基坑工程的支护体系和土方开挖方式

随着城市建设的发展，地下空间在世界各大城市中得到开发利用，如高层建筑地下室、地下仓库、地下民防工事以及多种地下民用和工业设施等。在我国，地铁及高层建筑的兴建，产生了大量的基坑(深基坑)工程。

基坑工程主要包括围护体系的设置和土方开挖两个方面。围护结构通常是一种临时结构，安全储备较小，具有比较大的风险。

一、基坑工程的概念及特点

建筑基坑是指为进行建筑物(包括构筑物)基础与地下室的施工所开挖的地面以下空间。为保证基坑施工，主体地下结构的安全和周围环境不受损害，需对基坑进行包括土体、降水和开挖在内的一系列勘察、设计、施工和检测等工作，这项综合性的工程就称为基坑工程。

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，由场地的工程水文地质条件和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)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，而且勘察、设计、施工、检测等工作环环相扣，紧密相连。

(4)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，即控制坑壁土体的变形，包括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。

二、基坑支护结构的类型及适用条件

(一)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，如图3-1所示。边坡高度与坡度控制见表3-1。

图3-1 基坑简易支护

表3-1 边坡允许坡度值

续表

(二)悬臂式支护结构

广义上讲，一切设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(图3-2所示)。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5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。

图3-2 悬臂式支护结构

(三)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(图3-3)。水泥土桩墙适合软土地区的基坑支护。

(四)内撑式支护结构

内撑式支护结构(图3-4所示)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3-3 隔栅式水泥土桩墙

图3-4 内撑式支护结构

(五)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(图3-5(a))和土层锚杆(图3-5(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，而不宜用于软黏土地层中。

图3-5 拉锚式支护结构

(六)土钉墙支护结构

土钉墙支护结构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(如图3-6所示)。土钉一般是通过钻孔、插筋、注浆来设置的，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3-6 土钉墙支护结构

(七)逆作拱墙

当基坑平面形状适合时，可采用拱墙作为围护墙。拱墙有圆形闭合拱墙、椭圆形闭合拱墙和组合拱墙。对于组合拱墙，可将局部拱墙视为两铰拱。

拱墙截面宜为“Z”字形，拱壁的上、下端宜加肋梁，如图3-7(a)所示; 当基坑较深，一道“Z”字形拱墙不够时，可由数道拱墙叠合组成，如图3-7(b)所示，或沿拱墙高度设置数道肋梁，如图3-7(c)所示，肋梁竖向间距不宜小于2.5m。也可以不加设肋梁而用加厚肋壁的办法解决，如图3-7(d)所示。

图3-7 拱墙截面示意图

1—地面; 2—基坑底; 3—拱墙; 4—肋梁

(八)加筋水泥土桩法(SMW工法)

在水泥土搅拌桩内插入“H”形钢，使之成为同时具有受力和抗渗两种功能的支护结构围护墙，如图3-8所示。坑深大时，也可加设支撑。国外已用于坑深－20m的基坑，我国已开始应用，用于8～10m的基坑。

图3-8 SMW工法围护墙

1—插在水泥土桩中的“H”形钢; 2—水泥土桩

加筋水泥土桩法施工机械应为三根搅拌轴的深层搅拌机，全断面搅拌，“H”形钢靠自重可顺利下插至设计标高。

加筋水泥土桩法围护墙的水泥掺入比达20%，因此水泥土的强度较高，与“H”形钢粘结好，能共同作用。

(九)双排桩支护结构

有的工程为不用支撑、简化施工，采用相隔一定距离的双排钻孔灌筑桩与桩顶横梁组成空间结构围护墙，使悬臂桩围护墙可用于－14.5m的基坑，如图3-9所示，其支护深度比单排悬臂式结构要大，且变形相对较小。

图3-9 双排桩围护墙(www.xing528.com)

1—钻孔灌筑桩; 2—联系横梁

(十)挖孔桩

挖孔桩围护墙也属桩排式围护墙，多在我国东南沿海地区使用，其成孔是人工挖土，多为大直径桩，适用于土质较好地区，如土质松软、地下水位高时，需边挖土边施工衬圈，衬圈多为混凝土结构。在地下水位较高地区施工挖孔桩，还要注意挡水问题，否则，地下水大量流入桩孔，大量的抽排水会引起邻近地区地下水位下降，因土体固结而出现较大的地面沉降，如图3-10所示。

挖孔桩由于是人下孔开挖，便于检验土层，也易扩孔，可多桩同时施工，施工速度可保证。大直径挖孔桩用作围护桩可不设或少设支撑，但挖孔桩劳动强度大、施工条件差，如遇有流砂，则还有一定危险。

图3-10 挖孔桩围护墙

(十一)地下连续墙

地下连续墙是于基坑开挖之前，用特殊挖槽设备在泥浆护壁之下开挖深槽，然后下钢筋笼浇筑混凝土形成的地下土中的混凝土墙，如图3-11所示。

图3-11 地下连续墙

我国于20世纪70年代后期开始出现壁板式地下连续墙，此后用于深基坑支护结构。目前常用的厚度为600mm、800mm、1000mm，多用于－12m以下的深基坑。

地下连续墙用做围护墙的优点是: 施工时对周围环境影响小，能紧邻建(构)筑物等进行施工; 刚度大、整体性好、变形小，能用于深基坑; 处理好接头能较好地抗渗止水;如用逆作法施工，可实现两墙合一，能降低成本。由于具备上述优点，我国一些重大、著名的高层建筑的深基坑多采用地下连续墙作为支护结构围护墙，适用于基坑侧壁安全等级为一、二、三级者; 在软土中悬臂式结构不宜大于5m。

三、基坑支护工程设计原则和设计内容

(一)基坑支护结构的极限状态

根据中华人民共和国行业标准《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120—2012)的规定，基坑支护结构应采用以分项系数表示的极限状态设计方法进行设计。

基坑支护结构的极限状态，可以分为以下两类:

1. 承载能力极限状态

这种极限状态对应于支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大变形导致支护结构或基坑周边环境破坏。

2. 正常使用极限状态

这种极限状态对应于支护结构的变形已妨碍地下结构施工或影响基坑周边环境的正常使用功能。

基坑支护结构均应进行承载能力极限状态的计算，对于安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，应对基坑周边环境及支护结构变形进行验算。

(二)基坑支护结构的安全等级

《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)规定，其坑侧壁的安全等级分为三级，不同等级采用相对应的重要性系数γ，基坑侧壁的安全等级见表3-2。

表3-2 基坑侧壁安全等级及重要性系数

注: 有特殊要求的建筑基坑侧壁安全等级可根据具体情况另行确定。

支护结构设计应考虑其结构水平变形、地下水的变化对周边环境的水平与竖向变形的影响。对于安全等级为一级的和对周边环境变形有限定要求的二级建筑基坑侧壁，应根据周边环境的重要性，根据变形适应能力和土的性质等因素，确定支护结构的水平变形限值。

当地下水位较高时，应根据基坑及周边区域的工程地质条件、水文地质条件、周边环境情况和支护结构形式等因素，确定地下水的控制方法。当基坑周围有地表水汇流、排泄或地下水管渗漏时，应妥善对基坑采取保护措施。

对于安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，应对基坑周边环境及支护结构变形进行验算。

基坑工程分级的标准，各种规范和各地也不尽相同，各地区、各城市根据自己的特点和要求做了相应的规定，以便于进行岩土勘察、支护结构设计、审查基坑工程施工方案等用。

《建筑地基基础工程施工质量验收规范》(GB50202—2002)对基坑分级和变形监控值做了如表3-3中所列的规定。

表3-3 基坑变形的监控值 (单位: cm)

注: 1. 符合下列情况之一，为一级基坑:

(1)重要工程或支护结构做主体结构的一部分;

(2)开挖深度大于10m;

(3)与邻近建筑物、重要设施的距离在开挖深度以内的基坑;

(4)基坑范围内有历史文物、近代优秀建筑、重要管线等需严加保护的基坑。

2. 三级基坑为开挖深度小于7m，周围环境无特别要求的基坑。

3. 除一级和三级外的基坑属二级基坑。

4. 与周围已有的设施有特殊要求时，应符合这些要求。

位于地铁、隧道等大型地下设施安全保护区范围内的基坑工程，以及城市生命线工程或对位移有特殊要求的精密仪器使用场所附近的基坑工程，应遵照有关的专门文件或规定执行。

(三)基坑支护工程设计的基本原则

(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)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。

(四)基坑工程主要包括的内容

(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。基坑周边环境勘察必须查明: 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，还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。