之处，但在构造、作用机理和适用等方面有较大差别。构造上，喷锚支护的锚杆较长，要伸入滑移线以外的稳定土层中，分自由段和锚固段；土钉则较短，大多位于滑移线以内或附近，无自由段、锚固段之分。此外，土钉设置间距比锚杆密得多。工作机理方面，喷锚支护是利用锚杆逐次超前“缝合”优势滑移控制面的裂缝而使土体形成整体的自稳能力，土钉墙支护则利用土钉与土体的共同工作，以弥补土体自身强度和刚度的
15、不足。适用上，土钉墙支护一般不适于流砂、淤泥和淤泥质土等粘结力低的软弱土层，而喷锚支护则在这类土层中有较好的适应性。喷锚支护基坑最大开挖深度目前己达18m，在淤泥地基，坑深也已超过10m。4、冻结支护冻结支护是基于物理加固土体的机制，应用人工制冷技术，使基坑周围土层中的水结冰形成一道具有一定强度、整体性的冻土墙，它既能挡土又能止水。冻结法施工在采矿工程中已经得到了广泛的应用，进行了大量的研究，积累了较丰富的经验，用于深基坑支护则是近几年的事。冻结支护适应于各种复杂的地质条件，尤其在淤泥、淤泥质土及流砂层中更显示出优越性。采用冻结支护时，基坑工程的设计内容和要求将有非常大的变化，目前仅做了少量试
16、验性工程。在某些地区，它是一种很有前途的深基坑支护新技术。5、拱形支护拱形支护是出于围护墙的几何形状与受力特性方面的考虑，在我国于20世纪90年代发展起来的一种新型的主动支护型式。它是利用基坑有利的平面现状，把围护墙做成圆形、椭圆形、组合抛物线形或连拱式等形式，以充分发挥支护结构的空间效应、土体的结构强度和材料的力学性能。一方面作用在闭合拱形围护墙上的水土压力大部分可自行平衡或得到调节；另一方面利用土体自身的起拱作用，可减小作用于围护墙上的水土压力；再者，围护墙基本处于受压状态，可充分发挥混凝土材料的强度特性。围护墙可采用排桩、地下连续墙或现浇逆作拱墙等。根据受力情况，可设置围檩甚至内支撑或土层锚杆。其中逆作拱墙尤如人工挖孔桩的护壁施工，是一种无嵌固深度的围护墙，它一般适用于开挖深度不大于12m，侧壁安全等级为二、三级的基坑，当地下水位高于坡脚时，应采取降水措施，对淤泥或淤泥质土不宜采
