基坑支护工程设计参数

一、任务介绍

在基坑开挖、基础施工过程中，坑壁土体因为打破原来的平衡状态而容易发生滑坡，影响基础的顺利施工。对坑壁采取加固措施的围护结构，可以防止坑壁土体滑动。围护结构的类型有多种，其选择需要根据基坑开挖深度、周边建筑高度和到基坑的距离、地下管线位置、基坑土质情况、地下水情况以及当地工程经验和施工技术水平等综合确定。

二、理论知识

1．基坑工程的作用与类型

基坑工程是一个综合性的岩土工程问题，既涉及土力学中典型的强度、稳定与变形问题，又涉及土与支护结构共同作用以及工程、水文地质等问题，同时还与计算技术、测试技术、施工设备和技术等密切相关。因此，基坑工程具有以下特点。

（1）一般情况下都是临时结构，安全储备相对较小，风险性较大。

（2）具有很强的区域性和个案性，其由场地的工程水文地质条件、岩土的工程性质以及周边环境条件的差异性所决定。因此，基坑工程的设计和施工，必须因地制宜，切忌生搬硬套。

（3）基坑工程是一项综合性很强的系统工程，它不仅涉及结构、岩土、工程地质及环境等多门学科，而且与勘察、设计、施工、检测等工作环环相扣，紧密相连。

（4）基坑工程具有较强的时空效应，支护结构所受荷载（如土压力）及其产生的应力和变形在时间上和空间上具有较强的变异性，在软黏土和复杂体型基坑工程中尤为突出。

（5）对周边环境会产生较大影响。基坑开挖、降水势必引起周边场地土的应力和地下水位发生改变，使土体产生变形，对相邻建（构）筑物和地下管线等产生影响，严重者将危及到它们的安全和正常使用。大量土方运输也将对交通和环境卫生产生影响。

基坑工程的目的是构建安全可靠的支护体系，对支护体系的要求体现在如下三个方面。

（1）保证基坑四周边坡土体的稳定性，同时满足地下室施工有足够空间的要求，这是土方开挖和地下室施工的必要条件。

（2）保证基坑四周相邻建（构）筑物和地下管线等设施在基坑支护和地下室施工期间不受损害，即坑壁土体的变形。其中，地面和地下土体的垂直和水平位移要控制在允许范围内。

（3）通过截水、降水、排水等措施，保证基坑工程施工作业面在地下水位以上。

一般需要基坑支护的有以下情况。

（1）坑壁土质松软或含水量较大而不稳定。

（2）基础埋深较大，放坡开挖土方工程量过大、不经济。

（3）受施工场地或邻近建筑物限制，不能放坡。

（4）邻近有建筑物或地下水位较高等。

基坑支护的目的有以下几点。

（1）使基坑开挖和基础结构施工能安全、顺利地进行。

（2）使基础工程施工不危害邻近建筑物或造成地下管道沉降、损坏。

基坑支护的具体作用是挡土，有的还要挡水（地下水渗流）。

基坑支护虽是临时性工程，但必须牢固、安全。支护结构构件有的可回收重复利用（加钢板桩），有的可成为基础的一部分（加地下连续墙），也有的弃置不用（如锚杆、锚定板）。

目前基坑支护的形式主要分为两大类，即支挡型和加固型。支挡型是利用各种桩墙和支撑锚拉系统使坑壁稳固；加固型是利用拌和、高喷、注浆、插筋（土钉）等技术加固坑周土体使坑壁得到稳固，可参阅地基处理的相关部分。

2．基坑支护结构的类型及适用条件

支护系统一般由桩墙和支撑系统两部分组成。

1）桩墙

桩墙主要有以下几种，其使用条件见表9－1。

表9－1 桩墙类型及使用条件

注：符号含义☆好；○较差；×差（或昂贵）。

（1）板桩 锁口钢板桩、槽钢、预制钢筋混凝土桩、竖立木板等不同材料与结构的板（排）桩（见表中2、3、4项）。

（2）桩板墙 由木立桩或H型钢桩间插横的木板或钢制挡板（见表中1、5项）构成。

（3）钻孔灌注桩 由钢筋笼现浇混凝土或掺土水泥浆内插入H型钢肋的钻孔桩排列而成（见表中6项）。

（4）拌和排桩（墙） 深层搅拌或高压旋喷排桩成墙（见表中7、8项）。

（5）地下连续墙（见表中9项）。

2）支撑系统

支撑系统有如下几种方式。

（1）内支撑式 在基坑内用方木、H型钢或钢管，通过横梁（也称腰梁）水平或斜向支撑桩墙。

（2）外拉锚杆式 由横梁向基坑外围地层内，用钢拉杆、钢绞线或钢绳和地层内的锚固体、锚定板、锚桩等拉结固定。

（3）地面锚定式 将桩墙的桩顶用圈梁连接，在地面（或挖沟槽）用钢绳（筋）与锚桩或锚定板固定。

（4）无支撑（悬臂）式。

其中，内支撑式可设单层或多层，但层数多对基坑内施工带来很大不便，近年来除淤泥、坑外无法设土层锚杆或器材等原因外，采用土层锚杆方式已逐渐增多。土层锚杆式亦可设单层或者多层，但一般不超过三层。

此外，也有粗大桩柱间插横挡板而不设横梁的桩墙，用多根直接锚拉桩柱的特殊做法。例如，美国西雅图哥伦比亚大厦，基坑深37m，双H型钢筋混凝土桩径1．2m、间距4m、锚杆孔径310mm、锚固段长6～9m、抗拔力600kN，每根桩柱需用20～30根锚杆，上下相距过近的锚杆略向左右偏斜，使锚固段左右交错开。桩柱间为100～150mm厚的钢筋混凝土挡土板。

基坑支护结构的基本类型及其适用条件如下。

1）放坡开挖及简易支护

放坡开挖是指选择合理的坡比进行开挖。适用于地基土质较好，开挖深度不大以及施工现场有足够放坡场所的工程。放坡开挖施工简便、费用低，但挖土及回填土方量大。有时为了增加边坡稳定性和减少土方量，常采用简易支护（见图9－1）。

图9－1 基坑简易支护

图9－2 悬臂式支护结构

2）悬臂式支护结构

广义上讲，一切没有支撑和锚杆的支护结构均可归属悬臂式支护结构，但这里仅指没有内撑和锚拉的板桩墙、排桩墙和地下连续墙支护结构（见图9－2）。悬臂式支护结构依靠其入土深度和抗弯能力来维持坑壁稳定和结构的安全。由于悬臂式支护结构的水平位移是深度的五次方，所以它对开挖深度很敏感，容易产生较大的变形，只适用于土质较好、开挖深度较浅的基坑工程。

3）水泥土桩墙支护结构

利用水泥作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械在地基深部将水泥和土体强制拌和，便可形成具有一定强度和遇水稳定的水泥土桩。水泥土桩与桩或排与排之间可相互咬合紧密排列，也可按网格式排列（见图9－3）。水泥土桩墙适合软土地区的基坑支护。

4）内撑式支护结构

内撑式支护结构由支护桩或墙和内支撑组成。支护桩常采用钢筋混凝土桩或钢板桩，支护墙通常采用地下连续墙。内支撑常采用木方、钢筋混凝土或钢管（或型钢）做成。内支撑支护结构适合各种地基土层，但设置的内支撑会占用一定的施工空间。

图9－3 隔栅式水泥土桩墙

5）拉锚式支护结构

拉锚式支护结构由支护桩或墙和锚杆组成。支护桩和墙同样采用钢筋混凝土桩和地下连续墙。锚杆通常有地面拉锚（见图9－4（a））和土层锚杆（图9－4（b））两种。地面拉锚需要有足够的场地设置锚桩或其他锚固装置。土层锚杆因需要土层提供较大的锚固力，不宜用于软黏土地层中。

图9－4 拉锚式支护结构示意图

6）土钉墙支护结构

土钉墙支护结构是由被加固的原位土体、布置较密的土钉和喷射于坡面上的混凝土面板组成（见图9－5）。土钉一般是通过钻孔、插筋、注浆来设置的，但也可通过直接打入较粗的钢筋或型钢形成。土钉墙支护结构适合地下水位以上的黏性土、砂土和碎石土等地层，不适合于淤泥或淤泥质土层，支护深度不超过18m。

图9－5 土钉墙支护结构示意图

图9－6 双排桩支护结构示意图

7）其他支护结构

其他支护结构形式有双排桩支护结构（见图9－6）、连拱式支护结构（见图9－7）、逆作拱墙（见图9－8）、加筋水泥土拱墙支护结构以及各种组合支护结构。双排桩支护结构通常由钢筋混凝土前排桩和后排桩以及盖系梁或板组成（见图9－6）。其支护深度比单排悬臂式结构要大，并且变形相对较小。

连拱式支护结构通常采用钢筋混凝土桩与深层搅拌水泥土拱以及支锚结构组合而成（见图9－7）。水泥土抗拉强度很小，抗压强度较大，形成水泥土拱可有效利用材料强度。拱脚采用钢筋混凝土桩，承受由水泥土拱传递来的土压力，如果采用支锚结构承担一定的荷载，则可取得更好的效果。

图9－7 连拱式支护结构示意图

逆作拱支护结构采用逆作法建造而成。拱墙截面常采用Z字型，如图9－8（a）所示。当基坑较深且只一道Z字型拱墙的支护强度不够时，可由数道拱墙叠合组成，如图9－8（b）、（c）所示，但沿拱墙高度应设置数道肋梁，其竖向间距不宜大于2．5m。当基坑边坡场地较窄时，可不加肋梁但应加厚拱壁，如图9－8（d）所示。拱墙平面形状常采用圆形或椭圆形封闭拱圈，但也有采用局部曲线形拱墙的，为保证拱墙在平面上主要承受压力的条件，逆作拱墙轴线的长跨比不宜小于1／8。

图9－8 逆作拱支护结构示意图

3．基坑支护工程设计原则和设计内容

基坑支护工程设计的基本原则如下。

（1）在满足支护结构本身强度、稳定性和变形要求的同时，确保周围环境的安全。

（2）在保证安全可靠的前提下，设计方案应具有较好的技术经济和环境效应。

（3）为基坑支护工程施工和基础施工提供最大限度的施工方便，并保证施工安全。

基坑工程从规划、设计到施工检测全过程应包含如下内容。

（1）基坑内建筑场地勘察和基坑周边环境勘察：基坑内建筑场地勘察可利用构（建）筑物设计提供的勘察报告，必要时进行少量补勘。基坑周边环境勘察须查明：①基坑周边地面建（构）筑物的结构类型、层数、基础类型、埋深、基础荷载大小及上部结构现状；②基坑周边地下建（构）筑物及各种管线等设施的分布和状况；③场地周围和邻近地区地表及地下水分布情况及对基坑开挖的影响程度。

（2）支护体系方案技术经济比较和选型：基坑支护工程应根据工程和环境条件提出几种可行的支护方案，通过比较，选出技术经济指标最佳的方案。

（3）支护结构的强度、稳定和变形以及基坑内外土体的稳定性验算：基坑支护结构均应进行极限承载力状态的计算，计算内容包括支护结构和构件的受压、受弯、受剪承载力计算和土体稳定性计算。对于重要基坑工程尚应验算支护结构和周围土体的变形。

（4）基坑降水和止水帷幕设计以及支护墙的抗渗设计：包括基坑开挖与地下水变化引起的基坑内外土体的变形验算（如抗渗稳定性验算，坑底突涌稳定性验算等）及其对基础桩邻近建筑物和周边环境的影响评价。

（5）基坑开挖施工方案和施工检测设计。

三、任务实施

【例9－1】 ××省××市的一个工程项目，地下两层，地上四层，主楼十一层，结构形式为框架结构，总建筑面积125 000m2。开挖深度15m，局部达到18m。基坑开挖范围内主要以黏土、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土为主。含水率40％左右，压缩模量3MPa左右，液限40左右，孔隙比大多大于1．0，抗剪强度低。地下水水位埋深0．20～2．30m，深部承压水的水位埋深约3．0～3．5m。三面都是道路，其中一条道路是城市主干道，一面是一栋在建高层建筑。该基坑及其周边环境等见图9－9。该基坑的围护结构的类型可以有地下连续墙、放坡、排桩三种形式，下面将要从技术、经济方面分析围护结构类型的选择。

【解】 选择支护结构类型主要依据下列条件：①基坑平面尺寸、深度、施工要求；②地基工程地质条件、地下水状况；③邻近建筑物与地下管路对施工影响的限制或要求；④施工技术装备条件；⑤工期与造价、经济效益的分析对比。

本例中的深基坑，如果采用放坡开挖，造价将是最低的，但由于该场地为软土地基，含水率高，稳定性差，而且周围有道路和在建高层建筑，放坡空间很小，所以放坡开挖是不适宜的。地下连续墙的特点是对周围土体的变形控制较好，通常用于周围有大量高层建筑，并且地下连续墙可以作为地下结构的围护结构永久使用，造价很高。所以该工程不适宜选用地下连续墙。排桩围护结构，施工方便，适用于不同的地质条件，通过设置内支撑，可以有效控制周围土体的侧向变形，而且造价适中。所以，该工程选用钻孔灌注桩作为基坑围护结构。

图9－9 基坑总平面图

四、任务小结

1．基坑支护的具体作用是挡土，有的还有防渗功能。

2．支护系统一般由以下两部分组成。

（1）桩墙 主要有板桩、板桩墙、钻孔灌注桩、拌和排桩及地下连续墙等方式。

（2）支撑系统 主要有内支撑式、外拉锚杆式、地面锚定式及无支撑（悬臂）式等几种方式。

五、拓展提高

1．土钉与加筋土挡墙比较

尽管土钉技术与前述加筋土挡墙技术有一定的相同之处，但仍有一些根本的区别。

（1）主要相同之处：①加筋体（拉筋或土钉）均处于无应力状态，只有在土体产生位移后，才能发挥其作用；②加筋体抗力都是由加筋体与土之间产生的界面摩阻力提供的，加筋土内部本身处于稳定状态，它们承受着其后外部土体的推力类似于重力式挡土墙的作用；③面层（加筋土挡墙面板为预制构件，土钉面层是现场喷射混凝土）都较薄，在支挡结构的整体稳定中不起主要作用。

（2）主要不同之处：①虽然竣工后两种结构的外观相似，但其施工程序却截然不同。土钉施工是“自上而下”，分步施工，而加筋挡土墙的施工则是“自下而上”，这对筋体应力分布有重大影响，施工期间尤为明显；②土钉是一种原位加筋技术，主要是用来改良天然土性的，不像加筋土挡墙那样，能够预设和控制加筋填土的性质；③土钉设置时通常使用灌浆技术，使筋体和其周围土层黏结起来，荷载通过浆体传递给土层，在加筋土挡墙中，摩擦力直接产生于筋条和土层间；④土钉既可水平布置，也可倾斜布置，当其垂直于潜在滑裂面设置时，将会充分发挥其抗力，而加筋挡土墙内的拉筋一般为水平设置（或很小角度的倾斜布置）。

2．土钉与土层锚杆比较

表面上，当用于边坡加固和开挖支护时，土钉和预应力土层锚杆间有一些相似之处，二者之间仍有较多的功能差别。

（1）土层锚杆在安装后便于张拉，因此在运行时能理想的防止结构发生各种位移。相比之下，土钉则不予张拉，发生少量（虽然非常小）位移后才可发生作用。

（2）土钉长度（一般为3～10m）的绝大部分和土层相接触，而土层锚杆则通过在锚杆末端固定的长度传递荷载。其直接后果是在支挡体内产生的应力分布不同。

（3）由于土钉安装密度很高，因而其单筋破坏的后果未必严重。另外，土钉的施工精度要求不高，他们是以相互作用的方式形成一个整体。

（4）因锚杆承受荷载很大，在锚杆的顶部需安装适当的承载装置，以减小出现穿过挡土墙结构而发生“刺入”破坏的可能性；而土钉则有需要安装固定的承载装置，其顶部承担的荷载小，可由安装在喷射混凝土表面的钢垫板来承担。

（5）锚杆往往较长（一般为15～45m），需用大型设备来安装。锚杆体系常用于大型挡土结构，如地下连续墙和钻孔灌注桩挡墙。

六、拓展练习

1．什么情况下基坑需要支护？基坑支护的目的与作用如何？

2．目前基坑工程设计与施工中尚存在哪些问题？

3．土钉墙有哪些特点？土钉墙与土层锚杆有哪些相似和不同？