深基坑支护技术及其应用

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　　摘要：本篇文章从现实工程需要的方面阐述了深基坑支护技术的重要性，讲述了目前在深基坑工程中常用的支护技术的主要的类型、工作原理、支护墙体、维持支护墙体稳定的支撑或拉锚的特点，深基坑支护技术的应用实例及未来深基坑工程领域的展望。
　　关键词：深基础 深基坑支护技术
　　1、深基坑支护技术的工程背景
　　我国地域辽阔，不同地区之间工程地质状况、场地土的性质可能相去甚远，但是土体工程力学性质是影响工程设计施工的重要因素。因为地质作用，在江河的中下游沿岸地区、内陆盆地地区几江河出海口及沿海地带，往往形成沉积软土，对于作为工程场地土来说是不利的。
　　但是，这些地带通常是经济较发达、城市分布较多而人口较密集的地带。随着济济的发展、国家城市化的进程的推进，城市用地的经济价值在在不断提高，投资者充分利用城市用地而设计施工水平都能达到要求的情况下促使着城市建筑向着高空方向发展。
　　一方面是为利用地下空间。另一方面，从设计角度讲，通常利用补偿性深基础，以挖去的土体的重量已对地基土压缩固结作用来代替高层建筑的大量级重量对土体的压缩固结作用，从而达到有效利用地基土减少建筑物的沉降的目的。其结果是产生施工过程中大量的深基坑。而出现深基坑的地方往往是因道路、地下管线、临近建筑等等个方面因素的制约不能采用较经济的放坡开挖，土壁的稳定与变形等方面的要求下有支护垂直开挖普遍存在于各基坑工程中，各式各样的基坑支护技术应需而生。
　　2、现有的深基坑支护技术及其工作原理
　　深基坑支护从支护体系的受力特点与明显的支护结构形式分为内撑式支护与非内撑式支护。内撑式支护主要是多层内撑外围式支护，非内撑式有拉锚式支护、土钉墙支护、组合式支护式中的加型钢水泥土墙支护、排桩拱形水泥土墙支护等等。
　　内撑式支护 支护体系由支护墙体与维护支护墙体稳定的支撑体系组成，以支护墙体挡土挡水，由支撑及墙下坑底被动土压区被动土压力抵抗墙后土体主动土压力及面部超载等作用，达到稳定土体的目的。从受力上看，支护墙体在挡土（挡水）的同时承受弯矩，剪力的作用，并把外荷载作用传给支撑体系及墙下被动区土体，以支撑体系及墙下被动区土体的变形作功来克服外力。支撑体系通过变形维持支护墙体的平衡与稳定，其强度、刚度与稳定性直接关系只好墙体的变形大小及对周围环境的影响程度。内参撑式支护不全都具备挡水防渗功能，在高水位地区应用通常配有辅助隔水或降水措施。
　　非内撑式支护 利用支护墙体自身的重量、刚度、墙脚入土深度来满足墙体抗滑移稳定与抗倾覆稳定要求、强度要求、整体稳定要求及可能需要的抗管涌要求，以墙体自身的抗渗性能满足挡水要求，或者是辅以降水情况下，加筋、锚杆或锚索来实现变形约束与坑壁土体的稳定。
　　3、基坑支护技术的特点
　　不同的基坑支护技术是针对不同的工程地质条件提出的，因而有各自的特点与适用范围。作为一项技术，其技术上的可行性，经济上的效益性是关注的重点，为了更好地为经济服务，我们有必要认识这些技术的特点，尤其是其固有的优势与不足，这样我们才能够在具体工程中扬长避短。对优势充分合理利用；对不足心中有数，想法避免或者克服。
　　3.1 内撑式支护
　　内撑式支护根据使用材料、支护墙体的形式等分类较多，可以从支护体系的构成部分的特点了解内撑式支护的特点。支护体系是支护墙体与支撑体系或拉锚体系组成的维护土壁稳定的支撑受力体系，一些情况下可兼有防水功能。
　　3.1.1 支护墙体
　　钢板桩热轧锁口钢板桩通常应用于深基坑工程支护，主要用U型及Z型等。是工业化产品，强度、锁口精度质量有保证；有良好的耐久性，可回拔修正重复使用；施工速度快。不足在于其刚度比灌注桩、地下连续墙小，开挖后墙身扰度大，影响周围环境；墙身挡水能力有限，在高水位地区锁口处理不当会引起水土流失而造成周围土体变形；拔除钢板的振动，带土有可能引起周围土体的移动；在坚硬密实或含漂石地区，因打桩的难度会受使用限制。
　　H型钢横挡板利用H型钢作受弯骨架承受横挡板（多为木挡板）传来的土压力，再传给支撑拉锚体系。可以充分发挥H型钢的抗弯能力从而减少维护支护墙体稳定的支持或拉锚的道数，方便时工，有利于加快进度。不足在于H型钢的成本高，用后若不能回收利用会是一大笔损失；横挡板本身无防水能力，易引起水土流失，在高水位地区应用需要隔水或降水措施。
　　钻孔灌注桩 利用钻孔机械成孔，浇筑混凝土形成排桩挡墙支护。施工明显影响环境的振动与噪音，也不存在挤土等不良问题；自身刚度大，稳定性好，变形小；在工程桩也是灌注桩的情况下，可与工程桩同时施工，便于施工组织，缩短工期。不足在于本身一般因间距的存在不具备防水功能，易造成水土流失，需要注浆或者搅拌水泥桩，旋喷帷幕等辅助措施；因为是用机械成孔，在砂土及岩石层中；桩身的整体性较差，在一些地段支护深度受限。
　　地下连续墙 技术源于欧洲，根据打井与石油钻井并使用泥浆护壁和水下浇筑混凝土而来。1914年开始使用泥浆，1920年德国首先提出底下连续墙专利，1921年发表泥浆开挖技术报告，1929年正式使用膨胀土制作泥浆。在基坑支护深槽中建造地下连续墙的施工方法是1950年在意大利米兰开发成功，应用与大坝与水利建设中的防渗墙，一次是用与圣玛利亚(Santa Maria)大坝砂卵石地层40米深防渗墙，另一次是凡那弗罗（Venafro）附近的由S.M.E电力公司使用的蓄水池和跨沃尔托诺（Volturno）河的引水工程中。1957年我国开始引进，最初也是用于水利建设，1958年在青岛市崂山月子口水库进行了第一道低下连续墙的实验性施工，当时是把959个直径600mm的深18m的圆桩相互搭接200mm形成。以后逐渐用于煤矿等通风竖井、城市建设、水运建设中，在不断引进与开发新设备，技术的基础上，地下连续墙应用技术逐渐趋于成熟，在基坑工程作业中也可谓功不可没。
　　其优势在于施工噪音底，振动小，能紧临相近建筑物与低下管线施工，对环境影响小；自身刚度大，强度高，整体性好，结构与地基变形小，深度可达100m以上，适用于特殊工程；本身是钢筋混凝土结构，耐久性与防渗性能好，既挡土又防水；现场成型，适应各种形状布置要求；可配合逆筑法施工，使结构与基坑支护合二为一，加快施工速度，缩短工期。但是其工艺复杂，施工质量依赖于成熟的工艺与完善的组织管理；泥浆处理不当污染环境；造价高，在建筑工程中除非有利于降低重造价提高效益，一般要慎重采用。
　　3.1.2支撑系统
　　支撑系统由支撑、立柱与围檩组成。
　　A. 支撑
　　a．支撑根据使用的材料可以笼统分为钢支撑与钢筋混凝土支撑两大类。
　　钢支撑多用热轧型钢，钢管等截面刚度大的型材，用连接件组装成受力体系势在于
　　材料强度高，均匀性好；安装裁除方便，施工速度快；工具化程度高；耐久性好，可重
　　复使用；可以通过预加轴力减少支护墙体变形。不足在于一次性耗钢量大，初始成本高；
　　耐碰撞性差；净截面小，支护刚度有限，不利于大支撑间距的布置从而不利于造就大的
　　无阻碍开挖空间；工艺要求高，节点与构造处理要求高；构件之间难以形成刚接，对整
　　个支撑系统来说是不利。
　　钢筋混凝土支撑成型方便，截面形式自由；平面上可以任意布置，可成拱状、桁架
　　等多种形状的受力形式；截面尺寸大，刚度大，变形小；强度高、安全可靠、整体性好；

　　耐碰撞性能好，有利于机械化施工；还可以通过设计在支撑上上堆载，节约用地，方便
　　平面布置。不足在于浇筑与养护用时间长。
　　b．支撑系统按平面布置分为：角撑、对称、钢筋混凝土环梁支撑及组合桁架支撑。
　　角撑主要用于平面接近成正方形的基坑，是在相邻两基坑壁之间设置支撑，能够形成大的无阻碍开挖空间。不足在于基坑开挖过程中支撑两侧墙体沉降不一致、而角撑又与围檩紧固（如钢围檩与钢支撑的螺栓连接、钢筋混凝土支撑与钢筋混凝土围檩现浇等）情况下，支撑不再只是单纯受压构件，还是受弯构件，对围檩的扭矩过大就会对支护墙体的安全不利。
　　对撑主要用于平面形状较为狭长的基坑支护中，在基坑相对的两边之间设置支撑，传力路径明确，布置施工都很方便。不足在于短边之间的支撑会因长度过大而变形累积偏大，造成短边支护墙体变形过大。对撑一般来讲，在深基坑中，需要的支撑杆件布置较密，通常是8米以下，而机械挖土情况下一般要求有8米以上的间距，所以不利于机械作业。鉴于这些不足，对撑通常是结合角撑使用，以充分利用两种方式的优点。
　　钢筋混凝土环梁支撑主要用于平面大而又方便布置的方形基坑中，刚度大，强度高，整体性与耐久性较好，能有效保证基坑开挖的安全及变形控制。但是，支撑环梁浇筑与周围支撑之间的连接部位的施工都需要严格控制质量以保安全可靠。
　　组合桁架支撑用于基坑平面复杂的情况下，主要是单独或简单组合以上三种方式都达不到目的的情况，通过桁架的刚度及强度完成传力路径的改变，同时结合角撑、对撑及环梁支撑，实现支护墙体稳定，形成方便开挖施工的作业空间。
　　B.立柱
　　在深基坑工程中，支撑立柱多用钢支撑，在地下连续墙结合逆筑法施工时除设计使用钢支撑外，也有灌注桩包括工程桩作作为立柱。立柱的作用是承受支撑的重量，减小支撑的计算长度，减少支撑弯曲变形，防止支撑失稳。在使用钢立柱时，需要在钢立柱下设置灌注桩，灌注桩浇至地下室板底，在工程桩也是灌注桩的情况下通常与工程桩一并浇筑，可能的情况下就用工程桩为立柱，在立柱穿过地下室地板面处需要作防水处理。
　　C．围檩
　　围檩根据具体的工程情况选用钢围檩或钢筋混凝土围檩。一方面，围檩将支护墙体传来的荷载传给支撑，另一方面，围檩将支护墙体连为一个整体从而增强整体性。尤其是在钢板桩、钢筋混凝土板桩、钻孔灌注桩与排桩支护中，通过大面积围檩将单桩连与一体能显著提高支护的整体性。钢围檩常用H型钢或双槽钢组成的H型钢，通过支护墙体上的钢牛腿与墙体连接，或者通过墙体内预埋的吊筋连接。钢筋混凝土围檩与支撑在水平面上浇为一个整体，在围护墙体顶端布置钢筋混凝土冠梁且与维护墙体浇为一体，桩身的围檩通过预埋钢筋或吊筋固定。
　　3.2非内撑式支护
　　不需支撑，有利于形成无阻碍作业空间，方便施工作业。用加型钢、钢管的水泥土墙时处理好水泥浆的如渗比都能自己具备防水功能。不足在于其支护墙体的厚度大，占用场地，只有场地范围允许的情况下才有应用可能；在厚度较大的可塑、硬塑以上的沙土及含有硬质块体如碎石、碎砖的土体因不利于机械作业，应用会受限。拉锚式支护不仅可易于实现无阻碍空间下的围护墙体的稳定，还可以明显减少围护墙体的截面尺寸，提高效益。而土钉墙支护又能较充分利用土体自稳定能力的潜力下，充分利用低强度抗拉材料抗拉能力，比起拉锚式，更省掉防腐的麻烦。
　　3.2.1 拉锚式支护结构
　　挡土结构与外拉系统相结合而组成的一类深基坑支护结构。在基坑开挖深度与宽度大，悬臂式维支护结构及内撑外围式支护结构会很不经济，甚至行不通。在周围环境许可，工程地质条件较好时，可以利用坑外拉锚形成对支护墙体的支撑作用，明显减少围护结构的尺寸，降低造价；不占坑内用地，方便施工作业；有利于加快施工进度。
　　拉锚支护形式主要有土层锚杆支护、锚碇或锚桩拉锚支护，深基坑工程中主要形式是土层锚杆，因为它能适应深开挖，随开挖深度增加而增加锚杆的道数，而锚碇或锚桩拉锚支护则不能。用于深基坑的拉锚式支护主要是锚杆式围护结构，使用锚碇或锚桩拉锚的地面拉锚式支护不实用于深基坑支护。
　　拉锚支护结构由由挡土结构与拉锚系统组成。挡土结构通常与悬臂式或内撑外围式支护结构的相同，如灌注桩，钢板桩，地下连续墙等等。不过，在相同条件下，拉锚式支护的挡土结构的尺寸更小而整体刚度更大，从而使用时位移更小，因为拉锚式支护中 支护墙体与外围土体共同作用，并能同时调动土体的自稳定潜力。
　　土层锚杆原理是使拉杆一端锚固于稳定土体，一端与支护墙体连接，利用拉杆把土体下滑力传到稳定土体中，达到稳定陡壁土体的目的。土层锚杆支护本身不具备防水功能，应用多在底下水位底的地区。
　　土层锚杆支护系统的组成：锚头、锚头垫座、支护结构、钻孔、防水管套、拉杆、锚固体。
　　锚头的作用是将拉杆与挡土结构连接，使墙体受力传到拉杆上，再由拉杆传至锚固体。根据主动滑动面，可将拉杆全长分为自由段与锚固段两部分。锚固体是锚杆的尾端锚固部分，是将锚杆力传给土体的部分，是关系锚固成败的关键部位。
　　根据锚杆的钻孔工艺可分为普通锚杆，扩孔型锚杆。普通锚杆在灌浆过程中不加特殊压力，也不扩孔，孔壁法向压力主要取决于地层土压力。扩孔型锚杆是先将钻孔钻至全长，用特殊工具扩大孔径或者用端头带板的拉杆，再灌浆而成。
　　深基坑支护中通常采可用高压注浆锚杆，该技术创始人是德国的Bauer ，第一次在1958年使用，之后技术得到广泛应用。高压注浆可用于形成球形扩大头，还增加孔壁土压系数，不过在松软地层中的高压注浆形成的局部孔壁压应力增加是有限的，但总的来说对提高抗拔力是有利的。从相关资料介绍来看，高压注浆可以有效提高短锚杆的极限承载力，而在锚杆锚固长度在8-10米后增加较缓慢。
　　3.2.2土钉墙支护
　　土钉墙支护是利用新奥法隧洞施工法的原理发展起来的新型支护形式。其由被加固土体、放置于原位土体的细长金属杆件―土钉及附着于坡面的混凝土面板组成，形成类似于重力式墙体的挡土墙，以抵抗墙后土体压力以及其它作用力达到稳定开挖坑壁的目的。
　　现代土钉技术从70年代出现的，德国、法国与美国几乎同一时期各自独立地开始土钉墙的研究与应用，因为60年代刚兴起用新奥法进行隧道施工---用喷射混凝土与粘结型锚杆相结合加固围岩，使隧洞围岩变形得到迅速控制并趋于稳定的施工方法。70年代及稍后的时间里，先后在德国法兰克幅及纽仑地铁的土体开挖中的成功应用加上60 年代的加筋技术催生了土钉墙支护技术。
　　土钉墙支护技术首先出现在法国，随后，德国、美国与英国等投入大量人力、物力研究土钉墙的工作性能及分析方法与程序开发、大型尺寸土钉墙试验与模拟试验、离心试验、实际工程长期内力观测与支护变形观测等，积累了大量资料，并编制了有关土钉墙的技术文件。
　　在我国的应用先出现在80年代初，从目前的发展情况来看，北京、深圳、广州、长沙武汉、成都等地的基坑工程较广泛采用土钉墙支护。另外，我国还在开发土钉墙的应用中，应用了预应力技术成功解决过深达17米的垂直开挖的边破稳定问题，发展了洛阳铲成孔等简便、经济的施工方法，在较深的地下水位以下地层中积累了初步经验。
　　土钉一般通过钻孔，插筋，注浆来设置，也可以通过直接打如入较粗的钢筋或型钢形成土钉，土钉沿通长与土体接触，依靠接触界面上的粘结摩阻力与周围土体形成复合体。图钉在土体变形过程中发生变形而受力，主要是拉力，并以起对土体进行加固，而土钉之间的土体约束则是通过面板来约束。
　　土钉可以分为钻孔灌浆式与打入式。
　　钻孔灌浆式应用较多，先钻孔，然后置入钢筋、再灌浆。为使钢筋处于孔中以保证保护层厚度，通常每隔2-3米设定位架。
　　打入式土钉是在土体中直接打入角钢、钢筋或圆钢，不需要灌浆。由于打入式土钉墙在土体粘结强度较低，钻长受限制，布置一般较密集，施工也较快。由于是钻入无灌浆不实用于砾石土及密实胶结土，也不实用于2年以上的永久支护。
　　4、深基坑支护技术的发展与展望
　　深基坑工程的发展反映了基坑工程的规模的扩大、围护体系设计理论的发展、施工技术与监测技术的进步。
　　在高层与超高层建筑的发展与人们对地下空间开发与利用日益增多的情况下，深基坑工程不仅数量会增多，规模还会更大。大量的身基坑工程集中在市区，施工场地狭小，施工条件复杂，而社会对工程周围的建筑或构筑物、道路及市政设施免受损害的要求在不断提高，基坑开挖扰动环境的稳定控制理论及方法将是人们关注的重点。
　　在支护结构设计理论方面，发展正确的计算作用于围护结构上的土压力的方法是关键。在通常的设计中，土压力是取静止土压力或极限状态下的主动土压力和被动土压力，实际作用于支护结构上的土压力介于两者之间的情况最多。实际上，除与支护结构的位移、空间形状有关外，还与土体扰动、固结蠕变有关。除考虑空间效应与时间效应的土压力计算理论需要进一步发展之外，土与结构相互作用及土体与支撑变形协调工作应得到重视和利用。
　　人们将更加重视基坑工程对周围环境的影响机理的研究与评价研究，诸如开挖前对周围建筑物及市政设施的初始应力场及位移状态的调查评价，基坑开挖引起的附加应力计算及它们抗破坏能力及稳定性的评价方法等等。人们还将重视如何减少基坑工程对岩土的扰动，土质改良与工程事故的补救措施的研究。
　　如今，工程施工中开始重视反演分析与施工信息化，深基坑工程也不例外。需要发展测试技术实现监测准确、及时、快捷、系统，改进分析模型，以实现施工信息化。
　　深基坑工程，可以说已经成为工程建设中的一个热点，在深基坑工程中的科研会进一步深入，也需要勘察、设计、施工与科研部门的密切合作，以全面提高设计与施工队伍的素质与管理水平，更好为工程建设服务。

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