土方边坡与土壁支撑施工技术

1.4.2.1 土方边坡土方边坡坡度以其挖方深度h与边坡底宽b之比来表示：

式中 m=b/h，称为边坡系数。

土方边坡大小应根据土质、开挖深度、开挖方法、施工工期、地下水位、坡顶荷载及气候条件等因素确定。边坡可做成直线形、折线形或阶梯形，如图1.18所示。

图1.18　土方边坡

（a）直线形；（b）折线形；（c）阶梯形

土方边坡坡度一般在设计文件上有规定。若设计文件上无规定，可按照 《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50202—2016）第6.2.3的规定执行（表1.4）。

表1.4　临时性挖方边坡值

注 1.设计有要求时，应符合设计标准。
2.如采用降水或其他加固措施，可不受本表限制，但应计算复核。
3.开挖深度，对软土不应超过4m，对硬土不应超过8m。

当地质条件良好，土质均匀且地下水位低于基坑、沟槽低面标高时，挖方深度在5m以内，不加支撑的边坡留设应符合表1.5的规定。

表1.5　深度在5m内的基坑（槽）、管沟边坡坡度（不加支撑）

注 1.静载指堆土或材料等，动载指机械挖土或汽车运输作业等。静载或动载应距挖方边缘0.8m以外，堆土或材料高度不宜超过1.5m。
2.当有成熟经验时，可不受本表限制。

1.4.2.2 土壁支撑

当开挖基坑（槽）受地质条件、场地条件或施工条件的限制，既不能采用放坡方式开挖，也不能采用降低地下水位方法，为保证施工的顺利和安全，减少对相邻已有建筑物的不利影响，可以采取加设支撑护壁的方法。

近年来，随着我国高层建筑的迅速发展，土壁支护技术也得到相应发展和提高。目前，在建筑工程中常用的支护方式有横撑式支撑、锚桩式支撑、板桩式支撑、排桩式支撑、土层锚杆支护、土钉支护和地下连续墙等。

1.锚桩式支撑

锚桩式支撑也称锚碇式支撑。当开挖宽度较大的基坑时，横撑会因自由长度过大而稳定性差，或采用机械挖土不允许基坑内有水平支撑妨碍工作，此时可用锚桩式支撑，如图1.19所示。打入坑底以下的桩柱间距一般取1.5～2.0m，锚桩必须设置在土坡破坏范围以外。

2.横撑式支撑

横撑式适用于开挖较窄的沟槽，根据挡土板的不同，可分为水平挡土板式支撑 [图1.20（a）]和垂直挡土板式支撑[图1.20（b）]两类，前者又可分为断续式和连续式两种。当挖土深度小于3m并且是湿度较小的黏性土时，可采用断续式水平挡土板支撑；对于松散、湿度较大的土层，可采用连续式水平挡土板支撑；对于深度超过5m、松散和湿度很高的土壤，可采用垂直挡土板支撑。

图1.19　锚桩式支撑示意图

1—桩柱；2—挡土板；3—锚桩；4—拉杆；5—回填土

图1.20　横撑式支撑示意图

（a）断续式水平挡土板支撑；（b）垂直挡土板支撑
1—水平挡土板；2—立柱；3—工具式横撑；4—垂直挡土板；5—横楞木

由于垂直挡土板是在基坑开挖前将挡土板打入土层中，然后随挖随加设横向支撑，所以挖土深度一般不限，但必须注意横向支撑的刚度。

3.板桩式支撑

在土质差、地下水位高的情况下，开挖深且面积大的基坑时，常采用板桩作为土壁的支护结构。板桩式支撑既可挡土也可挡水，又可避免流砂的产生，防止临近地面的下沉。

（1）槽形钢板桩。

这是一种简易的钢板桩支护挡墙，由槽钢正反扣搭接组成。槽钢长6～8m，型号由计算确定。由于其抗弯能力较弱，用于深度不超过4m的基坑，顶部设一道支撑或拉锚。

（2）热轧锁口钢板桩。

型式有：Z型，见图1.21（a）；U 型，见图1.21（b）；一字型，又叫平板桩，见图1.21（c）；组合型，见图1.21（d）。

图1.21　常用钢板桩截面形式

（a）Z型；（b）U型；（c）一字型；（d）组合型

常用的有U型和Z型两种，基坑深度很大时才用组合型。一字型在建筑施工中基本上不用，在水工等结构施工中有时用来围成圆形墩隔墙。U型钢板桩可用于开挖深度5～10m的基坑，目前在上海等地区广泛使用。由于一次性投资较大，多以租赁方式租用，用后拔出归还。在软土地基地区钢板桩打设方便，有一定挡水能力，施工迅速，且打设后可立即开挖，当基坑深度不太大时往往是考虑的方案之一。

（3）钢板桩的打设。

1）屏风式打入法。

这种方法是将10～20根钢板桩成排插入导架内，呈屏风状，然后再分批施打。施打时先将屏风墙两端的钢板桩打至设计标高或一定深度，成为定位板桩，然后在中间按顺序分1/3、1/2板桩高度呈阶梯状打入，如图1.22所示。

图1.22　导架及屏风式打入法（单位：mm）

1—围檩桩；2—导梁；3—两端先打入的定位钢板桩

这种打桩方法的优点是可以减少倾斜误差积累，防止过大的倾斜，而且易于实现封闭合拢，能保证板桩墙的施工质量。其缺点是插桩的自立高度较大，要注意插桩的稳定和施工安全，一般情况下多用这种方法打设板桩墙，它耗费的辅助材料不多，但能保证质量。钢板桩打设允许误差：桩顶标高±100mm，板桩轴线偏差±100mm，板桩垂直度1%。(www.xing528.com)

2）单独打入法。

这种方法是从板桩墙的一角开始，逐块（或两块为一组）打设，直至工程结束。这种打入方法简便、迅速，不需要其他辅助支架。但是易使板桩向一侧倾斜，且误差积累后不易纠正。为此，这种方法只适用于板桩墙要求不高，且板桩长度较小（如小于10m）的情况。

3）钢板桩的打设。

先用吊车将钢板桩吊至插桩点处进行插桩，插桩时锁口要对准，每插入一块即套上桩帽轻轻加以锤击。在打桩过程中，为保证钢板桩的垂直度，用两台经纬仪在两个方向加以控制。为防止锁口中心线平面位移，可在打桩进行方向的钢板桩锁口处设卡板，阻止板桩位移。同时在围檩上预先算出每块板块的位置，以便随时检查校正。

4.排桩式支护

排桩式支护结构常用的构件有型钢桩、混凝土或钢筋混凝土灌注桩和预制桩，支撑的方式有型钢及钢筋混凝土内支撑和锚杆支护。排桩式支护的布置形式，分为稀疏排桩支护、连续排桩支护和框架排桩支护三种。

5.土层锚杆支护

（1）土层锚杆的构造。

锚固支护结构的土层锚杆，通常由锚头、锚头垫座、支护结构、钻孔、防护套管、拉杆（拉索）、锚固体、锚底板（有时无）等组成（图1.23）。

（2）土层锚杆的主要组成。

土层锚杆主要由锚头、拉杆和锚固体三部分组成。锚头由锚具、承压板、横梁和台座组成；拉杆可采用钢筋、钢绞线制成；锚固体是由水泥浆或水泥砂浆将拉杆与土体凝结成为一体的抗拔构件。土层锚杆的构造，如图1.24所示。

图1.23　土层锚杆的构造

1—锚头；2—锚头垫座；3—支护结构；4—钻孔；5—防护套管；6—拉杆（拉索）；7—锚固体；8—锚底板

图1.24　土层锚杆构造示意图

1—锚具；2—承压板；3—横梁；4—台座；5—承托支架；6—套管；7—钢拉杆；8—砂浆；9—锚固体；10—钻孔；11—挡墙
L—锚杆全长；Lf—非锚固段长度；Lc—锚固段长度；D—锚固体直径；d—拉杆直径

锚杆以土的主动滑动面为界，分为非锚固段和锚固段。非锚固段处在可能滑动的不稳定土层中，可以自由伸缩，其作用是将锚头所承受的荷载传递到主动滑动面外的锚固段。锚固段处在稳定土层中，与周围的土体牢固结合，将荷载分散到稳定土体中去。在一般情况下，非锚固段的长度不宜小于5m，锚固段的长度应根据计算确定。

锚杆的埋置深度要使最上层锚杆上面的覆土厚度不小于4m，以避免地面出现隆起现象。锚杆的层数，应根据基坑深度和土压力大小设置一层或多层。锚杆上下层垂直间距不宜小于2m，水平间距不宜小于1.5m，避免产生群锚效应而降低单根锚杆的承载力。锚杆的倾角宜为10°～25°，但不应大于45°。允许的倾角范围应根据地质构造而定，应使锚杆的锚固置于较好的土层中。

（3）土层锚杆的类型。

1）一般灌浆锚杆。钻孔后放入受拉杆件，然后用砂浆泵将水泥浆或水泥砂浆注入孔内，经养护后，即可承受拉力。

2）高压灌浆锚杆（又称预压锚杆）。其与一般灌浆锚杆的不同点是在灌浆阶段对水泥砂浆施加一定的压力，使水泥砂浆在压力下压入孔壁四周的裂缝并在压力下固结，从而使锚杆具有较大的抗拔力。

3）预应力锚杆。先对锚固段进行一次压力灌浆，然后对锚杆施加预应力后锚固并在非锚固段进行不加压二次灌浆也可一次灌浆（加压或不加压）后施加预应力。这种锚杆可穿过松软地层而锚固在稳定土层中，并使结构物减小变形。我国目前大都采用预应力锚杆。

4）扩孔锚杆。用特制的扩孔钻头扩大锚固段的钻孔直径，或用爆扩法扩大钻孔端头，从而形成扩大的锚固段或端头，可有效提高锚杆的抗拔力。扩孔锚杆主要用在松软地层中。

另外，还有重复灌浆锚杆，可回收锚筋锚杆等。

在灌浆材料上，可使用水泥浆、水泥砂浆、树脂材料、化学浆液等作为锚固材料。

6.地下连续墙

地下连续墙施工工艺，即在工程开挖土方之前，用特制的挖槽机械在泥浆护壁的情况下每次开挖一定长度（一个单元槽段）的沟槽，待开挖至设计深度并清除沉淀下来的泥渣后，将在地面上加工好的钢筋骨架（一般称为钢筋笼）用起重机械吊放入充满泥浆的沟槽内，用导管向沟槽内浇筑混凝土，由于混凝土是由沟槽底部开始逐渐向上浇筑，所以随着混凝土的浇筑即将泥浆置换出来，待混凝土浇至设计标高后，一个单元槽即施工完毕。各个单元槽之间由特制的接头连接，形成连续的地下钢筋混凝土墙，如图1.25所示。

7.土钉支护

土钉支护是以土钉作为主要受力构件的边坡支护技术，它由密集的土钉群、被加固的原位土体、喷射的混凝土面层和必要的防水系统组成，所以又称为土钉墙。土钉是用作加固或同时锚固原位土体的一种细长杆件。通常采取在土层中钻孔，在孔中置入螺纹钢筋，并沿孔全长注浆的方法做成。土钉依靠与土体之间界面黏结力或摩擦力，在土体发生变形的条件下被动受力，在一般情况下主要是受拉力的作用。

（1）土钉支护的特点。

土钉支护是最近几年发展起来的一种新型支护结构，具有材料用量少、工程量较小、施工速度快、操作较简单、环境干扰轻、作业场地小等特点，尤其适合在城市地区施工；土钉与土体形成复合土体，提高了边坡整体稳定性和承受坡顶荷载能力，增强了土体破坏的延性，有利于安全施工；土钉支护的位移很小，对相邻建筑物的影响也较轻，经济效益好。土钉支护适用于地下水位以上或经降水措施后的砂土、粉土、黏土等土体中。

图1.25　接头管接头的施工程序

（a）开挖槽段；（b）吊放接头管和钢筋笼；（c）浇筑混凝土；（d）拔出接头管；（e）形成接头
1—导墙；2—已烧筑混凝土的单元槽段；3—开挖的槽段；4—未开挖的槽段；5—接头管；6—钢筋笼；7—正浇筑混凝土的单元槽段；8—接头管拔出后的孔洞

（2）土钉支护的作用机理。

土钉支护是由土钉墙体与基坑侧壁土体形成的复合体，土钉锚体由于本身具有较大的刚度和强度，并在其所分布的空间内与土体组成了复合体的骨架，起到约束土体变形的作用，与土体共同作用，可显著提高基坑侧壁的承载能力和稳定性，从而弥补了土体抗拉强度低的缺点。

土钉具有较高的抗拉强度、抗剪强度和抗弯刚度。当土体进入塑性状态后，应力逐渐向土钉转移；当土体产生开裂时，土钉内出现弯剪、拉剪等复合应力，最后导致土钉锚体碎裂，钢筋产生较大的屈服。由于土钉的应力分担、应力传递和扩散作用，增强了土体变形的延性，降低了应力集中的程度，从而改善了土钉墙复合体塑性变形和破坏状态。

喷射混凝土面层对坡面变形起着约束作用，约束力取决于土钉表面与土的摩擦阻力，摩擦阻力主要来自复合体开裂区后面的稳定复合土体。土钉墙体是通过土钉与土体的相互作用，实现土钉对基坑侧墙的支护作用。

（3）土钉支护的组成。

土钉支护主要由土钉、面层和防水系统组成。土钉采用直径16～32mm的螺纹钢筋制成，其与水平面夹角一般为50°～100°；长度在非饱和土中宜为基坑深度的0.6～1.2倍，软塑黏性土中宜为基坑深度的1.0倍；水平间距和垂直间距基本相同，但乘积不应大于6.0m2，在非饱和土中一般为1.2～1.5m，坚硬黏土或风化岩石中为2.0m，软土层中为1.0m；土钉孔的孔径为70～120mm，注浆的强度不低于10MPa。

面层采用喷射混凝土，其强度等级不低于C20，厚度为80～200mm，并配置直径为6～10mm的钢筋网，间距为150～300mm。土钉与混凝土面层必须有效地连接成一个整体，混凝土面层应深入基坑底部不少于0.20m，并要做好防水系统。

（4）土钉支护的施工工艺。

土钉支护的施工比土层锚杆复杂，其施工工艺包括：定位、钻机就位、成孔、插入钢筋、进行注浆、喷射混凝土。

土钉支护应按设计要求进行施工。土钉成孔钻机可采用螺旋钻机、冲击钻机、地质钻机等；插入孔的螺纹钢筋必须调直和除锈，直径和长度必须符合设计要求；注浆用的水泥砂浆配合比为1：1～1：2、水灰比为0.45～0.50；注浆时可根据情况采用重力、低压（0.4～0.6MPa）或高压（1～2MPa）等方法，特别水平孔应采用低压或高压的注浆方法。

喷射混凝土的强度等级不应低于C20，水灰比为0.40～0.45，砂率为45%～55%，水泥与砂石的质量比为1：4.0～1：4.5，粗集料最大粒径不得大于12mm。喷射混凝土的施工应自下而上，分两次进行。第一次喷射后铺设钢筋网，并使钢筋网与土钉采用各种方法连接牢固；在钢筋网的上面喷射第二层混凝土，要求表面湿润、平整，无干斑或滑移流淌现象，在常温情况下，待混凝土终凝后2h，开始洒水养护7d。