惠州建筑工程设计院

基坑工程方案比选
一、概述
随着经济的发展,城市化步伐的加快,结合城市建设和改造开发大型地下空
间已成为一种必然,如上海市地下空间开发面积达 10~30万平方米的地下综合体
项目近年来多达几十个,基坑开挖面积一般可达 2~6万平方米。进入二十一世纪
以来基坑工程呈现“大、深、紧、近”等特点,近年来建筑基坑工程呈现新的特
点,各种新型的围护型式、施工工艺不断涌现。因此有必要对基坑工程的设计方
案进行比选。
1、基坑工程的特点:
基坑工程的最基本的作用是为了给地下工程敞开开挖创造条件。 正是因为这
个基本作用,决定了基坑工程的特点:
(1)、安全储备小、风险大。一般情况下,基坑工程作为临时性措施,基坑
围护体系在设计计算时有些荷载,如地震荷载不加考虑,相对于永久性结构而言,
在强度、变形、防渗、耐久性等方面的要求较低一些,安全储备要求可小一些。 。
因此,基坑工程具有较大的风险性,必须要有合理的应对措施;
(2)、制约因素多。基坑工程与自然条件的关系较为密切, 设计施工中必须
全面考虑气象、工程地质及水文地质条件及其在施工中的变化, 充分了解工程所
处的工程地质及水文地质、周围环境与基坑开挖的关系及相互影响。 另外,还要
受到相邻的建筑物、地下构筑物和地下管线等的影响,周边环境的容许变形量、
重要性等也会成为基坑工程设计和施工的制约因素, 甚至成为基坑工程成败的关
键。
(3)、计算理论不完善。基坑工程作为地下工程,所处的地质条件复杂,影
响因素众多,人们对岩土力学性质的了解还不深入, 很多设计计算理论,如岩土
压力、岩土的本构关系等,还不完善,还是一门发展中的学科;
(4)、综合性知识经验要求高。基坑工程的设计和施工不仅需要岩土工程方
面的知识,也需要结构工程方面的知识。 同时,基坑工程中设计和施工是密不可
分的,设计计算的工况必须和施工实际的工况一致才能确保设计的可靠性。
2、设计条件:
2.1、工程地质与水文地质条件
基坑支护结构的设计、施工,首先要阅读和分析岩土工程地质勘察报告, 了
解土层分布情况及其物理、力学性质、水文地质情况等,以便选择合适的支护结
构体系和进行设计计算。
工程地质与水文地质条件是进行基坑支护结构设计、 坑内地基加固设计、降
水设计、土方开挖等的依据。基坑工程的岩土勘察一般并不单独进行, 而是与主
体工程的地基勘察同步进行,因此勘察方案及勘察工作量应根据主体工程和基坑
工程的设计与施工要求统一制定。 在进行基坑工程的岩土勘察前,委托方应提供
基本的工程资料和设计对勘察的技术要求、 建设场地及周边的地下管线和设施资
料、以及可能采用的支护方式、施工工艺要求等。
2.2、周边环境条件
环境保护是基坑工程的重要任务之一, 在建筑物密集、管线众多的区域尤其
突出。由于对周围建(构)筑物及设施情况不了解,就盲目开挖造成损失的实例
很多,且有些后果十分严重。因此基坑工程在支护设计前应开展环境调查工作,
了解影响区内道路、管线、建(构)筑物的详细资料,从而为设计和施工采用针
对性的保护措施提供依据。
2.3、主体结构设计条件与施工条件
主体结构的设计资料是基坑支护结构设计必不可少的依据。 基坑工程总体方
案设计时应具备建筑总平面图、各层建筑、结构平面图、建筑剖面图、基础结构
与桩基设计资料等。
基坑现场的施工条件也是支护结构设计的重要依据, 主要应考虑工程所在地
的施工经验与施工能力、场地周边对施工期间在交通组织、 噪音、振动以及工地
形象等方面的要求、当地政府对施工的有关管理规定、 场地内部对土方、材料运
输以及材料堆放等方面的要求等。
2.4、设计规范与标准
我国的岩土工程技术标准种类繁多, 关系比较复杂,其中与基坑工程有关的
规范、规程,即有国家标准如:《建筑边坡工程技术规范》(GB50330)、《建筑地
基基础设计规范》(GB50007)、《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086)等;
行业性的标准如:《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120)、《建筑基坑工程技术规范》
(YB9258);专业协会制定的标准如《基坑土钉支护技术规程》 (CECS96)、《岩
土锚杆(索)技术规程》(CESC 22);各个省市地区制定的地方性标准如:上海
市标准《基坑工程设计规程》(DBJ08-61)、天津市标准《岩土工程技术规范》
(DB29-20)、广东省标准《建筑基坑支护工程技术规程》 (DBJ/T15-20)、浙江
省标准《建筑基坑工程技术规程》(DB33/T1008)等。
二、基坑总体方案选型
基坑工程总体方案主要有顺作法和逆作法两类基本形式, 它们具有各自鲜明
的特点。在同一个基坑工程中,顺作法和逆作法也可以在不同的基坑区域组合使
用,从而在特定条件下满足工程的技术经济性要求。方案分类如图 1所示:
图 1 基坑总体方案分类
1、顺作法方案
基坑支护结构通常由围护墙、隔水帷幕、水平内支撑系统(或锚杆系统)以
及支撑的竖向支承系统组成。所谓顺作法,是指先施工周边围护结构,然后由上
而下分层开挖,并依次设置水平支撑(或锚杆系统) ,开挖至坑底后,再由下而
上施工主体地下结构基础底板、竖向墙柱构件及水平楼板构件,并按一定的顺序
拆除水平支撑系统,进而完成地下结构施工的过程。当不设支护结构而直接采用
放坡开挖时,则是先直接放坡开挖至坑底,然后自下而上依次施工地下结构。
顺作法是基坑工程的传统开挖施工方法, 施工工艺成熟,支护结构体系与主
体结构相对独立,相比逆作法,其设计、施工均比较便捷。由于是传统工艺,对
施工单位的管理和技术水平的要求相对较低, 施工单位的选择面较广。另外顺作
法相对于逆作法而言,其基坑支护结构的设计与主体设计关联性较低, 受主体设
计进度的制约小,基坑工程有条件尽早开工。
顺作法常用的总体方案包括放坡开挖、 直立式围护体系和板式支护体系三大
类。
1.1、放坡开挖
放坡开挖一般适用于浅基坑。由于基坑敞开式施工,因此工艺简便、造价经
济、施工进度快。但这种施工方式要求具有足够的施工场地与放坡范围。 放坡开
挖示意图如图 2
图 2 放坡开挖示意图
1.2、直立式围护体系
(1)水泥土重力式围护和土钉支护
采用水泥土重力式围护和土钉支护的直立式围护体系经济性较好, 由于基坑
内部开敞,土方开挖和地下结构的施工均比较便捷。 但自立式围护体需要占用较
宽的场地空间,因此设计时应考虑红线的限制。此外设计时应充分研究工程地质
条件与水文地质条件的适用性。由于围护体施工质量难以进行直观的监督, 易引
起施工质量不佳问题,从而导致环境变形乃至工程事故。 水泥土重力式围护和土
钉支护的示意图如图 3所示。
图 3 水泥土重力式围护示意图(左) 、土钉支护示意图(右)
(2)悬臂板式支护
悬臂板式支护可用于必须敞开式开挖、 但对围护体占地宽度有一定限制的基
坑工程。其采用具有一定刚度的板式支护体, 如钻孔灌注桩或地下连续墙。 单排
悬臂灌注桩桩支护一般用于浅基坑, 在工程实践中,由于其变形较大,且材料性
能难以充分发挥,经济性不好,适用范围很小。双排桩、格形地下连续墙等围护
体型式所构成的悬臂板式支护体系适用于中等开挖深度、 且对围护变形有一定控
制要求的基坑工程。双排桩围护的剖面示意图、格型地下连续墙支护的平面示意
图如图4。
图 4 双排桩支护剖面示意图(左) 、格形地下连续墙支护平面(右)
1.3、板式支护体系
板式支护体系由围护墙和内支撑(或锚杆)组成,围护墙的种类较多,包括
地下连续墙、 灌注排桩围护墙、型钢水泥土搅拌墙、钢板桩围护墙及钢筋混凝
土板桩围护墙等。内支撑可采用钢支撑或钢筋混凝土支撑。
1)围护墙结合内支撑系统
在基坑周边环境条件复杂、变形控制要求高的软土地区,围护墙结合内支撑
系统是常用与成熟的支护型式。 当基坑面积不大时,其技术经济性较好。但当基
坑面积达到一定规模时,由于需设置和拆除大量的临时支撑,因此经济性较差。
此外,支撑体系拆除时围护墙会发生二次变形, 拆撑爆破以及拆撑后废弃的混凝
土碎块都也会对环境产生不利影响。典型的基坑支护剖面如图 5(左)所示
图 5 典型的围护墙结合内支撑系统示意图(左) 、围护墙结合斜坡支撑示意图(右)
对于超大面积的基坑工程,采用如图 5(左)所示的支护方式时存在支撑太
长、支撑传力效果不佳、支撑量大等问题,此时可采用中心岛式开挖方案,即先
保留围护墙处一定宽度的土体,以抵抗坑外侧的土压力,然后将基坑中部的土体
挖除,再施工中部的主体结构,再利用中部已施工好的主体结构反力架设支撑,
然后将周围的土体挖除,施工周围部分的主体结构,最后拆除支撑。这种方案出
土便捷,经济效果好,但基坑周边的地下结构需要二期施工,工艺复杂。当基坑
开挖深度较浅时,可采用如图 5(右)所示的围护墙结合斜坡撑形式,当基坑开
挖深度较大时,可采用如图 6(左)所示的中心岛结合周边多道支撑形式。
图 6 中心岛结合周边多道支撑示意图(左) 、围护墙结合锚杆系统(右)
2)围护墙结合锚杆系统
围护墙结合锚杆系统采用锚杆来支承作用在围护墙上的侧压力, 它适用于大
面积的基坑工程。基坑敞开式开挖,为挖土和地下结构施工提供了极大的便利,
可缩短工期,经济效益良好。锚杆需依赖土体本身的强度来提供锚固力, 因此土
体的强度越高,锚固效果越好,反之越差,因此这种支护方式不适用于软弱地层。
当锚杆的施工质量不好时,可能会产生较大的地表沉降。围护墙结合锚杆系统的
典型剖面如图 6(右)所示。
2、逆作法方案
相对于顺作法,逆作法则是每开挖一定深度的土体后, 即支设模板浇筑永久
的结构梁板,用以代替常规顺作法的临时支撑,以平衡作用在围护墙上的土压力。
因此当开挖结束时,地下结构即已施工完成。这种地下结构的施工方式是自上而
下浇筑,同常规顺作法开挖到坑底后再自下而上浇筑地下结构的施工方法不同,
故成为逆作法。当逆作地下结构的同时还进行地上结构的施工, 则称为全逆作法,
如图7(左)所示;当仅逆作地下结构而并不同步施工地上结构时,则称为半逆
作法,如图7(右)所示。由于逆作法的梁板重量较常规顺作法的临时支撑要大
得多,因此必须考虑立柱和立柱桩的承载能力问题。 尤其是采用全逆作法时,地
上结构所能同时施工的最大层数应根据立柱和立柱桩的承载力确定。
图 7 全逆作法示意图(左)、半逆作法示意图(右)
逆作法通常采用支护结构与主体结构相结合, 根据支护结构与主体结构相结
合的程度,逆作法可以有两种类型,即周边临时围护体结合坑内水平梁板体系替
代支撑采用逆作法施工、支护结构与主体结构全面相结合采用逆作法施工。
逆作法的主要优点如下:
(1)楼板刚度高于常规顺作法的临时支撑,基坑开挖的安全度得到提高,
且一般而言基坑的变形较小,因而对基坑周边环境的影响较小。
(2)当采用全逆作法时,地上和地下结构同时施工,因此可缩短工程的总
工期。
(3)地面楼板先施工完成后,可以为施工提供作业空间,因此可以解决施
工场地狭小的问题。
(4)逆作法采用支护结构与主体结构相结合,因此可以节省常规顺作法中
大量临时支撑的设置和拆除,经济性好,且有利于降低能耗、节约资源。
但逆作法也存在如下不足:
(1)技术复杂,垂直构件续接处理困难,接头施工复杂。
(2)对施工技术要求高,例如对一柱一桩的定位和垂直度控制要求高,立
柱之间及立柱与连续墙之间的差异沉降控制要求高等。
(3)采用逆作暗挖,作业环境差,结构施工质量易受影响。
(4)逆作法设计与主体结构设计的关联度大, 受主体结构设计进度的制约。
当工程具有以下特征或技术经济要求时,可以考虑选用逆作法方案:
(1)大面积的深基坑工程,采用逆作法方案,节省临时支撑体系费用。
(2)基坑周边环境条件复杂,且对变形敏感,采用逆作法有利于控制基坑
的变形。
(3)施工场地紧张,利用逆作的地下首层楼板作为施工平台。
(4)工期进度要求高,采用上下部结构同时的全逆作法设计方案,施工缩
短总工期。
3、顺逆结合方案
对于某些条件复杂或具有特别技术经济性要求的基坑工程, 采用单纯的顺作
法或逆作法都难以同时满足经济、 技术、工期及环境保护等多方面的要求。 在工
程实践中,有时为了同时满足多方面的要求,采用了顺作法与逆作法结合的方案,
通过充分发挥顺作法与逆作法的优势, 取长补短,从而实现工程的建设目标。工
程中常用的顺逆结合方案主要有:(1)主楼先顺作、裙楼后逆作方案;(2)裙楼
先逆作、主楼后顺作方案;(3)中心顺作、周边逆作方案。
3.1. 主楼先顺作、裙楼后逆作方案
超高层建筑通常由主楼与裙楼两部分组成,其下一般整体设置多层地下室,
因此超高层建筑的基坑多为深大基坑。 在基坑面积较大、挖深较深、施工场地狭
小的情况下,若地下室深基础采用明挖顺作支撑方案施工,不仅操作非常困难,
耽误了塔楼的施工进度,施工周期长,而且对周边环境影响大,经济性也差。另
一方面,主楼结构构件的重要性也决定了其不适合采用逆作法。
一般来说主楼为超高层建筑工期控制的主导因素,在施工场地紧张的情况
下,可先采用顺作法施工主楼地下室, 而裙楼暂时作为施工场地,待主楼进入上
部结构施工的某一阶段,再逆作施工裙楼地下室,这种顺逆结合的方案即为主楼
先顺作、裙楼后逆作方案。主楼先顺作、裙楼后逆作具有其特有的优点:
(1)该方案一方面解决了施工场地狭小、操作困难的问题;另一方面塔楼
顺作基坑面积较小,可加快施工速度;裙楼逆作施工不占用绝对工期, 缩短了总
工期,并可减少前期投资额。
(2)裙楼地下室逆作能够有效地控制基坑的变形,可减小对周边环境的影
响;同时又由于省去了常规顺作法中支设和拆除大量的临时支撑,经济性较好。
主楼先顺作、裙楼后逆作方案用于满足如下条件的基坑工程:
(1)地下室几乎用足建筑红线,使得施工场地狭小,地下工程施工阶段需
要占用部分裙楼区域作为施工场地;
(2)主楼为超高层建筑,是控制工期的主导因素,且业主对主楼工期要求
较高;
(3)裙楼地下室面积较大,开发商希望适当延缓投资又不影响主楼施工的
进度;
(4)裙楼基坑周边环境复杂、环境保护要求高。
例:
上海环球金融中心位于上海浦东陆家嘴金融贸易区东泰路和世纪大道路口,
周边环境条件复杂,环境保护要求较高。主楼建筑地上 101层,高度492m,裙
楼地上三层,主楼和裙楼下均设三层地下室, 基坑总面积约为 22500m2,基坑开
挖深度主楼区为17.85~19.85m。考虑到主楼为超高层建筑,业主对主楼工期要
求较高,同时希望在不影响主楼施工进度的情况下, 延缓部分投资,因此本工程
采用了主楼先顺作和裙楼后逆作的总体设计方案。主楼区域先采用直径为 100m
的圆筒形地下连续墙并结合三道钢筋混凝土环形围檩作为支护结构, 基坑顺作开
挖到底后施工主楼结构。当主楼区主体结构施工至地面层时, 再逆作施工裙楼区
基坑。裙楼区逆作施工期间逐层向下拆除塔楼的围护结构 (圆筒形地下连续墙),
并将塔楼的核心筒结构作为裙楼各楼层梁板结构的支撑点, 依次开挖并施工裙楼
地下室各层楼板结构。主、裙楼的分区如图 8所示。
图 8 上海金融中心基坑的主楼和裙楼分区情况
3.2. 裙楼先逆作、主楼后顺作方案
对于由塔楼和裙楼组成的超高层建筑, 有时裙楼的工期要求非常高(例如裙
楼作为商业建筑时往往希望能尽快投入商业运营) 而塔楼工期要求相对较低,此
时裙楼可先采用全逆作法地上地下同时施工, 以节省工期,并在主楼区域设置大
空间出土口(主楼由于其构件的重要性不适合采用逆作法) ,待裙楼地下结构施
工完成后,再顺作施工主楼区地下结构, 从而形成裙楼先逆作、主楼后顺作的方
案。该方案具有以下特点:
(1)主楼区域设置的大空间出土口出土效率高,可加快裙楼逆作的施工速
度;
(2)裙楼区域在地下结构首层结构梁板施工完成后,有条件立即向地上施
工,可大大缩短裙楼上部结构的工期;
(3)裙楼区域结构梁板代支撑,支撑刚度大,对基坑的变形控制有利;
(4)在逆作阶段主楼区域的大空间出土口可以显著地改善裙楼逆作区域地
下作业的通风和采光条件;
(5)由于主楼区域需要在裙楼区域逆作完成后再施工,因此一般情况下将
会增加主楼的工期与工程的总工期。
例:
南京德基广场二期工程主体建筑由一幢主楼及群楼组成,主楼地上 52层,
地上建筑有效高度为 244.5m;裙楼地上9层,地上建筑有效高度为 55.5m,主楼
和裙楼下整体设置 4层地下室。基坑总面积 16000m2,主楼区普遍开挖深度
21.5m,群楼区普遍开挖深度 19.7m。基坑南侧约13m处是运营中的地铁区间隧
道,隧道底部埋深约16m,基坑开挖实施过程中的环境保护要求高。 由于业主希
望裙楼区商业用房能够尽快投入运营, 且考虑到基坑的环境保护要求高, 因此基
坑围护设计采用了裙楼先逆作、主楼后顺作的总体设计方案。裙楼基坑周边设置
“两墙合一”地下连续墙围护体,坑内利用四层结构梁板代支撑, 采用逆作法先
行施工,并同时开展裙楼区地上 9层结构的施工;主楼区留设大面积洞口,在地
下室底板施工完成后再向上顺作主楼结构。图 9为主、裙楼分区布置图。
图 9 德基广场二期基坑工程主、裙楼分区布置图
3.3. 中心顺作、周边逆作方案
对于超大面积的基坑工程,当基坑周边环境保护要求不是很高时, 可在基坑
周边首先施工一圈具有一定水平刚度的环状结构梁板(以下简称环板) ,然后在
基坑周边被动区留土,并采用多级放坡使中心区域开挖至基底, 在中心区域结构
向上顺作施工并与周边结构环板贯通后, 再逐层挖土和逆作施工周边留土放坡区
域,形成中心顺作、周边逆作的总体设计方案。该方案具有以下几个显著特点:
(1)将整个基坑分为中心顺作区和周边逆作区两部分,周边部分采用结构
梁板作为水平支撑,而中心部分则无需设置支撑, 从而节省了大量临时支撑。同
时由于中部采用敞开式施工,出土速度较快,大大加快了整体施工进度。
(2)在基坑周边首先施工一圈具有一定水平刚度的结构环板,中心区域施
工过程中利用被动区多级放坡留土和结构环板约束围护体的位移, 从而达到控制
基坑变形、保护周围环境的目的。
(3)由于仅周边环板采用逆作法施工,可仅对首层边跨结构梁板和一柱一
桩进行加固,作为施工行车通道,并利用周边围护体作为施工行车通道的竖向支
承构件,减少了常规逆作法中施工行车通道区域结构梁板和支承立柱和立柱桩的
加固费用。
中心顺作、周边逆作方案只有在同时满足下列条件的工程中应用才能体现出
其优越性和社会经济效益:
1. 超大面积的深基坑工程。基坑面积需达到几万平方米,基坑平面为多边
形,且至少设置两层地下室。基坑面积必须足够大是由以下因素决定: 周边逆作
区环板必须具有足够的宽度,以保证有足够的刚度可以约束围护体变形; 为保证
逆作区坡体的稳定,周边留土按一定坡度多级放坡至基底标高需要一定的宽度;
在除去逆作区面积后中心区域尚应有相当面积可以顺作施工。
2. 主体结构为框架结构,无高耸塔楼结构或塔楼结构位于基坑中部。由于
中心区域结构最先施工,塔楼如位于中心区域可确保塔楼的施工进度不受影响。
3. 基地周边环境有一定的保护要求,但不是非常严格。周边逆作区结构环
板和留土放坡对围护体的变形控制可满足周边环境的保护要求。
仲盛商业中心上部建筑为 5层钢筋混凝土框架结构,设置三层地下室。基坑
面积约为50000m2,基坑开挖深度约为 13.3m。由于基坑面积极大,若采用顺作
法方案,临时支撑工程量巨大,造价高;而采用全逆作法方案,暗挖土方工程量
巨大,施工难度高,降低了出土效率。还需设置大量一柱一桩,加大了施工难度;
采用传统中心岛方案,挖土条件较好,可大大加快整体施工进度,节省水平支撑
和竖向支承构件费用。但周边高土坡随时间将产生持续位移, 使围护体产生较大
变形,对周边环境的影响难以估量。考虑基坑施工安全性、施工方式、工期及工
程造价等因素,本基坑采用了中心顺作、周边地下一层结构环板逆作的总体设计
方案。即将基坑分成中部顺作区和周边逆作区两部分,基坑外侧浅层卸土放坡,
基坑内侧土方开挖至地下一层结构梁底标高, 首先施工周边逆作区地下一层结构
梁板,形成环状支撑,然后在基坑周边留土,并采用多级放坡使中心区域开挖至
基底。在中心部分结构向上顺作施工并与周边地下一层结构环板贯通后, 再以结
构梁板作为水平支撑,逆作施工周边留土放坡区域。该方案减小了周边放坡高度,
在中心岛施工过程利用周边结构环板刚度和周边留土共同约束围护墙位移, 以控
制基坑变形,保护周边环境。图 10为该基坑的围护剖面图。
图 10 仲盛商贸中心基坑中心顺作、周边逆作剖面示意图
三、基坑周边支护结构选型
基坑周边的围护结构直接承受基坑施工阶段侧向土压力和水压力, 并将此压
力传递到支撑体系。在需采取隔水措施的基坑工程中, 当周边围护结构不具备自
防水作用时,需在支护结构外侧另行设置隔水帷幕。 周边围护结构和隔水帷幕共
同形成基坑周边支护体系。
在基坑工程实践中周边围护结构形成了多种成熟的类型, 每种类型在适用条
件、工程经济性和工期等方面各有侧重, 且周边围护结构形式的选用直接关系到
工程的安全性、工期和造价,而对于每个基坑而言,其工程规模、周边环境、工
程水文地质条件以及业主要求等也各不相同, 因此在基坑周边围护结构设计中需
根据每个工程特性和每种围护结构的特点, 综合考虑各种因素,合理选用周边围
护结构类型。
常用支护结构的类型如
图 11 常用支护结构的类型
1、土钉墙
1.1、普通土钉墙
土钉墙是用于土体开挖时保持基坑侧壁或边坡稳定的一种挡土结构, 主要由
密布于原位土体中的细长杆件-土钉、 粘附于土体表面的钢筋混凝土面层及土钉
之间的被加固土体组成,是具有自稳能力的原位挡土墙。这是土钉墙的基本形式。
土钉墙与各种隔水帷幕、微型桩及预应力锚杆(索)等构件结合起来,又可形成
复合土钉墙。土钉墙基本形式如图 12
图 12 土钉墙基本形式剖面图
(1)土钉墙维护结构有如下特点:
a.施工设备及工艺简单,对基坑形状适应性强,经济性较好;
b.坑内无支撑体系,可实现敞开式开挖;
c.柔性大,有良好的抗震性和延性,破坏前有变形发展过程;
d.密封性好,完全将土坡表面覆盖,阻止或限制了地下水从边坡表面渗出,
防止了水土流失及雨水、地下水对坑壁的侵蚀;
e.土钉墙靠群体作用保持坑壁稳定,当某条土钉失效时,周边土钉会分担其
荷载;
f.施工所需场地小,移动灵活,支护结构基本不单独占用场地内的空间;
g.由于孔径小,与桩等施工工艺相比,穿透卵石、漂石及填石层的能力更强;
h.边开挖边支护便于信息化施工, 能够根据现场监测数据及开挖暴露的地质
条件及时调整土钉参数;
i.需占用坑外地下空间;
j.土钉施工与土方开挖交叉进行,对现场施工组织要求较高。
(2)土钉墙适用条件有:
a.开挖深度小于12m、周边环境保护要求不高的基坑工程;
b.地下水位以上或经人工降水后的人工填土、 黏性土和弱胶结砂土的基坑支
护;
c.不适用于以下土层:(a)含水丰富的粉细砂、中细砂及含水丰富且较为松散
的中粗砂、砾砂及卵石层等; (b)黏聚力很小、过于干燥的砂层及相对密度较小
的均匀度较好的砂层;(c)有深厚新近填土、淤泥质土、淤泥等软弱土层的地层
及膨胀土地层;(d)周边环境敏感,对基坑变形要求较为严格的工程,以及不允
许支护结构超越红线或邻近地下建构筑物, 在可实施范围内土钉长度无法满足要
求的工程。
1.2、复合土钉墙
复核土钉墙主要有土钉墙+预应力锚杆(索)、土钉墙+隔水帷幕和土钉墙+
微型桩三种常用形式。由于复核土钉墙是土钉墙基本形式与其它围护结构的组
合,因此土钉墙基本形式的特点和适用条件同样适用于复合土钉墙。如图 13
图 13 土钉墙+预应力锚杆(左)、土钉墙+隔水帷幕(中)、土钉墙+微型桩(右)
(1)土钉墙+预应力锚杆(索)
与土钉墙基本形式相比,土钉墙 +预应力锚索形成的复合土钉墙对基坑稳定
性和变形控制更加有利。该围护形式适用于对基坑变形要求相对较高的基坑。
(2)土钉墙+隔水帷幕
土钉墙+隔水帷幕的围护形式在基坑周边设置封闭的隔水帷幕,可防止坑内
降水对坑外环境产生影响。同时隔水帷幕对坑壁土体具有预加固作用, 有利于坑
壁的稳定和控制基坑变形。该围护形式适用于地下水位丰富, 周边环境对降水敏
感的工程,以及土质较差,基坑开挖较浅的工程。
(3)土钉墙+微型桩
采用微型桩超前支护可减小基坑变形。 该围护形式适用于填土、软塑状粘性
土等较软弱土层,需要竖向构件增强整体性、复合体强度及开挖面临时自立性能
的工程;
2、水泥土重力式挡墙
水泥土重力式围护墙是以水泥系材料为固化剂, 通过搅拌机械采用喷浆施工
将固化剂和地基土强行搅拌,形成具有一定厚度的连续搭接的水泥土柱状加固体
挡墙。示意图如图 14(左)
水泥土重力式围护墙具有以下特点:
(1)可结合重力式挡墙的水泥土桩形成封闭隔水帷幕,止水性能可靠;
(2)使用后遗留的地下障碍物相对比较容易处理;
(3)围护结构占用空间较大;
(4)围护结构位移控制能力较弱,变形较大。
(5)当墙体厚度较大时,采用水泥土搅拌桩或高压喷射注浆对周边环境影
响较大。
水泥土重力式围护墙适用条件为:
(1)适用于软土地层中开挖深度不超过 7.0m、周边环境保护要求不高的基
坑工程。
(2)周边环境有保护要求时,采用水泥土重力式挡墙围护的基坑不宜超过
5.0m;
(3)对基坑周边距离1~2倍开挖深度范围内存在对沉降和变形敏感的建构
筑物时,应慎重选用。
图 14 土钉墙+微型桩(左)、常规现浇地下连续墙平面示意图(右)
3、地下连续墙
地下连续墙可分为现浇地下连续墙和预制地下连续墙两大类, 目前在工程中应
用的现浇地下连续墙的槽段形式主要有壁板式、 T型和П形等,并可通过将各种
形式槽段组合,形成格形、圆筒形等结构形式。
3.1、常规现浇地下连续墙
现浇地下连续墙是采用原位连续成槽浇筑形成的钢筋混凝土围护墙。 地下连续
墙具有挡土和隔水双重作用。示意图如图 14(右)
(1)常规现浇地下连续墙特点如下:
a.施工具有低噪音、低震动等优点,工程施工对环境的影响小;
b.刚度大、整体性好,基坑开挖过程中安全性高,支护结构变形较小;
c.墙身具有良好的抗渗能力,坑内降水时对坑外的影响较小;
d.可作为地下室结构的外墙,可配合逆作法施工,以缩短工程的工期、降低工
程造价。
e.受到条件限制墙厚无法增加的情况下,可采用加肋的方式形成 T型槽段或Π
型槽段增加墙体的抗弯刚度。
f.存在弃土和废泥浆处理、粉砂地层易引起槽壁坍塌及渗漏等问题,需采取相
关的措施来保证连续墙施工的质量。
g.由于地下连续墙水下浇筑、槽段之间存在接缝的施工工艺特点,地墙墙身以
及接缝位置存在防水的薄弱环节,易产生渗漏水现象。用于“两墙合一”需进行
专项防水设计。
h.由于两墙合一地下连续墙作为永久使用阶段的地下室外墙,需结合主体结构
设计,在地下连续墙内为主体结构留设预埋件。 “两墙合一”地下连续墙设计必
须在主体建筑结构施工图设计基本完成方可开展。
(2)常规现浇地下连续墙适用条件为:
a.深度较大的基坑工程,一般开挖深度大于 10m才有较好的经济性;
b.邻近存在保护要求较高的建、构筑物,对基坑本身的变形和防水要求较高的
工程;
c.基地内空间有限,地下室外墙与红线距离极近,采用其它围护形式无法满足
留设施工操作空间要求的工程;
d.围护结构亦作为主体结构的一部分,且对防水、抗渗有较严格要求的工程;
e.采用逆作法施工,地上和地下同步施工时,一般采用地下连续墙作为围护墙;
f.在超深基坑中,例如 30m~50m的深基坑工程,采用其它围护体无法满足要
求时,常采用地下连续墙作为围护体。
3.2、圆筒形地下连续墙
圆筒形地下连续墙是现浇地下连续墙的一种组合结构形式, 是采用壁板式槽
段或转角槽段组合成圆筒形结构形式。示意图见图 15(左)
(1)圆筒形地下连续墙特点为
a.充分利用了土的拱效应,降低了作用在支护结构上的土压力;
b.圆形结构具有更好的力学性能,与常规形状的基坑不同,它可将作用在其
上面的荷载基本上转化为地下连续墙的环向压力, 可充分发挥混凝土抗压性能好
的特点,有利于控制基坑变形。
c.在工程中圆筒形地下连续墙平面形状实际为多边形,并非理想的圆形结
构,其受力状态以环向受压为主,受弯为辅。
(2)圆筒形地下连续墙适用条件为
a.主体地下结构为圆形或接近圆形的工程。
b.受到条件限制或为了方便施工需采用无支撑大空间施工的工程。
图 15 圆筒形地下连续墙平面示意图(左) 、格形地下连续墙平面示意图(右)
3.3、格形地下连续墙
格形地下连续墙是现浇地下连续墙的一种组合结构形式。 格形地下连续墙是
靠其自身重量稳定的半重力式结构, 是一种涉及建(构)筑物地基开挖的无支撑
空间坑壁结构。示意图如图 15(右)
(1)格形地下连续墙特点为
a.是靠其自身重量稳定的半重力式结构,基坑开挖阶段无需设置支撑体系;
b.相对于其它无自立式围护结构,基坑变形较小,对周边环境保护较为有利;
c.受到自身结构的限制,一般槽段数量较多。
(2)格形地下连续墙适用条件为
a.适用于无法设置内支撑体系,且对变形控制要求较严格的深基坑工程;
b.多用于船坞及特殊条件下无法设置水平支撑的基坑工程, 目前也有应用于
大型的工业基坑。
3.4、预制地下连续墙
预制地下连续墙即采用常规的泥浆护壁成槽, 在成槽后,插入预制构件并在
构件间采用现浇混凝土将其连成一个完整的墙体。如图 16
图 16 预制地下连续墙平面示意图
(1)预制地下连续墙特点
a.工厂化制作可充分保证墙体的施工质量,墙体构件外观平整,可直接作为
地下室的建筑内墙,不仅节约了成本,也增大了地下室面积。
b.由于工厂化制作,预制地下连续墙与基础底板、剪力墙和结构梁板的连接
处预埋件位置准确,不会出现钢筋连接器脱落现象。
c.墙段预制时可通过采取相应的构造措施和节点形式达到结构防水的要求,
并改善和提高了地下连续墙的整体受力性能。
d.为便于运输和吊放,预制地下连续墙大多采用空心截面,减小自重节省材
料,经济性好。
e.可在正式施工前预制加工,制作与养护不占绝对工期;现场施工速度快;
采用预制墙段和现浇接头,免掉了常规拔除锁口管或接头箱的过程, 节约了成本
和工期。
f.由于大大减少了成槽后泥浆护壁的时间,因此增强了槽壁稳定性,有利于
保护周边环境。
(2)预制地下连续墙适用条件
在现阶段的工程实践中,由于受到起重和吊装能力的限制, 墙段总长度受到
了一定限制,一般仅用于 6-7米以内的浅基坑,且大多将预制地下连续墙用作主
体结构地下室外墙。
4、灌注桩排桩围护墙
灌注桩排桩围护墙是采用连续的柱列式排列的灌注桩形成了围护结构。 工程
中常用的灌注桩排桩的形式有分离式、双排式和咬合式。
4.1、分离式排桩
分离式排桩是工程中灌注桩排桩围护墙最常用,也是较简单的围护结构形
式。灌注桩排桩外侧可结合工程的地下水控制要求设置相应的隔水帷幕。 如图17
图 17 分离式排桩平面示意图
(1) 分离式排桩特点
a.施工工艺简单、工艺成熟、质量易控制、造价经济。
b.噪声小、无振动、无挤土效应,施工时对周边环境影响小。
c.可根据基坑变形控制要求灵活调整围护桩刚度。
d.在基坑开挖阶段仅用作临时围护体,在主体地下室结构平面位置、埋置深
度确定后即有条件设计、实施。
e.在有隔水要求的工程中需另行设置隔水帷幕。其隔水帷幕可根据工程的土
层情况、周边环境特点、基坑开挖深度以及经济性等要求的综合选用。
(2) 分离式排桩适用条件
a.软土地层中一般适用于开挖深度不大于 20m的深基坑工程。
b.地层适用性广,对于从软粘土到粉砂性土、卵砾石、岩层中的基坑均适用。
4.2、双排式排桩
为增大排桩的整体抗弯刚度和抗侧移能力时, 可将桩设置成为前后双排,将
前后排桩桩顶的冠梁用横向连梁连接,就形成了双排门架式挡土结构。如图 18
图 18 双排式排桩平面示意图(左) 、双排式排桩围护墙剖面示意图(右)
(1)双排式排桩特点
a.抗弯刚度大,施工工艺简单、工艺成熟、质量易控制、造价经济。
b.可作为自立式悬臂支护结构,无需设置支撑体系。
c.围护体占用空间大。
d.自身不能隔水,在有隔水要求的工程中需另设隔水帷幕。
(2)双排式排桩适用条件:
适用于场地空间充足,开挖深度较深,变形控制要求较高,且无法内支撑体
系的工程。
4.3、咬合式排桩
有时因场地狭窄等原因,无法同时设置排桩和隔水帷幕时, 可采用桩与桩之
间咬合的形式,形成可起到止水作用的咬合式排桩围护墙。 咬合式排桩围护墙的
先行桩采用素混凝土桩或钢筋混凝土桩,后行桩采用钢筋混凝土桩。如图 19
图 19 咬合式排桩平面示意图
(1) 咬合式排桩特点
a.受力结构和隔水结构合一,占用空间较小。
b.整体刚度较大,防水性能较好。
c.施工速度快,工程造价低。
d.施工中可干孔作业, 无须排放泥浆, 机械设备噪音低、振动少, 对环境污染
小。
e.对成桩垂直度要求较高,施工难度较高。
(2) 咬合式排桩适用条件
a.适用于淤泥、流砂、地下水富集的软土地区。
b.适用于邻近建构筑物对降水、 地面沉降较敏感等环境保护要求较高的基坑
工程。
5、型钢水泥土搅拌墙
型钢水泥土搅拌墙是一种在连续套接的三轴水泥土搅拌桩内插入型钢形成
的复合挡土隔水结构。如图 20
图 20 型钢水泥土搅拌墙平面布置图
(1)型钢水泥土搅拌墙特点
a.受力结构与隔水帷幕合一,围护体占用空间小。
b.围护体施工对周围环境影响小。
c.采用套接一孔施工,实现了相邻桩体完全无缝衔接,墙体防渗性能好。
d.三轴水泥土搅拌桩施工过程无需回收处理泥浆, 且基坑施工完毕后型钢可
回收,环保节能。
e.适用土层范围较广,还可以用于较硬质地层。
f.工艺简单、成桩速度快,围护体施工工期短。
g.在地下室施工完毕后型钢可拔除,实现型钢的重复利用,经济性较好。
h.仅在基坑开挖阶段用作临时围护体,在主体地下室结构平面位置、埋置深
度确定后即有条件设计、实施。
i.由于型钢拔除后在搅拌桩中留下的孔隙需采取注浆等措施进行回填,特别
是邻近变形敏感的建构筑物时,对回填质量要求较高。
(2) 型钢水泥土搅拌墙适用条件
a.从黏性土到砂性土,从软弱的淤泥和淤泥质土到较硬、较密实的砂性土,
甚至在含有砂卵石的地层中经过适当的处理都能够进行施工。
b.软土地区一般用于开挖深度不大于 13.0m的基坑工程。
c.适用于施工场地狭小,或距离用地红线、建筑物等较近时,采用排桩结合
隔水帷幕体系无法满足空间要求的基坑工程。
d.型钢水泥土搅拌墙的刚度相对较小,变形较大,在对周边环境保护要求较
高的工程中,例如基坑紧邻运营中的地铁隧道、历史保护建筑、重要地下管线时,
应慎重选用。
e.当基坑周边环境对地下水位变化较为敏感,搅拌桩桩身范围内大部分为砂
(粉)性土等透水性较强的土层时,应慎重选用。
6、钢板桩围护墙
钢板桩是一种带锁口或钳口的热轧 (或冷弯)型钢,钢板桩打入后靠锁口或
钳口相互连接咬合,形成连续的钢板桩围护墙,用来挡土和挡水。如图 21
图 21 钢板桩围护墙平面图
(1)钢板桩围护墙特点
a.具有轻型、施工快捷的特点。
b.基坑施工结束后钢板桩可拔除,循环利用,经济性较好。
c.在防水要求不高的工程中,可采用自身防水。在防水要求高的工程中,可
另行设置隔水帷幕。
d.钢板桩抗侧刚度相对较小,变形较大。
e.钢板桩打入和拔除对土体扰动较大。钢板桩拔除后需对土体中留下的孔隙
进行回填处理。
(2)钢板桩围护墙适用条件
a.由于其刚度小,变形较大,一般适用于开挖深度不大于 7m,周边环境保
护要求不高的基坑工程。
b.由于钢板桩打入和拔除对周边环境影响较大, 邻近对变形敏感建构筑物的
基坑工程不宜采用。
7、钢筋混凝土板桩围护墙
钢筋混凝土板桩围护墙是由钢筋混凝土板桩构件连续沉桩后形成的基坑围
护结构。如图 22
图 22 钢筋混凝土板桩围护墙立面图
(1)钢筋混凝土板桩围护墙特点
a.具有强度高、刚度大、取材方便、施工简易等优点。
b.其外形可以根据需要设计制作,槽榫结构可以解决接缝防水。
(2)钢筋混凝土板桩围护墙适用条件
a.开挖深度小于10m的中小型基坑工程,作为地下结构的一部分,则更为经
济;
b.大面积基坑内的小基坑即“坑中坑”工程,不必坑内拔桩,降低作业难度;
c.较复杂环境下的管道沟槽支护工程,可替代不便拔除的钢板桩;
d.水利工程中的临水基坑工程,内河驳岸、小港码头、港口航道、船坞船闸、
河口防汛墙、防浪堤及其他河道海塘治理工程。
四、内支撑与锚杆体系选型
1、内支撑系统
支撑结构选型包括支撑材料和体系的选择以及支撑结构布置等内容。 支撑结
构选型从结构体系上可分为平面支撑体系和竖向斜撑体系; 从材料上可分为钢支
撑、钢筋混凝土支撑和钢和混凝土组合支撑的形式。 各种形式的支撑体系根据其
材料特点具有不同的优缺点和应用范围。
1.1、钢支撑体系
钢支撑体系是在基坑内将钢构件用焊接或螺栓拼接起来的结构体系。 钢支撑
架设和拆除速度快、架设完毕后不需等待强度即可直接开挖下层土方, 而且支撑
材料可重复循环使用的特点,对节省基坑工程造价和加快工期具有显著优势, 适
用于开挖深度一般、平面形状规则、狭长形的基坑工程中。钢支撑几乎成为地铁
车站基坑工程首选的支撑体系。但由于钢支撑节点构造和安装复杂以及目前常用
的钢支撑材料截面承载力较为有限等特点
1.2、钢筋混凝土支撑体系
钢筋混凝土支撑具有刚度大、整体性好的特点,而且可采取灵活的平面布置
形式适应基坑工程的各项要求。
1.3、圆环支撑形式
圆环支撑体系具有如下几点方面典型的优点:
a.受力性能合理。采用圆环内支撑形式 , 从根本上改变了常规的支撑结构方
式, 这种以水平受压为主的圆环内支撑结构体系 , 能够充分发挥混凝土材料的受
压特性, 具有足够的刚度和变形小的特点。
b.加快土方挖运的速度。采用圆环内支撑结构 , 在基坑平面形成的无支撑面
积达到70% 左右, 为挖运土的机械化施工提供了良好的多点作业条件,挖土速
度可成倍提高,同时有利于基坑变形的时效控制。
c.经济效益十分显著。深基坑施工中采用圆环内支撑结构 , 用料节省显著,
与各类支撑结构相比节省大量钢材和水泥 , 其单位土方的开挖费用较其他支撑
相比有较大幅度的下降, 施工费用节约可观, 社会效益十分显著。
d.可适用于狭小场地施工。在施工场地狭小或四周无施工场地的工程中 , 使
用圆环内支撑也是较合适的。因本支撑刚度大 , 可通过配筋、调整立柱间距等措
施, 提高其横向承载能力。亦可在上面搭设堆料平台 , 安装施工机械, 便于施工
的正常进行。
以上为圆环体系的一些较为突出的优点, 当然也存在不利的因素,如根据该
支撑形式的受力特点,要求土方开挖流程应确保圆环支撑受力的均匀性, 圆环四
周坑边应土方均匀、对称的挖除,同时要求土方开挖必须在上道支撑完全形成后
进行。
1.4、钢与混凝土组合支撑形式
钢支撑具有架设以及拆除施工速度快、 可以通过施加和复加预应力控制基坑
变形以及可以重复利用经济性较好的特点,因此在大量工程中得到了广泛的应
用,但由于复杂的钢支撑节点现场施工难度大、 施工质量不易控制,以及现可供
选择钢支撑类型较少而且承载能力较为有限等局限性限制了其应用的范围。 钢筋
混凝土支撑由于截面承载能力高、以及现场浇筑可以适应各种形状的基坑工程,
几乎可以在任何需要支撑的基坑工程中应用, 但其工程造价高、需要现场浇筑和
养护,而且基坑工程结束之后还需进行拆除, 因此其经济性和施工工期不及相同
条件下的钢支撑。
根据上述钢支撑和钢筋混凝土支撑的不同特点以及应用范围, 在一定条件下
的基坑工程可以充分利用两种材料的特性, 采用钢与混凝土组合支撑形式,在确
保基坑工程安全前提下,可实现较为合理的经济和工期目标。
1.5、竖向斜撑形式
当基坑工程的面积大而开挖深度一般时, 如采用常规的按整个基坑平面布置
的水平支撑,支撑和立柱的工程量将十分巨大, 而且施工工期长,中心岛结合竖
向斜撑的围护设计方案可有效的解决此难题
具体施工流程为:基坑工程首先在基坑中部放坡盆式开挖, 形成中心岛盆式
工况,依靠基坑周边的盆边留土为围护体提供足够的被动土压力, 其后在完成中
部基础底板之后,再利用中部已浇筑形成并达到设计强度的基础底板作为支撑基
础,设置竖向斜撑,支撑基坑周边的围护体,最后挖除周边盆边留土,浇筑形成
周边的基础底板,在地下室整体形成之后,基坑周边密实回填,再拆除竖向斜撑。
竖向斜撑一般采用钢管支撑,在端部穿越结构外墙段用 H型钢替代,以方便穿
越结构外墙并设置止水措施。
2、锚杆系统
锚杆支护技术在基坑工程领域经过多年的应用和发展,已经形成多种成熟
的、可供选择的锚杆形式。锚杆的具体选型需根据工程水文土层地质条件、 周边
环境情况以及基坑工程的面积及开挖深度等特点确定。
2.1、预应力锚杆与非预应力锚杆
锚杆一般按照是否施工预应力可分为预应力锚杆和非预应力锚杆。
预应力锚杆由自由段和锚固段组成, 一般采用钢绞线作为锚杆杆体。施工流
程上应先成孔,其后放置锚杆杆体,之后进行锚杆浆体的施工,浆体施工完毕并
达到设计要求的强度之后,对钢绞线进行张拉施工预应力。由于预应力锚杆需进
行张拉的程序,锚杆在下层土方开挖之前便可提供支护锚固力, 因此该类型锚杆
具有控制变形能力强的特点,而且前期的张拉工序能预先检验锚杆的承载力, 质
量更容易得到保证。预应力锚杆施工工艺相对复杂、 施工造价相对较高,但具有
承载能力高、控制基坑变形能力强的特点, 适用于对周围环境保护要求较高、 开
挖深度较深的深基坑工程中。
非预应力锚杆与预应力锚杆不同, 没有自由锻通长均为锚固段,采用普通的
钢筋作为锚杆杆体,锚杆成孔后置入钢筋杆体,进行注浆后即完成锚杆的所有工
序。该类型锚杆需在基坑开挖下批土方,锚杆产生变形趋势之后才发挥锚固作用,
因此控制基坑变形能力相对于预应力锚杆差, 而且缺乏成套行之有效的检验手段
和施工质量控制标准。非预应力锚杆控制基坑变形能力和承载能力一般, 但施工
工艺简单、工序少而且工程造价相对较低,一般适用于周围环境无特殊保护要求、
开挖深度一般的深基坑工程中。
2.2、拉力型锚杆与压力型锚杆
拉力型锚杆与压力型锚杆的共性特点在于工作状态时锚杆杆体均处于受拉
状态,不同点在于锚杆受荷后其固定段内的灌浆体分别处于受拉或者受压状态。
拉力型锚杆工作时,锚杆灌浆体处于受拉状态,由于灌浆体抗拉强度很小,
工作状态时浆体容易出现张拉裂缝, 地下水极易通过裂缝渗入锚杆内部, 从而导
致锚杆杆体长期的防腐性差。但拉力型锚杆结构简单、施工方便以及具有较好的
经济性,因此该类型锚杆在无特殊要求的深基坑工程中得到较为广泛的应用, 当
前基坑工程中的锚杆多采用此类型锚杆。
压力型锚杆工作状态灌浆体受压, 灌浆体不易开裂,锚杆防腐蚀性较好,可
用于永久性锚固工程,而且灌浆体受压性能远优于其受拉性能, 因此压力型锚杆
受力性能优于拉力型锚杆,另外由于锚杆芯体与灌浆体之间采取隔离措施, 为锚
杆使用完毕回收锚杆芯体创造了条件。 总的来看,压力型锚杆施工工艺相对于拉
力型锚杆复杂,而且造价也相对较高,一定程度限制其应用发展,但其防腐蚀性
能较好,特别是具有可锚杆芯体可回收、对周边地下空间开发不造成障碍的特点,
是今后基坑工程支护形式的发展应用方向之一。

文章作者:hzjzsjy
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