深基坑工程教材

深基坑工程济南市全民健身中心（体校地块）基坑工程南侧坑壁钢管桩支护鲁能电力东兴2#、3#高层住宅楼基坑工程西侧坑壁桩锚支护济南旧城改造茂新街片区4#、5#住宅楼基坑工程南侧坑壁钢管桩与土钉支护土钉墙喷锚支护艺术大厦基坑工程济阳煤矿污水处理池基坑工程水泥搅拌桩悬臂支护桩锚支护将军经贸大厦基坑工程深基坑工程的若干事故实例深基坑工程的技术要求

深基坑工程是指包括基坑开挖、降水和支护结构设计、施工与监测在内的总称。对深基坑工程的技术要求包括：一、

深基坑工程的功能要求1.挡土功能2.止水功能3.作为地下结构外墙的使用功能二、环境保护与处理相邻关系的要求1.控制围护结构位移和坑底隆起对环境的影响2.控制降低地下水位对环境的影响3.控制土锚对相邻场地的影响

挡土功能放坡开挖和支护开挖虽是两种可供选择的开挖方案，但放坡开挖的适用范围有限，因为深基坑的放坡范围过大，城市不可能提供太大的放坡空间；深基坑放坡所增加的土方量也比较大；如在软土地区更由于可能产生深层滑动的制约，在深基坑中放坡开挖的风险很大。因此深基坑工程大多采用支护开挖的方案。深基坑设置支护结构（一般包括围护结构和支锚体系两部分）的目的是阻止基坑外侧土体的坍塌，为基础施工提供安全的工作空间。

根据挡土的要求，围护结构不一定是连续密闭的，在土的强度比较高的地区，采用间隔式的围护结构就足以起到挡土的作用；但在软土地区，由于土的强度低，土压力比较大，则需要设置连续排列的围护结构才有足够的强度抵抗土压力的作用和防止软土在侧向压力作用下通过支挡的间隙绕流。

不同地区、不同土类、不同开挖深度的基坑，根据挡土的功能要求可以选择不同的围护结构型式和支锚体系的类型。

止水功能

在地下水位比较高的地区，为了使施工作业的空间比较干燥，必须采取坑内排水或降低地下水位的措施。如在坑内降低地下水位则造成了坑内外的水位差

，地下水在水头压力的作用下从坑外流向坑内，不仅不能保持坑内的干燥，而且还会产生管涌、流砂等渗透变形，危及基坑的安全。在这种情况下，要求围护结构同时具有止水的功能，能阻止地下水流向坑内，以保证坑内的施工作业条件。

实现围护结构止水功能的条件，一方面是要求围护结构本身要有一定的隔水性能，可以同时起止水帷幕的作用，另一方面是要求设置的止水帷幕有足够的长度，或者能切入不透水层，或者能将水头梯度减少到不会发生危害的数值。

有些类型的围护结构可以同时具有挡土和止水的功能，如地下连续墙；但有些挡土结构物却不具有止水的作用，如排桩式围护结构，此时就需要设置止水帷幕，采用两种材料的复合结构。

作为地下结构外墙的使用功能

在软土地区，深基坑工程的围护结构造价很高，特别如地下连续墙有时可达数千万之巨，如果仅用作施工时的临时性围护结构，在地下室施工完毕以后就丧失了使用价值，确实非常可惜。为了充分利用地下连续墙的使用价值，提出了将围护结构同时作为地下室外墙的设计要求，这种设想无疑是具有经济意义的。

在这种条件下，支护结构就具有地下室外墙的使用功能要求，即永久性的止水功能、永久性的挡土作用以及传递建筑物荷载的功能。

对于同时具有地下室外墙使用功能要求的围护结构，其设计和施工的技术要求和一般围护结构不同，技术难度比较大，也比较复杂，需要作专门的研究。

环境保护与处理相邻关系的要求

1.控制围护结构位移和坑底隆起对环境的影响2.控制降低地下水位对环境的影响3.控制土锚对相邻场的影响

控制围护结构位移和坑底隆起对环境的影响基坑开挖对土体来说是一种卸荷作用，打破了土体原来的平衡状态，土体就会产生各种形态的位移，在基坑内部，表现为围护结构的水平位移和坑底的隆起，尽管设置了围护体的支、锚结构，但围护结构连同周围的土体仍然有不同程度的水平位移；坑底的隆起是一种向上的位移，产生的原因一是深层土的卸荷回弹，二是由开挖形成的压力差导致的土体塑流。由于土体是连续体，坑底的隆起和围护结构的水平位移必然导致坑外土体产生沉降和水平位移，带动相邻建筑物或市政设施发生倾斜或挠曲，这些附加的变形使结构构件或管道可能产生开裂，影响使用，危及安全。控制降低地下水位对环境的影响

基坑开挖时必须采取坑内排水或降低地下水位的措施以获得干燥的施工工作空间。

如采用坑外降水会使大范围的地下水位下降；如在坑内降水而围护结构不具有止水的功能，或止水功能失效，则也会引起坑外地下水位下降；基坑的开挖深度越深，地下水位下降越多，影响的范围也就越大。当采用坑内降水方案而止水帷幕能有效工作时，坑外的地下水位不会明显下降，对相邻建筑物不会构成威胁。

地下水位下降造成土体有效应力增加，产生大范围的地面沉降，在影响范围内的建筑物和市政设施就要受到不同程度的损害。

因此在软土地区通常都采用止水帷幕来防止坑外地下水位的下降，在基坑工程设计和施工时，必须充分重视止水帷幕的质量，密切监控坑外地下水位的变化。

控制土锚对相邻场地的影响

对坑内的施工条件来说，采用土锚比内支撑更为有利，可以减少对挖土和浇筑基础的干扰。因此在地质条件比较好的的地方，大量采用土锚；而在软土地区，由于软土无法提供足够的锚固力，很少采用土锚。但除了上述技术方面的考虑之外，采用土锚时还应充分注意其对相邻关系的影响，除非建筑场地十分空旷，土锚能完全设置在建筑红线范围以内。

建筑红线是法定的建筑界限，不仅限定地面建筑的范围，而且也不容许地下的设施超出红线范围。在一般情况下，土锚的锚固段常常超出红线，亦即已经进入相邻场地的范围，如果相邻场地进行地下的施工或设置桩体，土锚就成为其地下障碍物，因此可能产生相邻的纠纷。从民法的角度来看，采用的土锚如已进入相邻场地范围，则已经侵犯了相邻场地业主的合法权益，相邻场地业主可以诉诸法律。

开挖方案选择基坑工程设计方案的第一步是选择开挖方案，各种不同的开挖方法适用于不同的场合，不同的开挖方法对围护结构和支撑体系也提出不同的要求。

开挖方案选择放坡开挖

无支撑开挖

重力式挡墙

悬臂式挡墙

锚固式挡墙有支撑的开挖组合型的开挖方案

放坡开挖放坡开挖的直接费用最少，而且为主体工程创造了比较宽敞的施工作业空间，因而工作面宽，工期也比较短，如果场地条件允许，放坡开挖应该是首选的方案。制约采用放坡开挖的因素主要是周围场地和开挖深度的限制。放坡需要占用比较大的场地，在城市或建成区往往没有这个条件。由于坡体不可避免地会产生一定的位移，如果在场地附近有建筑物或市政管线不能承受较大的变形，亦常常限制了放坡开挖方法的采用；开挖深度也是一个制约条件，但开挖深度是相对于土质而言的，如土质比较好，坡度可以比较陡，占用场地也比较小，深度限制就不那么明显；在软土地区，由于土质软弱，放坡开挖深度就不能太深。如整体稳定性允许，可以采用放坡开挖方案。但有时受场地的限制，只能取用较陡的坡度；如坡面的稳定性不能得到保证时，则可采用喷锚支护或土钉墙的方案。喷锚支护和土钉墙从受力机理上讲不同于无支撑的自立式挡墙，而是属于坡面加固处理的一种方法，通过加强土体共同受力的方式来保持坡面的稳定性，属于自承支护体系。如果坑底土质比较差，整体稳定性不足，则喷锚支护和土钉墙的方案就不能采用。

无支撑开挖当不能采用放坡开挖方案时，必须选用围护结构以支承坑外的土体。在可能的条件下应尽可能采用无支撑开挖的方案，因为这种方案能提供比较开阔的坑内施工条件，便于挖土、运土以及地下室的施工；同时，也比较经济。

重力式挡墙

重力式挡墙是依靠自身的重力维持其稳定的围护结构，由于可以采用价格比较低廉的水泥土等材料制作，是一种比较经济的方案。在开挖深度不大（如软土地区不大于6～7m），环境对位移的要求可允许有50mm左右的条件下是首选方案，但重力式挡墙的宽度比较大，在地下室外墙与红线之间的距离过小时就很难放得下宽度较大的重力式挡墙。

重力式支护结构是指主要通过加固基坑周边土形成一定厚度的重力式墙，以达到挡土的目的。重力式支护结构分为：重力式挡墙和水泥土搅拌桩。重力式挡墙施工图水泥土搅拌桩（或称深层搅拌桩）支护结构是近年来发展起来的一种重力式支护结构。它是通过搅拌桩机将水泥与土进行搅拌，形成柱状的水泥加固土（搅拌桩）这种支护墙具有防渗和挡土的双重功能。由水泥土搅拌桩搭接而形成水泥土墙，它既具有挡土作用，又兼有隔水作用。它适用于4～6m深的基坑，最深可达7～8m.水泥土重力式挡墙加内支撑悬臂式挡墙

悬臂式挡墙是依靠自身的刚度和强度就能维持其稳定的围护结构，由于围护结构承受比较大的弯矩，需要采用钢筋混凝土材料。当重力式挡墙因场地宽度不够而不能采用时，悬臂式挡墙就能克服这个缺点，可以在1.5～2m的狭窄范围内安置悬臂式挡墙。但悬臂式挡墙的位移比较大，难以满足周边环境的严格要求，同时在开挖深度较大时墙身弯矩很大，因此适用的开挖深度也不深；使用条件不当时可能产生围护结构损坏或严重影响环境的事故。板式支护结构由两大系统组成：挡墙系统和支撑（或拉锚）系统。悬臂式板桩支护结构则不设支撑（或拉锚）锚固式挡墙

锚固式挡墙是依靠锚杆传递的拉力来维持其稳定的围护结构，对于深基坑可以采用多道锚杆来平衡土压力，因而可以适用于开挖得很深的基坑。锚固式挡墙的拉锚系统材料一般用钢筋、钢索、型钢或土锚杆。根据基坑开挖的深度及挡墙系统的截面性能可设置一道或多道支点。拉锚常用于钢板桩顶部的锚固，或作为辅助的锚固措施；土钉墙土钉是由水平或近于水平设置在天然边坡或开挖形成的边坡中的加筋杆件及层面结构形成挡土体系。土钉是基于新奥法的原理发展起来，1972年在法国首次在土层中成功应用了土钉支护技术，20世纪80年代土钉技术得到了广泛应用。我国是80年代后开始使用土钉技术，近年来发展极快。制定了《基坑土钉支护技术规程》，发展了使用复合土钉技术（土钉与旋喷桩、土钉与预应力锚杆相结合等）土钉墙技术则是在土体内放置一定长度和分布密度的土钉体与土共同作用，弥补土体自身强度的不足。有效地提高了土体的整体刚度，弥补了土体抗拉、抗剪强度低的弱点。

土钉墙的作用原理土钉墙应用于基坑开挖支护和挖方边坡稳定有以下特点：

（1）

形成土钉复合体、显著提高边坡整体稳定性和承受边坡超载的能力。

（2）

施工设备简单，由于钉长一般比锚杆的长度小的多，不加予应力所以设备简单。

（3）

随基坑开挖逐层分段开挖作业，不占或少占单独作业时间，施工效率高，占用周期短。

（4）

施工不需单独占用场地，对现场狭小，放坡困难，有相邻建筑物时显示其优越性。

（5）

土钉墙成本费较其他支护结构显著降低。

（6）

施工噪音、振动小，不影响环境。

（7）

土钉墙本身变形很小，对相邻建筑物影响不大。（1）根据不同土质，在无支护情况下开挖一定深度；（2）在这一深度的作业面上钻孔，设置土钉，挂钢筋网，喷射混凝土面层；（3）继续下挖，重复以上步骤，直至开挖到设计的基坑深度。土钉墙支护基坑的施工步骤喷锚支护【shotcrete-boltsupport】指的是借高压喷射水泥混凝土和打入岩层中的金属锚杆的联合作用加固岩层。喷锚支护实际上可分为两大部分：一部分是喷混凝土；一部分是设锚杆。在基础开控后，将岩石或土体表面清理，然后立刻喷上一层厚3～8cm的混凝土，防止围岩或土体过分松动。喷锚支护组成：

喷锚支护结构由锚杆、钢筋网喷射混凝土面层和被锚固的土体组成。锚固段：土体主动滑裂面外，压力注浆锚杆自由段：土体滑动面内，不注浆。

锚杆分为预应力和非预应力两种，一般都施加

预应力张拉，在墙面设置足够刚度的腰梁以传

递锚杆压力，杆体一般选用钢绞线或精轧螺纹钢筋。土钉支护与喷锚支护的区别

土钉墙支护与喷锚支护（特别是非预应力锚杆喷锚支护）在型式上是相似的，都是在开挖边表面铺钢筋网，喷射混凝土面层，并在其上成孔然后安设锚钉或锚杆（索）,但是它们的作用机理、方法、适用对象范围、造价等方面都是不同的。1.土钉墙是埋设土钉，使边坡与土体形成复合体共同工作；喷锚护壁埋设的是锚杆，主要利用的是锚杆与周围土体之间的粘聚力。2.土钉墙不施加预应力，锚杆可施加预应力。3.土钉全长范围内受力，锚杆则分为自由段和锚固段。4.土钉复合整体作用，个别失效，整个土钉墙影响不大，而各锚杆为重要受力部位，失效影响范围大。5.土钉墙面板基本不受力，锚杆护墙面板和立柱受力较大。6.土钉墙与喷锚支护相比，前者构造较简单、成本相对要低些，一般适用于土质较好、放一定坡度的情况；后者在不适宜有较大放坡的情况下采用，且后者要求锚杆前端嵌入坚实可靠的岩土层，才能起到支护的作用。有支撑的开挖

在不具备采用土层锚杆条件的场地，深基坑只能采取有支撑开挖的方案，但是深基坑的平面尺寸一般都比较大，给支撑的设置带来了困难；由于支撑和挖土的工序互相交叉，形成许多各具特色的支护开挖方案。

分层开挖分层支护法

这是最基本的方法，按照结构受力分析和便于施工的原则布置每道支撑的位置，在深度方向分层挖土与支撑设置交替施工。工况1工况2工况3工况4工况5工况6中心岛法

对于平面面积很大的基坑，采用分层开挖、分层支护的方法在技术和经济上都不太合理。由于支撑的长度很长，为了增大支撑刚度，需要加大支撑截面和侧向支撑，使支撑的造价很高，而且一层平面的挖土量也很大，前后延续的时间比较长，这就需要在平面上加以划分。中心岛法是平面划分的一种考虑，它结合将厚底板分设后浇带的划分，将平面分成两个部分，中心部分先施工，此时先施工的面积比较小，而且具有放坡的余地，可以在坑内按照放坡办法施工，在中心部分浇筑底板以及地下室的部分结构（如核心筒、剪力墙或柱）以后，再分层开挖四周的留土，分层将支撑连接到已建成的底板或地下室的构件上去。第一阶段，放坡，浇筑中间部分地下室第二阶段，对周围部分采用分层开挖分层支撑方法施工底板地下室梁板支撑组合型的开挖方案在方案设计时，可以根据工程的具体情况将上述几种方法加以组合，以发挥各自的优点，形成最经济合理的方案。可以在立面上组合，也可以在平面上组合。

立面组合主要是指为了减少围护结构支承的开挖深度，将围护结构顶面的标高压低后形成上部是放坡，下部是支锚的组合断面。平面组合是指在基坑的几个侧面采用不同的方法，根据各个侧面场地宽余程度的不同，采取不同的方法。在场地比较宽敞的部位尽可能采用放坡的办法，场地能容纳重力式的地方尽量采用重力式挡墙，在实在放不下重力式挡墙的部位才采用排桩式。这样做的目的是为了节省造价，但在技术上带来了一定的困难，主要是在不同型式的结构连接处需要做好构造处理，这些部位往往是最薄弱的环节，也是最容易产生事故的地方。

围护结构的类型

确定了开挖方案以后，根据开挖方案的要求选择围护结构。选择围护结构时应考虑开挖深度、地质条件、地下水条件、施工条件和工程要求等因素综合确定。

常用的三种围护结构类型，即水泥土搅拌桩、排桩式围护结构和地下连续墙的比较。SMW工法在水泥搅拌桩体内加劲性型钢，形成组合结构的围护结构墙体，这种在日本已成熟应用的方法称为SMW工法，它组合了型钢受力水泥土止水的各自优点，截面比较小，适应性强。在我国推广使用的主要障碍是型钢造价高，一些单位致力于研究将型钢在工后拔出的技术，已取得进展。

灌注桩加强的搅拌桩墙体在水泥搅拌桩墙体的两侧或一侧加钻孔灌注桩，形成组合断面以实现对深度大于7m的深基坑采用无内支撑的重力式挡墙（改良的重力式挡墙）或简易支撑的挡墙方案。这种方案的最大优点是造价便宜。但这种复合型的结构内力计算方法尚需进一步研究，钻孔灌注桩的布置原则也需进一步明确。

支、锚体系的选择

当无法采用自立式挡墙（包括重力式和悬臂式）时，必须采用内支撑或锚杆体系来平衡土压力，以维持围护结构的稳定性。

锚杆要受场地条件和地质条件的限制，而内支撑的适应性比较强；由于锚杆体系对坑内施工的干扰比较少，因此当具备可以采用锚杆体系的条件时，一般首选锚杆方案；

主动土压力Ea被动抗力Ep基底摩阻力H重力G重力式围护结构主动土压力Ea被动抗力Ep被动抗力E´p悬臂式围护结构拉锚土锚土锚或拉锚支撑立柱立柱桩围护墙围檩坑底加固内支撑体系围护结构的受力性能与材料密切有关：用水泥搅拌桩做成的坝体是刚性的、自立式的；用钢材或钢筋混凝土制成的围护结构是柔性的，一般需要采用支锚体系来维持其稳定；但钢筋混凝土地下连续墙也可以做成重力式围护结构；水泥搅拌桩可以加劲性的型钢成为柔性的围护结构（SMW工法），也可以用作柔性的排桩式围护结构的止水帷幕。基坑工程的失效模式1.整体失稳

2.坑底隆起

3.围护结构倾覆失稳

4.围护结构滑移失稳

5.围护结构底部地基承载力失稳

6.“踢脚”失稳

7.止水帷幕功能失效和坑底渗透变形破坏8.围护结构的结构性破坏9.支、锚体系失稳破坏整体失稳整体失稳是指在土体中形成了滑动面，围护结构连同基坑外侧及坑底的土体一起丧失稳定性，一般的失稳形态是围护结构的上部向坑外倾倒，围护结构的底部向坑内移动，坑底土体隆起，坑外地面下陷。

坑底隆起坑底隆起是指坑底土体产生向上的塑性变形。基坑开挖以后，坑底向上位移的原因有两种，一是卸载引起的回弹，其数值较小；另一种是在开挖引起的压力差作用下土体中产生的塑性变形。这种变形如果数量较大，表示土体中的塑流已经比较严重，如果围护结构和内支撑能形成整体性好的体系，则塑流仅引起坑外地面下沉，影响环境安全；如果支撑体系强度差，隆起可能是整体失稳的前兆；如果稳定性不能得到有效的控制，就会发生整体性失稳。围护结构倾覆失稳围护结构的倾覆失稳主要发生在重力式结构或悬臂式围护结构。重力式结构在坑外主动土压力的作用下，围护结构绕其下部的某点转动，围护结构的顶部向坑内倾倒。抵抗倾覆失稳的力矩主要由围护结构自身的重力形成，坑底的被动抗力也是构成抵抗力矩的因素。关于转动中心的位置有不同的看法，传统的方法是将转动中心放在围护结构的前趾，但也有认为绕前趾上面或下面的某一点转动比较合理，特别的软土地区由于基底土比较软弱，在力矩作用下前趾有下沉的可能。

围护结构滑移失稳围护结构的滑移失稳亦主要发生在重力式结构中，在坑外主动土压力的作用下，围护结构向坑内平移。抵抗滑移的阻力主要由围护体底面的摩阻力以及内侧的被动土压力构成。当坑底土软弱或围护结构底部的地基土软化时，墙体发生滑移失稳。

围护结构底部地基承载力失稳重力式围护结构的底面压力过大，地基承载力不足引起的失稳。由于在围护结构的外侧还作用着土压力，因此其合力是倾斜的。在倾斜荷载作用下，地基土发生向坑内的挤出，围护结构产生不