基坑围护工程研究

1、刘国彬 2001年9月15日 基坑围护工程研究基坑围护工程研究 工程管理部 Shanghai, 2012-05 刘国彬 2001年9月15日 基坑工程的作用 n给地下结构敞开开挖创造条件 n建筑物地下结构的一部分 基坑工程的基本技术要求 n安全可靠性 n经济合理性 n施工便利性 n工期保证性 基坑工程的特点（一） n临时结构，安全储备小、风险大 n区域性强 n很强的个性，地质、结构、工况、环境 条件等均不相同 n综合性强 n土压力的特点 n很强的时空效应 基坑工程的特点（二） n系统工程，设计、施工、监测 n环境效应 基坑工程的特点（三） n与自然地质及环境条件密切相关 n与主体结构地下室的施

2、工密切相关 n技术综合性强 n岩土工程知识和经验 n建筑结构和力学知识 n施工经验 n工程所在地的施工条件和经验 基坑工程包括的内容（一） n有支护基坑工程 n围护结构 n支撑体系 n土方开挖（工艺及设施） n降水工程 n地基加固 n监测 n环境保护工程 基坑工程包括的内容（二） n无支护放坡开挖基坑 n降水工程 n土方开挖 n地基加固及土坡护面 围护结构的型式（一） n放坡开挖及简易围护 n悬臂式围护结构 n重力式围护结构 n内支撑式围护结构 n拉锚式围护结构 n土钉墙围护结构 围护结构的型式（二） n其它形式的围护结构 n门架式围护结构 n拱式组合型围护结构 n喷锚网围护结构 n沉井围护结

3、构 n加筋水泥土墙围护结构 n冻结法围护结构等等 基坑支护结构的分类 基坑工程围护结构的型式举例 放坡开挖 草袋装土或干砌块石简易挡土 短桩隔板围护 悬臂式围护结构 放坡开挖与排桩墙围护相结合 水泥土重力式围护结构 格构式重力式挡墙平面图 水泥土墙常用格栅断面形式 加筋水泥土挡墙围护结构 内支撑式围护结构（一） 内支撑式围护结构（二） 常用钢板桩截面 钢板桩横撑方式 钢板桩锚拉方式 H型钢桩加横挡板式挡土墙 钢筋混凝土预制板桩挡土墙 柱列式钻孔灌注桩挡土墙的排列形式 空间结构内支撑体系围护结构 拱形支护结构 拉锚式围护结构-拉杆式锚杆 拉锚式围护结构-背拉式土锚杆 土钉墙围护结构 门架式围护结

4、构 拱式组合型围护结构 喷锚网围护结构 放坡开挖与内撑式排桩墙围护相结合 被动区土质改良 基坑总体方案设计 基坑工程设计阶段的划分 n根据基坑内主体工程的性质、投资规模、 建设计划进度等要求，一般有： n总体方案设计 n施工图设计 基坑总体方案的选择原则（一） n按主体工程地下室所处场地的工程地质及水文 地质和周围环境条件所考虑的基坑工程问题和 相应的总体设计中的对策是否全面、合理 n对主体工程地下室的建造层数、开挖深度、基 坑面积及形状、施工方法、造价、工期与主体 工程和上部工程造价、工期等主要经济指标进 行综合分析，以评价基坑工程技术方案的经济 合理性 基坑总体方案的选择原则（二） n研究

5、基坑工程的围护结构是否兼作主体工程的 部分永久结构，对其技术经济效果进行评估 n研究基坑工程开挖方式的可靠性和合理性 n对大型主体工程及其基坑工程施工的分期和前 后期工程施工进度安排及相邻影响进行技术经 济分析，以通过分析对比提出适应于分期施工 的总体方案 总体方案设计与主体工程施工图的关系 n一般工程多在主体工程施工图完成之后 n大型深基坑工程的总体方案设计应在主 体工程的初步设计中就着手进行 主体工程与基坑工程的协调 n部分工程桩兼作立柱桩 n地下主体工程施工时如何换撑 n基坑支护结构与主体工程的结合方式 n围护结构如何适应地下主体结构施工的 浇筑方式（逆筑或顺筑） n如何处理支模、防水等

6、工序的配合要求 等等 设计依据 工程地质及水文地质资料 n工程地质调查 n土层分类、参数 n勘探深度 n特殊土工试验等 n水文地质调查 n水位的高度、变化、补给、连通 n渗透系数等 n地下障碍物调查 n旧的建筑物的基础和桩、废弃的地下室、人防工程、 废管道、工业和建筑垃圾、暗浜、暗流等 工程周围环境调查 n基坑周围邻近建筑物的状况 n周围管线及地下构筑物设施状况 n周围道路状况 n邻近地区对地面沉降很敏感的建筑设施 资料和要求 n地下障碍物 地下构筑物及设施调查 n人防、共同沟、地铁隧道、公路隧道、 地铁车站、地下车库、地下商场、地下 通道、地下油池等的建筑结构平面及剖 面资料、基础形式与基坑

7、相对位置 周围道路状况调查 n周围道路性质、类型、宽度 n交通状况(交通流量、车载重量) n交通通行规则(单行道、双行道、禁止停 车) n道路路面结构、道路基础及损坏的修复 方法 邻近地区对地面沉降很敏感的 建筑设施资料和要求 n烟囱、变电站、气柜、锅炉 n电视塔、医疗手术设施、化工装置、 n精密仪表设备 n铁路道轨、铁路信号机柱及基础、铁路道岔、 铁路上的信号电话通讯电缆 n江堤、防洪墙、水闸、沿岸加固板桩墙的有载 锚杆、地桩 n桥梁基础(尤其是拱桥基础) n人行桥基础 n无轨电车接触网线支柱 地下障碍物调查 n废旧管道的管径、长度、埋深、贮水量、 管道结构状况 n废弃的水井 n废旧桥梁驳岸

8、基础 n工业或建筑垃圾坑 工程的施工条件（一） n根据施工现场所处地段的交通、行政、商业及 特殊情况，了解是否允许在整个施工期间进行 全封闭施工或阶段性封闭施工，如工地处于交 通要道处等，政府部门给予场地的封闭时间是 有限的、阶段性的，则基坑开挖施工必须采用 逆筑法、部分逆筑或分区施工，以满足交通要 求。 n了解所处地段是否对基坑围护结构及开挖支撑 施工的噪音和振动有限制，以决定是否可采用 锤击式打人桩及爆破方式进行围护桩施工和支 撑拆除。 工程的施工条件（二） n了解所处地段基坑开挖施工是否有场地可供钢 筋制作、施工设备停放、施工车辆进出及布置 车道和土方材料堆场。如场地不能满足常规的 基坑

9、施工要求，则必须采用分区开挖逆筑法施 工。 n了解当地的常规施工方法和施工单位的施工设 备、施工技术，在安全可靠经济合理的前提下， 因地制宜确定设计方案，使设计能与当地的施 工方法、设备技术相适应。 有关的工程设计依据 n基坑支护设计必须依据国家及地区现行有关的 设计、施工技术规范、规程。如地下连续墙、 钻孔灌注桩、搅拌桩等设计施工技术规程、规 范和钢筋混凝土结构、钢结构等设计规范。因 此设计前必须调研和汇总有关规范和规程并注 意各类规范的统一和协调。 n积极调研和吸取当地相似基坑工程的成功与失 败的原因、经验和教训。在基坑工程设计中应 以此为重要设计依据。特别在进行异地设计、 施工时，更须注

10、意。 围护结构的特点 围护结构的选型 我国基坑工程围护结构类型的选择方案 我国基坑工程围护结构类型的选择方案 我国基坑工程围护结构类型的选择方案 我国基坑工程围护结构类型的选择方案 支撑方案设计 支撑的组成 n 现浇钢筋混凝土支撑体系由围檩(头道为圈梁)、 支撑及角撑、立柱和围檩托架或吊筋、立柱、 托架锚固件等其它附属构件组成。 n钢结构支撑体系，通常为装配式的，由内围檩、 角撑、支撑、千斤顶(包括千斤顶自动调压或 人工调压装置)、轴力传感器、支撑体系监测 监控装置、立柱桩及其它附属装配式构件组成。 钢支撑的组成 钢支撑的构造 两类支撑体系的形式和特点 支撑体系的布置形式 n支撑体系的布置形式

11、在基坑工程设计中常表现 出富有思维创造性，也是技术要求较高的一项 设计，支撑体系布置设计应考虑以下要求: n能够因地制宜合理选定支撑材料和支撑体系布置形 式，使其综合技术经济指标得以优化 n支撑体系受力明确，充分协调发挥各杆件的力学性 能，安全可靠，经济合理，能够在稳定性和控制变 形方面满足对周围环境保护的设计标准要求 n支撑体系布置能在安全可靠的前提下，最大限度地 方便土方开挖和主体结构的快速施工要求 支撑材料和类型（一） n应根据当地的地质、周围环境及施工、技术和 材料设备条件，因地制宜地选择安全面经济的 支撑材料和支撑类型。 n在软土地区，如当地开发商、施工单位已有钢 支撑材料的，则首先

12、考虑用钢支撑，而在建筑 密集市区的深基坑工程中钢支撑还需配置带轴 力调控装置的装配式钢支撑，当没有装配式钢 支撑和钢支撑施工技术条件时则采用现浇钢筋 混凝土支撑。 支撑材料和类型（二） n对于地质条件较好的地区，应首先考虑打设锚 杆的方案，我国东北、华北、西南等地应用锚 杆较广泛。 n除了比较各种支撑类型的技术性能外， 支撑材料和形式的选择、还要计及加工 (或租赁)支撑、现场安装(或浇筑)支撑、 以及拆除支撑所需的费用，以做综合经 济对比。 支撑道数 n竖向的支撑道数、支撑点标高的确定，应考虑 在一定地质条件下，满足基坑围护和支撑结构 体系的稳定和控制变形的要求，还要与浇筑主 体结构各层楼板时

13、的换撑设计相协调。 n在软土地区头道支撑一般设于地面下 1.0-2.5m， 每道支撑的竖向间隔一般介于25-4.5m之间， 为减小基坑开挖后的围护结构变形，最下道支 撑的布置尽量落低，但应高出底板面60cm以 上，便于底板和外墙的施工。 支撑体系的平面布置 n对于地层软弱、周围环境复杂，控制基坑变形要求严 格的深大基坑，应选择平面直交式或井字形集中式。 支撑轴线的水平间隔，采用钢筋混凝土支撑的，一般 为10-12m,装配式钢支撑的一般为6-10m左右。 n在平面形状不规则的基坑中，高层建筑的塔楼及筒体 结构的下部要求尽早出地面时，可因地制宜采用边桁 架、圆形、圆拱、角撑、斜撑、组合式等形式，以

14、方 便土方开挖和主体工程施工。这些支撑体系通常采用 现浇钢筋混凝土。钢筋混凝土支撑围檩宽度的确定， 要考虑适应主体结构外墙结构及防水施工要求。 支撑立柱桩 n在顺筑法中支撑立柱桩的位置应避开梁、 柱，可借用土程桩或另行打设。立柱材 料、截面通常选用H型钢、钢管和角钢构 成格构柱，便于穿越底板、楼板施工和 以后的防水处理。 常用支撑体系的布置形式（一） 常用支撑体系的布置形式（二） 常用支撑体系的布置形式（三） 常用支撑体系的布置形式（五） 基坑施工应变措施设计 n基坑方案总体设计确定后，应对以后施工中可 能出现的问题预先做周密的考虑。 n对支撑和开挖施工过程中，可能出现围护结构、 支撑结构的过

15、大变形和内力、周围地表过大沉 降、以及围护墙与支撑体系的破坏和失稳等问 题，在基坑工程设计时，应根据工程实践经验 提出应变措施设计。 n同时在施工过程中按照设计所提的各项监测管 理体系进行施工监测，并根据监测提出的警告 信息及时采取相应预防灾害事故的应变措施。 基坑开挖中出现的问题及相应的应变措施 基坑加固方案 的选择 n按一定地质条件和基坑开挖施工参数所 设计的支护结构体系、达不到控制基坑 变形要求时，如增加支撑道数不可行， 则要考虑合理提高围护墙被动区抗力或 减少主动区压力的方法，使基坑变形符 合要求。一般在围护墙被动区加固土体 是可行而合理的方法。另在遇到管涌、 承压水问题时，如因环境条

16、件不能采用 降水法处理则可用地基加固解决。 加固范围的确定 n经过深入地质调查和坑周地层位移对保 护对象影响的计算分析，而后针对基坑 地基的薄弱处预先进行可靠而合理的地 基加固。必须加固的位置和范围要选在 以下可能引起突发性灾害性事故的地质 或环境条件之处： 加固范围的确定 n液性指数大于1.0的触变性及流变性较大的粘土 层； n基坑底面以下存在承压水层，坑底不透水层有 被承压水顶破之险； n在坑底面与下面承压水之间存在不透水层与受 压透水层互层的过渡性地层； n基坑承受偏载的条件： n坑周地面和地下水位高程有较大差异； n坑周挡墙外侧有局部的松土或空洞； 加固范围的确定 n 基坑对面挡墙外侧

17、超载很大； n 基坑内外地层软硬悬殊； n 部分挡墙受邻近工地打桩、压浆等施工活动引起附 加压力； n含丰富地下水的砂性土层及废弃地下室管道等 构筑物内的贮水体； n地下水丰富且连通流动大水体的卵砾石地层或 旧建筑垃圾层； n基坑周围外侧存在高耸桅塔，易燃管道，地下 铁道、隧道等对沉降很敏感的建筑设施。 抵抗坑底承压水的坑底地基加固 n坑底被承压水顶破而发生涌砂、隆起是 基坑工程中最大危险事故之一。当坑底 地基不能满足抗承压水安全要求时，必 须采取安全可靠的地基处理措施 。 高压三重管旋喷注浆法 n采用高压三重管旋喷注浆法，在开挖前于基坑 底面以下做成与坑周地下连续墙结成整体的抗 承压水底板。

18、 n上海合流污水治理一期工程中，彭越浦泵站进 水总管的条形深基坑、邻近居民多层建筑，其 长度160m，宽5.8m，深15m，坑底不透水层 仅5m，不能承受其下16t/m2的承压水压力， 后采用高压三重管旋喷注浆法得以安全完成该 基坑工程 。 旋喷桩加固土体抗承压水图 化学注浆法 n采用化学注浆法或高压三重管旋喷注浆 法，在开挖前于基坑周围地下墙墙底平 面以上做成封住基坑周围地下墙墙底平 面的不透水加固土层，此加固层底面以 上土重与其下面承压水压力相平衡。 n荷兰鹿特丹市地铁区间隧道基坑工程中， 用此法解决了承压水问题。 化学注浆法加固土体承压水图 抗承压水稳定验算 n式中 h 坑底至加固底面高

19、度； n 加固层底面以上土层平均重 度； n 承压水压力。 hH ew w H w 深井点降低承压水水压 n在基坑外侧或内侧以深井点降低承压水 水压，同时在附近建筑物旁边地层中用 回灌水法以控制地层沉降保护建筑设施。 当基坑处于空旷地区可不用回灌水措施 。 井点降低承压水稳定坑底图 基坑外设防水帷幕 n在地下水位以下的松散砂、砾或渗透性较大的 地层中，进行基坑开挖前，必须根据地层透水 性和流动性，在排桩式挡墙或密水性较差的挡 墙外侧，采用搅拌桩、旋喷桩、水泥系列或化 学注浆法，做成防水帷幕，严防挡墙缝隙水土 流失和挡墙底部管涌。 n防水帷幕在坑底以下的插入深度务必满足抗管 涌的安全要求 。 n

20、举例：地铁陆家嘴路车站 基坑挡墙防水帷幕 坑内降水预固结地基法 （一） n在市区建筑设施密集地区，对密封性良好的围 护墙体基坑内的含水砂性土或软弱粘性土夹薄 砂层等适宜降水的地层，合理布设井点，在基 坑开挖前超前降水，将基坑地面至设计基坑底 面以下一定深度的土层疏干并排水固结，以便 于开挖土方，更着重于提高挡墙被动区及基坑 中土体的强度和刚度，并减少土体流变性，以 满足基坑稳定和控制土体变形要求。 坑内降水预固结地基法（二） n开始降水在开挖前的超前时间，按降水深度及地层渗 透性而定。 n在上海夹薄砂层的淤泥质粘土层中，水平渗透系数为 10-4cm/s，垂直渗透系数10-6cm/s，当在此地层

21、中的 降水深度为1718m，自地面挖至抗底的时间为30d时， 超前降水时间28d。 n实践说明降水固结的软弱粘土夹薄砂层强度可提高30 以上，对砂性土效果则更大。大量工程的总结资料 可证明适宜降水的基坑土层，以降水法加固是最经济 有效的方法。为提高降水加固土体的效果，降水深度 要经过验算而合理确定。 基坑降水预固结地基图 围护挡墙被动区加固法（一） n在邻近建筑设施的流塑、软塑粘性土层中的深 大基坑，为控制挡墙侧向位移，在基坑开挖前 超前一定时间(加固后土体的结硬时间)，对挡 墙被动区，用水泥搅拌桩、旋喷桩、或分层注 浆法进行加固。 n加固范围及加固土体力学性能要求，除与基坑 深度、平面几何尺

22、寸、地质条件、支护结构体 系特征相关外，与施工工艺及施工参数有很大 关系。 围护挡墙被动区加固法（二） n采用现浇钢筋混凝土支撑的基坑，即使精心地 分层、分部、对称、平衡和限时地开挖及支撑， 每部地下墙卸荷后的无支撑暴露时间也要48h， n采用钢支撑的基坑，精心的施工可将控制在 24h。 n在同样地质环境条件下，采用现浇钢筋混凝土 支撑的基坑，挡墙被动区加固范围和力学性能 要求要大50100，视地质条件而定。 基坑挡墙被动区注浆加固图 基坑挡墙被动区搅拌桩加固图 放坡开挖的边坡加固法 n当基坑处于砂性土或饱和含水流塑或软 塑粘性土夹有薄砂层(水平渗透系数10- 5cm/s)的地层中，首先考虑采

23、用明排法 或井点法降低基坑开挖影响范围地层的 地下水位，以防止开挖中动水压力引起 的流砂现象和渗流力的作用，并且增加 土体抗剪强度和刚度，提高边坡稳定性， 减少坑底回弹和地下结构建成后的再固 结沉降。 n井点选型根据地质和降水深度确定，井 点在平面和竖向布置中要注意封住降水 范围，降水曲线符合预期要求。在大型 放坡开挖基坑中要尽可能利用地形条件， 采用明排与井点结合法以节省造价，上 海宝钢4号大型泵站放坡开挖基坑即采用 此法收到较大技术经济效益。 上海宝钢4号泵站放坡开挖基坑降低地 下水位施工示意图 n在含水量很高的流塑粘土层，渗透系数 10-6cm/s，采用电渗排水井点，可降低 土层含水量，

24、将土体不排水抗剪强度提 高50以上，使放坡坡度改陡，且提高 稳定性。上海真北路下立交桥工程的穿 越沪宁铁路的箱涵基坑中采用了电渗法， 保证了基坑的安全施工 。 上海真北路立交工程电渗法降水施工 示意图 施工中必须解决的基本问题 n开挖支撑施工是决定深基坑工程成败优 劣的关键工序，施工中必须科学地解决 以下两个方面的基本问题： n1、在地下水以上的稳定地层或在含水软弱 地层中，作为施工临时围护结构的基坑，或 作为永久性结构一部分的围护结构的基坑， 都要求基坑本身具有一定的稳定性，防止基 坑发生破坏。 施工中必须解决的基本问题 n2、基坑开挖中不可避免地引起程度不同的坑周土 体应力释放和地下水流动，从而导致支护结构体系 和坑周地层的位移而造成周围地上地下建（构）筑 物，地下管道，地铁隧道等建筑