浅述基坑支护结构的类型及设计原则
摘要： 本文简要的介绍了在工程上比较常用的几种基坑支护的方法以及各自的特点，并综合说明了基坑支护的设计原则。
关键词： 基坑支护 特点 设计原则
我国大量的深基坑工程始于 20世纪80年代，由于城市高层建筑的迅速发展，地下停车场、高层建筑埋深、人防等各种需要，高层建筑需要建设一定的地下室。近几年，由于城市地铁工程的迅速发展地铁车站、局部区间明挖等也涉及大量的基坑工程，在双线交叉的地铁车站，基坑深达20-30m。水利、电力也存在着地下厂房、地下泵房的基坑开挖问题。
无论是高层建筑还是地铁的深基坑工程，由于都是在城市中进行开挖，基坑周围通常存在交通要道、已建建筑或管线等各种构筑物，这就涉及到基坑开挖的一个很重要内容，要保护其周边构筑物的安全使用。而一般的基坑支护大多又是临时结构、投资太大也易造成浪费，但支护结构不安全又势必会造成工程事故。因此，如何安全、合理地选择合适的支护结构并根据基坑工程的特点进行科学的设计是基坑工程要解决的主要内容。 以下简单介绍当前基坑工程中常见的支护结构类型及不同地基土条件下的基坑工程支护结构选型原则。
1 基坑支护 的类型及其特点和适用范围
1.1 放坡开挖
适用于周围场地开阔，周围无重要建筑物，只要求稳定，位移控制五严格要求，价钱最便宜，回填土方较大。
1.2 深层搅拌水泥土围护墙
深层搅拌水泥土围护墙是采用深层搅拌机就地将土和输入的水泥浆强行搅拌 , 形成连续搭接的水泥土柱状加固体挡墙。水泥土围护墙优点 : 由于一般坑内无支撑 , 便于机械化快速挖土 ; 具有挡土、止水的双重功能 ; 一般情况下较经济 ; 施工中无振动、无噪音、污染少、挤土轻微 , 因此在闹市区内施工更显出优越性。水泥土围护墙的缺点 : 首先是位移相对较大 , 尤其在基坑长度大时 , 为此可采取中间加墩、起拱等措施以限制过大的位移 ; 其次是厚度较大 , 只有在红线位置和周围环境允许时才能采用 , 而且在水泥土搅拌桩施工时要注意防止影响周围环境。
1.3 高压旋喷桩
高压旋喷桩所用的材料亦为水泥浆 , 它是利用高压经过旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合形成水泥土加固体 , 相互搭接形成排桩 , 用来挡土和止水。高压旋喷桩的施工费用要高于深层搅拌水泥土桩 , 但其施工设备结构紧凑、体积小、机动性强、占地少 , 并且施工机具的振动很小 , 噪音也较低 , 不会对周围
建筑物带来振动的影响和产生噪音等公害 , 它可用于空间较小处 , 但施工中有大量泥浆排出 , 容易引起污染。对于地下水流速过大的地层 , 无填充物的岩溶地段永冻土和对水泥有严重腐蚀的土质 , 由于喷射的浆液无法在注浆管周围凝固 , 均不宜采用该法。
1.4 槽钢钢板桩
这是一种简易的钢板桩围护墙 , 由槽钢正反扣搭接或并排组成。槽钢长 6 ～ 8m , 型号由计算确定。其特点为 : 槽钢具有良好的耐久性 , 基坑施工完毕回填土后可将槽钢拔出回收再次使用 ; 施工方便 , 工期短 ; 不能挡水和土中的细小颗粒 , 在地下水位高的地区需采取隔水或降水措施 ; 抗弯能力较弱 , 多用于深度≤ 4m 的较浅基坑或沟槽 , 顶部宜设置一道支撑或拉锚 ; 支护刚度小 , 开挖后变形较大。
1.5 钢筋混凝土板桩
钢筋混凝土板桩具有施工简单、现场作业周期短等特点 , 曾在基坑中广泛应用 , 但由于钢筋混凝土板桩的施打一般采用锤击方法 , 振动与噪音大 , 同时沉桩过程中挤土也较为严重 , 在城市工程中受到一定限制。此外 , 其制作一般在工厂预制 , 再运至工地 , 成本较灌注桩等略高。但由于其截面形状及配筋对板桩受力较为合理并且可根据需要设计 , 目前已可制作厚度较大 ( 如厚度达 500mm 以上 ) 的板桩 , 并有液压静力沉桩设备 , 故在基坑工程中仍是支护板墙的一种使用形式。
1.6 钻孔灌注桩
钻孔灌注桩围护墙是排桩式中应用最多的一种 , 在我国得到广泛的应用。其多用于坑深 7 ～ 15m 的基坑工程 , 在我国北方土质较好地区已有 8 ～ 9m 的臂桩围护墙。钻孔灌注桩支护墙体的特点有 : 施工时无振动、无噪音等环境公害 , 无挤土现象 , 对周围环境影响小 ; 墙身强度高 , 刚度大 , 支护稳定性好 , 变形小 ; 当
工程桩也为灌注桩时 , 可以同步施工 , 从而施工有利于组织、方便、工期短 ; 桩间缝隙易造成水土流失 , 特别时在高水位软粘土质地区 , 需根据工程条件采取注浆、水泥搅拌桩、旋喷桩等施工措施以解决挡水问题 ; 适用于软粘土质和砂土地区 , 但是在砂砾层和卵石中施工困难应该慎用 ; 桩与桩之间主要通过桩顶冠梁和围檩连成整体 , 因而相对整体性较差 , 当在重要地区 , 特殊工程及开挖深度很大的基坑中应用时需要特别慎重。
1.7 地下连续墙
通常连续墙的厚度为 600mm、800mm、1000mm，也有厚达1200mm的，但较少使用。地下连续墙刚度大，止水效果好，是支护结构中最强的支护型式，适用于地质条件差和复杂，基坑深度大，周边环境要求较高的基坑，但是造价较高，施工要求专用设备。
1.8 土钉墙
土钉墙是一种边坡稳定式的支护 , 其作用与被动的具备挡土作用的上述围护墙不同 , 它是起主动嵌固作用 , 增加边坡的稳定性 , 使基坑开挖后坡面保持稳定。土钉墙主要用于土质较好地区 , 我国华北和华东北部一带应用较多 , 目前我国南方地区亦有应用 , 有的已用于坑深 10m 以上的基坑 , 稳定可靠、施工简便且工期短、效果较好、经济性好、在土质较好地区应积极推广。
1.9 SMW 工法
SMW 工法亦称劲性水泥土搅拌桩法 , 即在水泥土桩内插入 H 型钢等 ( 多数为 H 型钢 , 亦有插入拉森式钢板桩、钢管等 ) , 将承受荷载与防渗挡水结合起来 , 使之成为同时具有受力与抗渗两种功能的支护结构的围护墙。 SMW 支护结构的支护特点主要为 : 施工时基本无噪音 , 对周围环境影响小 ; 结构强度可靠 , 凡是适合应用水泥土搅拌桩的场合都可使用 , 特别适合于以粘土和粉细砂为主的松软地层 ; 挡水防渗性能好 , 不必另设挡水帷幕 ; 可以配合多道支撑应用于较深的基坑 ; 此工法在一定条件下可代替作为地下围护的地下连续墙 , 在费用上如果能够采取一定施工措施成功回收 H 型钢等受拉材料 ; 则大大低于地下连续墙 , 因而具有较大发展前景。
1.10 基坑支护选型小结
基坑支护型式的合理选择，是基坑支护设计的的首要工作，应根据地质条件，周边环境的要求及不同支护型式的特点、造价等综合确定。一般当地质条件较好，周边环境要求较宽松时，可以采用柔性支护，如土钉墙等；当周边环境要求高时，应采用较刚性的支护型式，以控制水平位移，如排桩或地下连续墙等。同样，对于支撑的型式，当周边环境要求较高地质条件较差时，采用锚杆容易造成周边土体的扰动并影响周边环境的安全，应采用内支撑型式较好；当地质条件特别差，基坑深度较深，周边环境要求较高时，可采用地下连续墙加逆作法这种最强的支护型式。基坑支护最重要的是要保证周边环境的安全。
2.基坑支护的设计要求
基坑支护作为一个结构体系，应要满足稳定和变形的要求，即通常规范所说的两种极限状态的要求，即承载能力极限状态和正常使用极限状态。所谓承载能力极限状态，对基坑支护来说就是支护结构破坏、倾倒、滑动或周边环境的破坏，出现较大范围的失稳。一般的设计要求是不允许支护结构出现这种极限状态的。而正常使用极限状态则是指支护结构的变形或是由于开挖引起周边土体产生的变形过大，影响正常使用，但未造成结构的失稳。
因此，基坑支护设计相对于承载力极限状态要有足够的安全系数，不致使支护产生失稳，而在保证不出现失稳的条件下，还要控制位移量，不致影响周边建筑物的安全使用。因而，作为设计的计算理论，不但要能计算支护结构的稳定问题，还应计算其变形，并根据周边环境条件，控制变形在一定的范围内。
一般的支护结构位移控制以水平位移为主，主要是水平位移较直观，易于监测。水平位移控制与周边环境的要求有关，这就是通常规范中所谓的基坑安全等级的划分，对于基坑周边有较重要的构筑物需要保护的，则应控制小变形，此即为通常的一级基坑的位移要求；对于周边空旷，无构筑物需保护的，则位移量可大一些，理论上只要保证稳定即可，此即为通常所说的三级基坑的位移要求；介于一级和三级之间的，则为二级基坑的位移要求。
对于一级基坑的最大水平位移，一般宜不大于 30mm，对于较深的基坑，应小于0.3％H,H为基坑开挖深度。对于一般的基坑，其最大水平位移也宜不大于50mm。一般最大水平位移在30mm内地面不致有明显的裂缝，当最大水平位移在40-50mm内会有可见的地面裂缝，因此，一般的基坑最大水平位移应控制不大于50mm为宜，否则会产生较明显的地面裂缝和沉降，感观上会产生不安全的感觉。
一般较刚性的支护结构，如挡土桩、连续墙加内支撑体系，其位移较小，可控制在 30mm之内，对于土钉支护，地质条件较好，且采用超前支护、预应力锚杆等加强措施后可控制较小位移外，一般会大于30mm。
结语： 基坑支护是一种特殊的结构方式，具有很多的功能。不同的支护结构适应于不同的水文地质条件，因此，要根据具体问题，具体分析，从而选择经济适用的支护结构。
基坑爆破开挖的成功尝试
摘要： 在伊春市双丰林业局向阳山林场建设南沟水库过程中遇到水湿地软基问题，开挖机械无法进场，人力开挖进展缓慢。在这种不利情况下，为缩短建筑物的施工周期，选择了爆破的开挖方式，获得了满意的效果。
关键词： 基坑 爆破 开挖
1 引言
南沟水库是双丰林业局为开发山间水湿地种稻而兴建的一座小型水库，主要用途是解决下游稻田的灌溉用水。由于灌区上游遍布水湿地，受自然条件限制，坝址亦处于常年积水的水湿地中。地层土壤颗粒较细，渗透性差，浸润强，土层含水量长期处于饱和状态，地下水位居高不下。地基承载力低，冻胀量大，基坑排水困难，对工程建设十分不利。因此，处理好地下水对施工和工程运行状况的影响是工程设计成功与否的关键。
该工程设计、施工方案经反复论证，于 1992年11月1日破土动工，11月12日建成。历时12天，完成土方300m 3 ，浇筑钢筋混凝土35m 3 。是伊春地区在寒冷季节，自然条件十分不利的情况下，小型水利工程施工速度快、质量好、投资省的一项工程。经多年运行观察，工况良好，满足了各项技术指标，在水田灌溉中发挥了良好作用。
2 工程概况
南沟水库位于双丰林业局向阳山林场南小河上游，设计最大坝高 3.2m，坝长450m，兴利库容16×10 4 m 3 ，放水闸位于大坝东段，河流右岸滩地上，滩地为季节性沼泽，夏季地表积水，不能通行。11月以后，地表水消落，地面冻结，才能进行施工活动。当地最大冻深2.3m，土质粘重，含水量大，为强冻胀型。放水闸设计流量0.4 m 3 /s，没有防洪要求，但要考虑水库放空时的泄流量。
2.1 工程地质
闸址处地表长满水塔头，根据探坑观察和以往打井资料，地基土从上至下可分为 3层；
（ 1）黑褐色塔头土层：层厚0.3m，有密集的塔头根盘结，开挖后呈筏块状，含水接近饱和。
（ 2）松软的黄土层：层厚1.2m，密度小，含水饱和，潜水位达该层顶面，呈流塑状态。
（ 3）深黄色粘土层：层厚达几米，较上层略密实，含水略小，呈软塑状态。
2.2 总体布置
放水闸主体为钢筋混凝土整体箱涵结构。箱型涵体作为输水洞穿过坝基，下卧于地面以下 2.5m，直接座落于粘土软基。
3 施工
施工分基坑开挖和混凝土浇筑两大部分，难点在基坑开挖。该地清晨不见积水，但地表不久即融化，低洼地带形成积水，必须穿靴子且土壤很粘鞋，行走困难。在开挖机械不能进场的条件下，如采用人工开挖，饱含渗水的黄粘土一经施工扰动即呈稀泥状，给开挖造成很大困难。由于当时天气已经比较寒冷，混凝土养护将在暖棚内进行，基坑开挖时间过长将给混凝土养护带来更多的不便。经过多方案比较，确定采用爆破方式开挖。其优点一是省时省力，可以提前工期，二是在基坑开挖过程中不用排水，没有工序干扰。另外，在爆破压力作用下有提高基土密度，提高承载力，封闭地下水渗流通道，从而免去施工排水的可能。
3.1 炮孔布置与药量计算
基坑尺寸：深 2.5m，长20m,宽3m，边坡1:1。在基坑纵轴线上均匀布设6个炮孔，孔距3m，孔深2.1m。爆破方式为标准抛掷爆破。装药为普通硝铵炸药，单孔装药量用下式计算：
Q=KW 3 f(n)
式中： Q——药包装药量(kg)
K——单位耗药量，粘土取K＝1.1
W——最小抵抗线长度，W＝2.0
f(n) ——爆破作用指数函数，标准抛掷爆破为1。
则： Q＝KW 3 ＝8.8kg，取Q＝9.0(kg)
3.2 爆破过程
人力造孔时，直接用两把合绑在一起的铁锹向孔位剁戳，再将铁锹中间带出的稀淤取出，如此反复，未用一天即造孔完毕。翌日，开挖出的炮孔积满了渗水。将药包用塑料膜密封严密，用木棍压入孔底后填土压实。六个药包采用电雷管同时起爆。
爆破取得了满意的效果：基坑尺寸基本符合开挖要求，稍加平整即可；坑底均为爆破冲击波作用下产生的径向和环向裂缝，未见渗水；承载力有很大提高，行走自如，给施工活动带来很大方便。
在随后的混凝土浇筑等其它工序中，基坑始终未见渗水，说明爆破冲击波确实起到了压实土体从而提高承载力、封闭渗水通道从而提高土壤抗渗性能的作用。整个施工过程均在未排水的情况下进行，有效地保证了工程质量，提高效率一倍以上，投入有所降低。
整个基坑开挖时间为 5天，作业人数不足10人。从这个角度说，这是一种省时省力的施工方法。
3.3 工程运行状况
该工程自建成投入运行以来工况良好，建筑物稳定、安全、运行正常，充分发挥了工程的作用，保证了下游水田的用水要求，说明该工程的设计和施工是相当成功的。
4 实用意义
通过爆破，解决了在多水软基上施工时基坑开挖困难、施工排水成本高这两个问题，同时对基底产生了一定的压实作用，对提高地基承载力和建筑物防渗有相当的益处。本工程的规模和型式均接近于堤防排水闸，对其同样适用，在为数众多的田间构造物上也较适用。因此，这种施工方法有较大的应用空间和较好的借鉴作用。
层次分析法在深基坑支护系统方案优选中的应用
摘要： 在建筑工程招标过程中，评标是一个十分棘手的问题，将层次分析法应用到深基坑支护系统方案的优选中，根据系统的特点和基本原则，建立起层次结构模型。通过层次总排序得到竞标方案的优劣排序，使评标过程更加全面、科学、公正、准确。
关键词： 基坑支护 方案 优选 层次分析法 权重
武汉市世界贸易中心工程地处汉口解放大道中段原武汉展览馆旧址，规划占地面积约8万m2，工程将分两期完成。一期工程包括28层高商住写字楼l栋和9层的裙楼，地下室均为2层，基坑开挖深度为11.0m，面积达3.6万m2，属于大型深基坑工程。该工程的建规模和基坑开挖面积国内名列前茅，在全国影响很大。国内有十多家施工和设计单位参加深基坑支护系统方案的投标，经过初选确定6家单位入围参加最后的竞标。如何从众多投标方案中优选出最佳方案，是岩土工程领域中一个十分棘手的难题。本文提出应用层次分析法对深基坑支护系统方案进行选优。
1 层次分析方法
层次分析法[1][2]作为系统工程中对非定量事件一种评价分析方法是1973年由美国学者A.L.萨蒂(A.1.Saaty)最早提出的，(原名为The Analyticl Hierarchy Process)简称AHP法。层次分析法是首先将复杂的问题层次化。根据问题和要达到的目标，将问题分解为不同的组成因素，并按照因素间的相互关联以及隶属关系将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型。根据系统的特点和基本原则，对各层的因素进行对比分析，引入l一9比率标度方法[1]构造出判断矩阵，用求解判断矩阵最大特征根及其特征向量的方法得到各因素的相对权重；最终通过计算最低层——各投标方案相对于最高层即最佳方案的相对权重值，得到竟标方案的优劣排序。
层次分析法的基本步骤如下：
(1)建立层次结构模型
(2)构造判断矩
(3)层次单排序及其一致性检验
(4)层次总排序及其一致性检验
2 工程概况及投标方案简介
2.1 建筑场区环境
工程地处汉口闹市中心的解放大道中段，建筑场区环境比较复杂。北面紧靠解放大道，东邻游子乡大厦，西侧为协和广场，南抵该项目二期工程场地。
2.2 工程地质和水文地质条件
该工程场地地层属长江一级阶地，为第四纪全新世长江冲洪积地层，土层分布从上到下依次为杂填土(0.5—3.40m)、粘土(0.6—6.95m)、粉土(1.10—8.10m)、粉砂(6.4一16.50m)、粉细砂(7.0—23.50m)、粉质粘土(0.0—6.70m)、中粗砂夹砾石(1.9—5.0m)及卵石层(3.4一12.0m)，基岩为泥质强风化页岩。场区有两层地下水。表层填土中为上层滞水，水位在地面下1.0m左右;由大气降水和城市生活废水补给，水量较小。深层承压水埋藏于粉细砂层至卵石层中，承压水头高度随季节和长江水位影响；枯水期地下水位在地面下5.0—6.0m左右，丰水期地下水位在地面下1.0m左右。
2.3 竟标方案
3 建立层次结构模型
深基坑支护系统的设计是一个相当复杂的系统工程[3][4]，除支护结构设计之外，还包括止水降水措施、施工组织、工程监测及应急方案等内容；影响因素众多，如工程的建筑特点、工程地质条件、水文地质条件、建筑场地的周边环境、施工技术及设备等等。基坑支护系统的设计必须满足安全性、经济性和可行性这三个基本要求；对于市区工程，环境保护及文明施工也是十分重要的。因此，可以从安全可行、经济合理、保护环境、施工便捷四个方面，选择了19个指标来评价深基坑支护系统方案的优劣，建立图2所示的层次结构模型。
4 确定评判原则，构造判断矩阵及层次单排序计算
根据深基坑支护系统方案的层次结构模型，将同一层次中的因素相对于上一层次中的某个因素，采用l一9比率标度方法(见表2)两两成对比较，构造出判断矩阵。各层中的因素两两成对进行比较时，评判的标准并不是一成不变的，而是根据工程的特点、周边环境、工程地质和水文地质条件以及工期的要求等等方面的情况决定的。对于武汉市世界贸易中心一期基坑支护工程，在构造判断矩阵时应遵循以下原则
(1)相对于目标层——最佳方案而言，深基坑支护系统方案的安全性、经济性与可行性三者的关系是辩证统一的，不可偏废。即在满足安全要求与可行的前提下，使基坑支护工程的总投资最少；同时注意保护环境，尽量缩短工期。 (2)相对于准则层而言，该工程地处长江一级阶地，具有典型的二元结构特征。上部为粘性土，下部为砂性土，总的趋势是从浅到深土颗粒逐渐变粗，渗透系数逐渐增大。地下水丰富，承压水头高，且受季节和长江水位的影响，地下水的处理显得格外突出。基坑开挖深度，基坑底部落在粉土或粉砂层中，土层呈软塑状态，含水饱和，渗透性较大，极易产生坑底涌砂冒水、坑壁管涌及失稳等不良现象，由此而引发的工程事故累见不鲜。可见基坑侧壁止水及基底降水措施与基坑支护结构密不可分且具有同等的重要性。
(3)对于指标深基坑支护系统方案的先进性，主要从以下几个方面体现：一是支护结构设计时，首选主动支护结构或者被动加固与主动支护结构相结合的形式，其次为被动支护结构形式。二是充分利用建筑场地条件，应首先考虑放坡开挖。如果条件受到限制，可考虑局部放坡或者部分放坡。这种组合方式可降低支挡结构的高度，减小支挡结构的负荷与内力，从而降低支护结构的费用，提高坑壁的稳定性。
(4)基坑地下水治理方案的设计应遵循主动止水与降水减压相结合综合治理的指导思想。在具有典型二元结构特征的地质条件下，深井(即完整井)对有效降低水位和减少周围环境影响，以及节约造价等方面来说都是优选的。坑壁止水措施应尽量与支护结构相结合，以降低造价。
5 层次总排序及结论
层次总排序就是基于层次单排序的结果计算方案层中的各投标方案相对目标层的相对权重，依此确定竟标方案的优劣排序。这一过程是从最高层次到最低层次逐层进行的。
6 结语
在武汉市世界贸易中心工程深基坑支护系统方案的评标中，采用层次分析法得到的最佳方案与实际中标方案是一致的。由此可见，文中构造的层次结构模型基本能够表达深基坑支护系统状况和特点；将层次分析法应用到深基坑支护系统方案的优选中，能够使评标过程更加全面、科学、公正、准确。 |