深基坑支护基本方法浅析
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摘要：随着城市化进程的加快，高层及超高层建筑迅猛发展，深基坑支护工程也随即成为岩土工程领域中的一个热点及难点问题。本文分析了深基坑支护形式的基本特征，详细介绍了主动支护结构、被动支护结构的主要支护形式。
关键词：深基坑；主动支护；被动支护；联合支护
1深基坑支护技术
深基坑支护一般作为临时性工程而存在，是指建筑物或构筑物进行地下部分施工时，需开挖基坑，进行施工降水和基坑周边的围挡，同时要对基坑四周的建筑物、构筑物、道路和地下管线等进行监测和维护，确保正常、安全施工的一项综合性工程。其内容涉及勘探、设计、施工、环境监测和信息反馈等各个方面。它与施工场地的地质条件、地下水情况、具体工程要求、天气变化、施工工序及管理、场地周边环境等多种因素有关，同时涉及到工程地质、土力学、基础工程、结构力学、原位测试技术、施工技术、环境岩土工程等多个学科的知识，是一门综合性很强的学科。目前我国基坑工程的支护结构及相应施工工艺各式各样，但均可归纳为三大类，即被动受力支护结构，主动受力支护结构，以及两者相结合的组合形式结构。
2深基坑支护基本方法
支护结构主要承受侧向压力，包括水土压力及地面荷载、邻近建筑物基底压力、相邻场地施工荷载等引起的附加压力，以水土压力为主。土压力是基坑周围一定范围内的土体与支护结构之间相互作用的结果。传统的支护设计理论是把基坑周围土体当作荷载，作为支护结构的“对立面”，然后根据围护墙的位移情况，分别按静止土压力、主动土压力或被动土压力来进行支护设计，称此类支护为被动支护。事实上，基坑周围土体具有一定的自支撑能力，可以将它用作支护材料的一部分，源于这一观点的支护设计是设法充分发挥和提高基坑周围土体的自支撑能力并补强其不足部分，称此类支护为主动支护。
2.1被动支护
2.1.1围护墙
被动支护的围护墙常用形式目前主要有以下两类。
（1）排桩式围护墙
为简便起见，并参照《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99)的规定，本文把采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制钢筋混凝土桩、钢板桩等桩型按队列式布置组成的墙体均归为排桩式围护墙。对于不能放坡或不能应用水泥土桩等重力式支护结构，开挖深度在6-10m左右，各安全等级的基坑均可采用排桩围护墙支护。排桩围护墙通常由桩土间隔组成，故一般需另外设置止水帷幕。
（2）地下连续墙
地下连续墙是先在地面以下开挖一段狭长的深槽，其内充满泥浆以保护槽壁稳定，然后吊放钢筋笼，水下浇筑混凝土(强度等级不小于C20)，筑成一段钢筋混凝土墙段，再将这些墙段连接起来形成的地下墙壁。它在施工时减少了噪音和振动，除用作基坑施工时的围护墙外，一般还是地下结构的一部分。地下连续墙在欧洲和日本等国早已得到了广泛的应用，近十几年来在我国的应用逐年增多。它适用于各种地质条件和安全等级的基坑，并可进行逆作法施工。
2.1.2撑锚体系
（1）内支撑
内支撑是设置于基坑内部，承受围护墙传来的水土压力等外荷载的结构体系，由支撑、围檩(腰梁)和立柱等构件组成，排桩式围护墙顶部还设置帽梁(冠梁)。在软土地区，特别是建(构)筑物密集的城市中开挖深基坑，内支撑被广泛应用。目前采用的支撑材料主要有型钢、钢管和钢筋混凝土(强度等级不小于C20)等。内支撑平面布置形式除了惯用的井字形加角撑外，针对不同的基坑平面形状，巧妙地运用力学原理，近十余年来还开发应用了圆形、椭圆形钢筋混凝土环梁封闭式桁架平面布置。为达到增大坑内挖土空间，而又能保证支撑体系刚度的目的，近年采用了边桁架代替传统的围檩、受力性能良好的曲线型杆代替单一的直杆、桁架杆代替实腹杆等新技术。此外，还常将一些方便施工的栈桥和起重机架等与内支撑结构相结合，使之成为整体的支撑系统，以达到增加支撑刚度和方便施工的双重目的。
（2）拉锚
当施工场地周围条件许可且工程地质较好时，可采用坑外拉锚形成对围护墙的支撑作用。拉锚形式有土层锚杆、锚碇拉锚和锚桩拉锚等。土层锚杆在深基坑支护中被广泛应用，它设置在围护墙背后，为挖土、地下结构施工创造了条件。土层锚杆的一端通过围檩与围护墙连接，另一端深入稳定的土层中。土层锚杆由锚固头、拉杆和锚固体组成，分自由段和锚固段两部分。拉杆可以是粗钢筋、钢筋束或钢铰线，以钢铰线为多用。传统土层锚杆的锚固体为水泥砂浆圆柱体，近十余年出现了带扩大头或通过多次高压注浆形成的葫芦串锚固体圈。为回收拉杆材料，近年还成功地设计和施工了可拆卸式土层锚杆。目前土层锚杆的设计理论还落后于工程实践，致使设计和施工不当而造成的浪费和工程事故不少。
2.2主动支护
这是以充分发挥和提高基坑周围土体自支撑能力的新型支护方法。发挥和提高土体自支撑能力可以从物理、化学和几何的途径着手，相应的支护形式主要有以下几种。
2.2.1水泥土墙支护
水泥土墙是在搅拌桩的基础上基于化学加固土体的机制，于20世纪70年代初在瑞典发展起来的一种主动支护形式。我国于70年代末开始研究和应用，90年代初才开始大量应用于基坑工程实践中。它是利用水泥材料作固化剂，通过特殊的拌和机械(如深层搅拌机或高压旋喷机)就地将原状土和固化剂(粉体或浆体)强制拌和，经过土与固化剂(或掺和料)产生一系列物理化学作用，形成具有一定强度、整体性和水稳性的重力式支护结构。一般适用于开挖深度不大于6m，基坑侧壁安全等级为二、三级，且水泥土桩施工范围内地基土承载力不大于150kPa的情况。
在水泥搅拌桩内加筋性型钢，形成复合围护墙，这种在日本己经成熟应用的方法(SMW工法)，近些年由于工后型钢拔出技术、钢管甚至竹木加筋部分地取代型钢加筋技术的研究成功，使SMW工法在我国得到推广应用并有所创新。特别是在上海、广州、深圳等沿海城市，当前正在广泛使用。上海交通轨道明珠线宝兴路车站，采用这一技术的基坑开挖深度达14m，挡墙深度达25.2m。
2.2.2土钉墙支护
土钉墙是在新奥法的基础上基于物理加固土体的机制，于20世纪70年代在德国、法国和美国发展起来的一种主动支护形式。我国于80年代初应用于矿山边坡支护，近十来年才在基坑支护中迅速推广应用。它由被加固土、放置于原位土体中的细长金属杆件(土钉)及附着于坡面的混凝土面板组成，形成一个类似于重力式的支护结构。土钉墙通过在土体内放置一定长度和密度的土钉，使土钉与土共同工作来大大提高原状土的强度和刚度。土钉墙支护一般适用于开挖深度不大于12m，侧壁安全等级为二、三级的非软土场地基坑。当地下水位高于坑底时，应采取降排水或截水措施。
2.2.3锚喷支护
喷锚支护在新奥法的基础上基于物理加固土体的机制，于20世90年代在我国发展起来的一种主动支护形式。它与土钉墙支护在施工工艺上有相似之处，但在构造、作用机理和适用等方面有较大差别。构造上，喷锚支护的锚杆较长，要伸入滑移线以外的稳定土层中，分自由段和锚固段。土钉则较短，大多位于滑移线以内或附近，无自由段、锚固段之分。此外，土钉设置间距比锚杆密得多。工作机理方面，喷锚支护是利用锚杆逐次超前“缝合”优势滑移控制面的裂缝而使土体形成整体的自稳能力，土钉墙支护则利用土钉与土体的共同工作，以弥补土体自身强度和刚度的不足。适用上，土钉墙支护一般不适于流砂、淤泥和淤泥质土等粘结力低的软弱土层，而喷锚支护则在这类土层中有较好的适应性。喷锚支护基坑最大开挖深度目前已达18m，在淤泥地基，坑深也己超过10m。
2.2.4冻结支护
冻结支护是基于物理加固土体的机制，应用人工制冷技术，使基坑周围土层中的水结冰形成一道具有一定强度、整体性的冻土墙，它既能挡土又能止水。冻结法施工在采矿工程中已经得到了广泛的应用，进行了大量的研究，积累了较丰富的经验，用于深基坑支护则是近几年的事。冻结支护适应于各种复杂的地质条件，尤其在淤泥、淤泥质土及流砂层中更显示出优越性。采用冻结支护时，基坑工程的设计内容和要求将有非常大的变化，目前仅做了少量试验性工程。在某些地区，它是一种很有前途的深基坑支护新技术。
2.2.5拱形支护
拱形支护是基于围护墙的几何形状与受力特性方面的考虑，在我国于20世纪90年代发展起来的一种新型的主动支护形式。它是利用基坑有利的平面现状，把围护墙做成圆形、椭圆形、组合抛物线形或连拱式等形式，以充分发挥支护结构的空间效应、上体的结构强度和材料的力学性能。一方面作用在闭合拱形围护墙上的水土压力大部分可自行平衡或得到调节。另一方面利用土体自身的起拱作用，可减小作用于围护墙上的水土压力。再者，围护墙基本处于受压状态，可充分发挥混凝土材料的强度特性。围护墙可采用排桩、地下连续墙或现浇逆作拱墙等。根据受力情况，可设置围檩甚至内支撑或土层锚杆。其中逆作拱墙尤如人工挖孔桩的护壁施工，是一种无嵌固深度的围护墙，它一般适用于开挖深度不大于12m，侧壁安全等级为二、三级的基坑，当地下水位高于坡脚时，应采取降水措施，对淤泥或淤泥质土不宜采用。排桩、地下连续墙拱形支护结构的适用条件与前述排桩、地下连续墙作为一般支护结构的适用性相同。
结语
深基坑的支护结构及相应施工工艺各式各样，但均可归纳为以下三大类，即被动支护、主动支护以及主动和被动的联合支护形式。尤其是联合支护形式，此类技术是根据土体力学性质，将前两种支护方法结合应用于同一基坑工程中。这种支护形式已经在许多工程中得到了成功应用，表现出很大的优势和潜力。
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