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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、制宜采用边桁架、圆形、圆拱、角撑、斜撑、组合式等形式，以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

14、护结构、支撑结构的过大变形和内力、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，如因环境条件不能采用降

15、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 基坑对面挡墙外侧超载很大；n 基坑内外地层软硬悬殊；n 部分

16、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。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

17、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 坑底至加固底面高度；n 加固层底面以上土层平均重度；n 承压水压力。hHewwHw深井点降低承压水水压n在基坑外侧或内侧以

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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，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