深基坑支护技术应用初探.docx
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深基坑支护技术应用初探
深基坑支护技术应用初探
钱锡稳汪如成
江苏省苏中建设集团股份有限公司南京分公司邮编226600
【摘要】基坑支护技术的发展，本文主要阐述南京市南苑二村Ⅳ组团高层建筑深基坑支护方案优选的理论依据，通过设计与施工的实践,说明了尽管基坑支护技术应用中有诸多复杂因素在设计和施工中未能预先确知，但只要灵活地将理论与实践相结合，加强监测分析,及时发现和解决问题,基坑支护工作的难题就会得到有效的解决。
【关键词】技术发展理论根据方案选择设计计算验证施工要点加强监测效果较佳
第一章前言
基坑开挖历来被人们认为是实践很强的岩土工程问题，随国内高层建筑和市政建设的发展，基坑支护技术非常迫切需要理论来指导、充实和完善。
基坑的稳定性、支护结构的内力和变形以及周围地层的位移对周围建筑和地下管线等的影响及保护的计算分析，目前尚不能准确的得出定量的结果。
但是，有关地基的稳定和变形的理论，对解决这类实际工程问题仍有着十分重要的指导意义。
故目前在工程实践中采用理论导向、量测定量和经验判断三者相结合方法，对基坑施工及周围环境保护问题作出较合理论的技术决策和现场应变决定。
在理论上，经典的土力学已不能满足基坑工程的要求，考虑应力路径（卸载）的作用，土的各向异性、土的流变性、土的扰动、土与支护结构的共同作用等的计算理论以及有限单元理论和系统工程等软件科学的研究日益引起基坑工程专家们的重视，这些理论形成专门的科学——基坑工程学。
从20世纪80年代至今，国内在基坑支护技术领域有了较快的发展，总结出了较丰富的工程经验。
但在全国许多城市基坑工程由于经验不足和对该技术掌握不成熟等原因，出现不少的工程事故，留下了惨痛的教训，值得大家引以为戒。
本文主要阐述南京市南苑二村Ⅳ组团深基坑支护的方案选择与施工中的点滴体会。
第二章方案的选择
⒉1工程概况
⒉⒈1工程概述
南苑二村Ⅳ组团工程位于南京市河西地区，西靠南湖路，南临应天西路，东与吉庆家园相邻。
本工程包括1幢22层、2幢18层、1幢16层高层住宅，均为框架剪力墙结构，还有1幢6层办公楼及1幢3层幼儿园与附属建筑为框架结构。
除幼儿园外，其他建筑与建筑物所围成空地均设一层地下室。
基坑开挖深度如下：
±0.000相当于+7.75M，场地自然地面标高为+7.10M，则相对高差为0.65M，基坑地下室底板面标高相对于±0.000为-5.7M,地梁加垫层为0.95M，则实际开挖深度（H）为：
H=5.7+0.95-0.65=6.0M
⒉⒈2工程及水文地质概况
该场地属长江漫滩地貌，场地地势平坦，在基坑支护影响范围自上而下有下列土层：
①填土:
黄褐-灰褐色,松散。
主要由建筑垃圾、及粉质粘土组成。
下部局部素填土,上部局部为砼地面。
厚0.9-2M。
②-1粘土夹粉质粘土：
灰黄色，饱和，可一软塑。
厚1.3-2.4M
②-2淤泥质粉质粘土：
灰色，饱和，流塑。
厚0.8-8M
③-1粉砂夹粉土：
青灰色，饱和，松散,部分钻孔及剖面缺失。
厚2.3-3.9M
③-2粉细砂：
青灰色，饱和，稍-中密。
厚3.4-10.4M
场地地下水为孔隙潜水、赋水量大，含水层厚，透水性好，地下水位深度在1.0-1.3M.主要由降雨，地表水补给。
⒉⒈3周边情况
基坑西、南均为公路，其中北侧东侧围墙外有一层至二层小楼房。
⒉2方案的选择
⒉⒉1基坑支护的型式
目前可应用到支护工程中的常用结构形式有：
各种类型的桩、地下连续墙、锚杆、钢筋混凝土和钢支撑、土钉和喷射混凝土护面、搅拌桩、旋喷桩、逆作拱墙、钢板桩、SMW工法、土冻结等。
这些方法有的可单独使用，也可以根据需要结合在一起使用。
到目前为止，在实际工程中被采用的单独或组合型式不下十几种。
但按支护结构受力特点划分可归并为以下四种基本类型：
桩墙结构、土钉墙结构、重力式结构、拱墙结构。
⒉⒉2支护型式的使用范围
根据目前所搜集到的资料归纳整理列举四种基坑支护结构型式及适用范围供方案设计时参考。
（表1）
主要基坑支护型式使用范围比较表（表1）
支护型式
岩土要求
可达基坑深度
水文条件要求
造价
周边情况要求
复杂程度
适用范围
桩墙-锚杆（桩：
灌注桩、挖孔桩、水冲桩，墙：
地下连续墙）
不适宜基岩、卵石、承压水的软粘土
30M
防渗性能好
高
不适用有地下构筑物、环境污染严重
较复杂
广
土钉墙
不适宜富水粉砂土、砂卵石层、淤泥质土
可达20M
使用于高水位
为桩墙的30%-60%
较简单
一般
水泥土组合档墙（深搅桩、旋喷桩和灌注桩、锚杆、土钉的组合）
适合粘土、粉砂土等松软场地
中等深度
止水性能好
低
环境污染小
施工方便
广
逆作拱墙
适用非超软土
<12M
不抗渗
护坡桩的30-60%
环境污染小
施工方便
小
⒉⒉3方案的选择
⒉⒉⒊1选择原则
基坑支护是保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁采取支档，加固与保护措施。
随着支护技术在安全、经济、工期等方面要求的提高和支护技术的不断发展，在实际工程中采用的支护结构型式也越来越多。
为了在基坑支护工期工程中做到技术先进、经济合理，确保基坑边坡、基坑周边建筑物道路和地下设施的安全，应综合场地工程地质与水文地质条件、地下室的要求、基坑开挖深度、降排水条件、周边环境和周边荷载、施工季节、支护结构使用期限等因素，因地制宜地选择合理的支护结构型式。
⒉⒉⒊2方案选择
根据上述资料分析对比本工程支护方案选用下列型式：
⒈整个基坑均采用格栅式深搅桩墙作为支护结构。
⒉整个基坑采用双排双轴深搅桩形成全封闭止水帷幕。
⒊基坑内采用管井降水
由于本场地分布土层上部为粘土，下部为砂性土，富水性强，设计深搅桩止水帷幕，在空间能形成一个完全封闭止水结构，但在深度上没有封闭，且基坑面积较大，故要采用管井降水。
⒋基坑围护平面图（图1）基围体系剖面图（图2）
⒉⒉4方案的设计计算验证
现选基坑北侧支护设计计算及降水计算,从量的概念加以验证方案的可行性。
⒉⒉⒋1基坑北侧支护结构设计计算
该段为基坑北侧，实际挖深6.0M，结构外侧地面附加荷载q取20Kpa。
⒈土层分析
土层
厚度（M）
①1填土
1.9
②1粉土夹粉质粘土
1.4
②2淤泥质粉质粘土
7.1
③2粉细砂
10
⒉桩长和支护结构宽度的确定
按照下列经验公式初步确定桩长和支护结构宽度：
l0=（1.6-2.2）h
B0=（0.6-0.8）h
h——基坑开挖深度（m）
根据上式并考虑到周围环境的重要性，初步取l0=14.0m,B0=4.2m.
⒊土压力计算：
⑴主动土压力计算
ea（11）=（20）×0.568-2×0.754×10=-3.7（Kpa）
ea（12）=（20+18×1.9）×0.568-2×0.754×10=15.7（Kpa）
ea（21）=（54.2）×0.64-2×0.8×23=-2.1（Kpa）
ea（22）=（54.2+19.1×1.4）×0.64-2×0.8×23=15（Kpa）
ea（31）=（80.94）×0.61-2×0.781×9.8=34.1（Kpa）
ea（32）=（80.94+17.4×2.7）×0.61-2×0.781×9.8=62.7（Kpa）
ea（41）=（127.92）×0.61-2×0.781×9.8=62.7（Kpa）
ea（42）=（127.92）×0.61-2×0.781×9.8=62.7（Kpa）
ea（51）=（127.92）×0.288-2×0.537×6.2+10×（1-0.288）×（6-1）+10×（10.4-6）=109.8（Kpa）
ea（52）=（127.92）×0.288-2×0.537×6.2+10×（1-0.288）×（6-1）+10×（14-4-6）=145.8（Kpa）
⑵被动土压力：
ep（41）=（0）×1.638+2×1.28×9.8=25.1（Kpa）
ep（42）=（0+17.4×4.4）×1.638+2×1.28×9.8=150.5（Kpa）
ep（51）=（76.56）×3.478+2×1.865×6.2+10×（1-3.478）×（4.4-1）=205.1（Kpa）
ep（52）=（76.56+19.4×3.6）×3.478+2×1.865×6.2+10（1-3.478）×（8-1）=358.8（Kpa）
⑶净土压力（坑底面下）计算：
ep（41）=25.1-62.7=-37.6（Kpa）
ep（42）=150.5-62.7=87.8（Kpa）
ep（51）=205.1-109.8=95.3（Kpa）
⑷土层压力合力及作用点位置计算：
LD
（1）=（3.7×1.9）/（3.7+15.7）=0.36（m）
Ea
（1）=（15.7×1.54）/2=12.1（KN/m）
Ha
（1）=1.54/3=0.51（m）
LD
（2）=（2.1×1.4）/（2.1+15）=0.17（m）
Ea
（2）=（15×1.23）/2=9.2（KN/m）
Ha
（2）=1.23/3=0.41（m）
Ea（3）=（34.1+62.7）×2.7/2=130.7（KN/m）
Ha（3）=2.7/3×（2×34.1+62.7）/（34.1+62.7）=1.22（m）
Ea（4）=62.7×4.4=275.9（KN/m）
Ha（4）=4.4/2=2.2（m）
Ea（5）=（109.8+145.8）×3.6/2=460.1（KN/m）
Ha（5）=3.6/3×（2×109.8+145.8）/（109.8=145.8）=1.72（m）
Ep（4）=（25.1+150.5）×4.4/2=386.3（KN/m）
Hp（4）=4.4/3（2×25.1+150.5）/（25.1+150.5）=1.68（m）
Ep（5）=（205.1+35.8）×3.6/2=1015.0（KN/m）
Hp（5）=3.6/3×（2×205.1+358.8）/（205.1+358.8）=1.64（m）
Ma=12.1×（0.51+12.1）+9.2×（0.41+10.7）+130.7×（1.22+8）+275.9×（2.2+3.6）+460.1×1.72=3851.4（KN·m/M）
Ea=12.1+9.2+130.7+275.9+460.1=888（KN/m）
Mp=386.3×（1.68+3.6）+1015.0×1.64=3704.3（KN·m/M）
Ep=386.3+1015.0=1401.3
⑷抗滑稳定性验算
墙体重W=4.2×14.0×18.5=1087.8（KN/m）
μ=0.2
Kh=（Ep+Wμ）/Eα=（1401.3+0.2×1087.8）888=1.82>1.3
满足设计要求。
⑸抗倾覆稳定性验算
Kα=（Epbp+WB/2）/Eαbα=（3704.3+1087.8×4.2/2）/（3851.4）=1.55>1.2
⑹电算结果
原——始——数——据
支护类型基坑侧壁重要性系数水泥土重度（KN/m3）
水泥土墙1.0018.50
基坑深度（m）内侧水位（m）外侧水位（m）嵌固长度（m）墙厚（m）截面型式
6.00-7.00-1.008.004.20箱形
墙内侧厚（m）墙外侧厚（m）肋墙净距（m）肋墙厚（m）
1.201.201.801.20
水泥土抗压强度设计值（N/mm2）弹性模量（×104Mpa）墙底摩擦系数
1.001.750.20
土层号厚度重度粘聚力内摩擦角水土合算m
（m）（kN/m3）（kPa）（度）（MN/m4）
11.9018.0010.0016.00合算4.52
21.4019.1023.0012.70合算4.26
37.1017.409.8014.00合算3.50
410.0019.406.2033.60分算19.84
超载序号超载类型超载值（kPa）距坑边距离（m）作用宽度（m）距地面深度（m）
1120.00
计——算——结——果
计算方法土压力模式坑内侧弯距位置坑外侧弯距位置剪力位置
（kN·m）（m）（kN·m）（m）（kN）（m）
经典法规程土压力0.000.00861.8918.80174.927.33
m法矩形模式0.001.001749.1813.73306.9010.27
位移（mm）墙顶：
-7.83坑底：
-5.07最大：
-7.83位置（m）：
1.00
截面验算取极限平衡法计算结果
截面抗压验算：
1.25*rcs*r0*Z+M/w=0.61<=fcs=1.00（N/mm2）（抗压强度满足!
）
截面抗拉验算：
M/w-rcs*Z=0.20>0.06*fcs=0.06（N/mm2）（抗拉强度不满足!
）
抗滑移安全系数：
1.709
抗倾覆安全系数：
1.264
整体稳定计算方法：
瑞典条分法
整体稳定安全系数：
2.940
滑移面圆心坐标（m）：
x=2.214y=0.876半径（m）：
R=15.040
抗隆起安全系数：
PrandtlTerzaghi
8.73010.817
隆起量（mm）：
0
抗管涌安全系数：
2.617
由上述计算可见，抗拉计算不满足要求，采用Φ48×3.5钢管插筋可提供抗拉力为：
[（48/2）2-（41/2）2]×3.14×210=102.7KN
则有：
1200×1300×（0.20-0.06）=504KN<5×102.7=513.5KN
取5根满足要求。
⒉⒉⒋2降水计算
本场地分布土层上部为粘性土，下部为砂性土，富水性强，设计深搅桩止水帷幕，在空间上能形成一个完全封闭的止水结构，但在深度上没有封闭，且基坑面积较大，因此要采用管井降水。
由：
Q=KSHq，其中K=1.18×10-3cm/sec=0.042m/h=1.01m/h
S=（164+130）×2=588m实取600米计算q=0.45H=14m
Q=0.042×50×600×0.45=567m3/d=13608m3/d
Q=120×3.14×0.18×4×3√0.396=199m3/d
N=13608/199=68.4口
井深L=6+0.5+0.1×20+4+2=14.5m
第三章施工实践
⒊1方案的要求
⒊⒈1针对本工程的地质特点,下部结构较松散且透水性强,为防止降水造成地面大面积沉降，开挖造成基坑侧壁坍塌，故在基坑开挖前在其四周应采用格栅式深层搅拌桩作为挡土结构，整个基坑都由双排双轴深搅桩作为全封闭止水帷幕。
基坑内采用管井降水，外侧采用明沟排水。
⒊⒈2桩型采用双轴深搅拌桩，前后两排桩错开，叶片直径为700mm，桩中心距离1.0m，桩体搭接200mm。
使用32.5普通硅酸盐水泥掺入量为15%，水灰比为0.45-0.55，送浆压力为0.4-0.6Mpa。
格栅式深层搅拌桩间距为3m。
要求格栅式深层搅拌桩严格按图纸施工，桩体内采用毛竹或钢管插筋，相邻桩的施工时间间距不得超过12小时，要求桩体28天强度大于1.0Mpa.
⒊⒈3深层搅拌桩重力挡墙顶部采用200mm厚强度C20钢筋砼面梁压顶，随浇随抹光。
⒊⒈4管井降水应在土方开挖前两周开始降水。
⒊⒈5支护结构达到设计强度方可开挖土方。
土方开挖应分层分区进行，严禁一次开挖到基底。
土方分层分块开挖，坑底应留30cm土，由人工清除，绝对不能超挖。
在开挖到底板设计标高后，先尽快做好基础垫层至支护桩边。
然后加大基础施工速度以防止支护桩因开挖侧向位移过大失稳，影响工程施工。
⒊2施工要点
⒊⒉1就位对中
深层搅拌机位移到指定桩位对中。
⒊⒉2预搅下沉
启动深层搅拌机，放松起吊钢丝绳，使深层搅拌机沿导向架搅拌下沉，下沉速度由电气控制装置的电流表控制，工作电流不大于额定值。
⒊⒉3制备固化剂浆液
深层搅拌机下沉的同时，后台控制水泥固化剂浆液，待压浆前将浆液倒入集料斗。
⒊⒉4喷浆搅拌提升
深层搅拌机下沉到设计深度后，开启灰浆机，待浆液到达喷浆口时，再按设计确定的提升速度边喷浆边提升。
⒊⒉5重复搅拌
深层搅拌机喷浆提至顶面设计标高时，关闭灰浆泵，这时集料斗中的浆液正好排空。
为使软土和浆液搅拌均匀，再次将深层搅拌机下沉至设计深度后，再将深层搅拌机喷浆提升。
⒊3质量控制
⒊⒊1深层搅拌桩高压喷浆施工时应认真控制桩的垂直度、深度、间距以及灰浆质量，特别是水泥掺入量要符合标准，确保桩体质量。
⒊⒊2预搅下沉时应尽量不用冲水下沉，当遇到软硬土层下沉太慢时，方可适当冲水前台搅拌机与后台供浆机应密切配合，前台搅拌机提升的次数和速度要符合已定的施工工艺，后台供浆机必须连续。
一旦停浆，必须立即通知前台，防止断浆和缺浆，宜将钻头下沉至停浆点下0.5米喷奖提升。
⒊⒊3制备好浆液不得离析,不得停滞时间过长,超过2小时的浆液降号使用。
⒊4监测措施
⒊⒋1监测的目的和要求
由于基坑支护施工理论与实际施工之间存在差异，实际地质条件复杂多变，施工过程中又存在许多不确定因素，有些因素还随时间而变化，因此在整个基坑支护过程中开展监测工作，提供准确的监测信息，做到信息化施工。
⒊⒋2内容
⑴基坑支护体系位移监测；
⑵坑外地下水位监测；
⑶周边建筑物沉降；
⑷邻近地下管线的水平、垂直位移监测。
⒊⒋3测点的布置
监测点尽量布置在变形较大的位置。
本工程共布置监测点13个，具体位置及参数参见:
基坑围护监测点布置图。
（图3）
⒊⒋4监测频率
搅拌桩施工期间每天一次，当监测过程中各监测对象出现异常变化时，根据监测工作的需要随时调整。
⒊⒋5报警值
依据规范规定、设计单位的要求，结合本工程监测对象的现状，综合确定各监测对象的报警值如下表：
监测对象
报警值
日位移量（mm）
累计位移量（mm）
邻近普通建筑物
≥±5
≥±30或开裂
搅拌桩支护
≥±3
≥±30
各类地下管线
≥±2
≥±10
坑外水位
≥±300
⒊⒋6效果较佳
⒊⒋⒍1基础施工阶段未有地下水位上升现象发生。
⒊⒋⒍2依据南京南大岩土工程技术有限公司监测报表,发现只有浅部少数水平位移和沉降量监测点超过报警值，其余均符合要求。
⒊⒋⒍3采用深搅拌桩支护工艺，地下结构施工历时60天，基坑支护稳定可靠，确保了施工安全，又降低了施工成本。
第四章结论
基坑工程的设计从广义上讲应包括勘察、支护结构设计、施工、监测和周围环境的保护等几个方面的内容。
比其它基础工程更突出的特殊性是设计和施工完全是相互依赖密不可分的。
施工的每一个阶段，结构体系和外面荷载都在变化，而且施工工艺的变化、挖土次序和位置的变化，支撑和留土时间的变化，都非常复杂，都对最后的结果有直接影响。
绝非最后设计计算简图能单独决定的。
目前的设计理论尚不完善，对设计参数的选取还需改进，还不能事先完全考虑诸多复杂因素。
在基坑工程施工中处理不当就可能会出现一些意外的情况。
但只要设计、施工人员重视，并密切配合加强监测分析，及时发现和解决问题，及时总结经验，基坑工程的难题会得到有效的解决的。
故基坑工程设计中必须考虑施工中每一个工况的数据，而基坑工程的施工中完全遵照设计文件的要求去做。
只有这样，工程才会圆满完成，也只有这样，设计理论和施工技术才会获得飞速发展。
参考文献
⒈顾晓鲁，钱鸿缙，刘志珊，汪时敏主编.地基与基础.北京：
中国工业出版社，2003（5）
⒉吴之乃，王有为，吴慧娟主编.建筑业十项新技术及其应用.北京：
中国工业出版社，2003（9）
⒊建设部建筑所新技术促进应用办公室.建筑业推广应用10项新技术演讲材料.1999
⒋江苏南京地质工程勘察院.南京南苑二村Ⅳ组团岩土工程详勘报告.2003（8）
⒌第三版编写组.建筑施工手册.北京:
中国工业出版社,1999
⒍江苏省苏中集团.南苑二村Ⅳ组团基坑支护结构设计计算书.2004
⒎南京南大岩土工程技术有限公司.基坑支护的监测报表.2004
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