基坑工程施工

2020/11/13
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近年来我国随着经济建设和城市建设的快速发展,地下工程愈来愈多。高层建筑的多层地下室、地铁车站、地下车库、地下商场、地下仓库和地下人防工程等施工时都需开挖较深的基坑,有的高层建筑多层地下室平面面积达数万平方米,深度有的达26.68m,施工难度较大。

大量深基坑工程的出现,促进了设计计算理论的提高和施工工艺的发展,通过大量的工程实践和科学研究,逐步形成了基坑工程这一新的学科,它涉及多个学科,是土木工程领域内目前发展最迅速的学科之一,也是工程实践要求最迫切的学科之一。对基坑工程进行正确的设计和施工,能带来巨大的经济和社会效益,对加快工程进度和保护周围环境能发挥重要作用。

1、基坑工程的内容

基坑开挖的施工工艺一般有两种:放坡开挖(无支护开挖)和在支护体系保护下开挖(有支护开挖)。前者既简单又经济,在空旷地区或周围环境允许时能保证边坡稳定的条件下应优先选用。

但是在城市中心地带、建筑物稠密地区,往往不具备放坡开挖的条件。因为放坡开挖需要基坑平面以外有足够的空间供放坡之用,如在此空间内存在邻近建(构)筑物基础、地下管线、运输道路等,都不允许放坡,此时就只能采用在支护结构保护下进行垂直开挖的施工方法。对支护结构的要求,一方面是创造条件便于基坑土方的开挖,但在建(构)筑物稠密地区更重要的是保护周围的环境。

基坑土方的开挖是基坑工程的一个重要内容,基坑土方如何组织开挖,不但影响工期、造价,而且还影响支护结构的安全和变形值,直接影响环境的保护。为此,对较大的基坑工程一定要编制较详细的土方工程的施工方案,确定挖土机械、挖土的工况、挖土的顺序、土方外运方法等。

在软土地区地下水位往往较高,采用的支护结构一般要求降水或挡水。在开挖基坑土方过程中坑外的地下水在支护结构阻挡下,一般不会进入坑内,但如土质含水量过高、土质松软,挖土机械下坑挖土和浇筑围护墙的支撑有一定困难。此外,在围护墙的被动土压力区,通过降低地下水位还可使土体产生固结,有利于提高被动土压力,减少支护结构的变形。所以在软土地区对深度较大的大型基坑,在坑内都进行降低地下水位,以便利基坑土方开挖和有利于保护环境。

支护结构的计算理论和计算手段,近年虽有很大提高,但由于影响支护结构的因素众多,土质的物理力学性能、计算假定、土方开挖方式、降水质量、气候因素等都对其产生影响。因此其内力和变形的计算值和实测值往往存在一定差距。为有利于信息化施工,在基坑土方开挖过程中,随时掌握支护结构内力和变形的发展情况、地下水位的变化、基坑周围保护对象(邻近的地下管线、建筑物基础、运输道路等)的变形情况,对重要的基坑工程都要进行工程监测,它亦成为基坑工程的内容之一。为此,基坑工程包括勘测;支护结构的设计和施工;基坑土方工程的开挖和运输;控制地下水位;基坑土方开挖过程中的工程监测和环境保护等。

2、基坑工程的设计原则与基坑安全等级

2.1、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》JGJ120-99 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,可以分为下列两类:

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,尚应对基坑周边环境及支护结构变形进行验算。

2.2、基坑支护结构的安全等级

《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99 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分级如表6-64 所示。

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基坑侧壁的安全等级分级如表6-64

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,对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作了相应的规定,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》GB 50202-2002 对基坑分级和变形监控值作如下规定:

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基坑变形的监控值(cm) 表6-65

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)与临近建筑物、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,尚应符合这些要求。

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。

3、基坑工程勘察

为了正确地进行支护结构设计和合理地组织施工,在进行支护结构设计之前。需要对影响基坑支护结构设计和施工的基础资料,全面地进行收集,并加以深入了解和分析,以便其能很好地为基坑支护结构的设计和施工服务。

在进行支护结构设计之前,主要需要收集下面三方面的资料;工程地质和水文地质资料;场地周围环境及地下管线状况;地下结构设计资料。现分述如下。

3.1、岩土勘察

基坑工程的岩土勘察一般不单独进行,应与主体建筑的地基勘察同时进行。在制定地基勘察方案时,除满足主体建筑设计要求外,亦应同时满足基坑工程设计和施工要求,因此,宜统一布置勘察要求。如果已经有了勘察资料,但其不能满足基坑工程设计和施工要求时,宜再进行补充勘察。

基坑工程的岩土勘察一般应提供下列资料:

1.场地土层的成因类型、结构特点、土层性质及夹砂情况;
2.基坑及围护墙边界附近,场地填土、暗洪、古河道及地下障碍物等不良地质现象的分布范围与深度,并表明其对基坑的影响;
3.场地浅层潜水和坑底深部承压水的埋藏情况、土层的渗流特性及产生管涌、流砂的可能性;
4.支护结构设计和施工所需的土、水等参数。

岩土勘察测试的土工参数,应根据基坑等级、支护结构类型、基坑工程的设计和施工要求而定,一般基坑工程设计和施工要求提供的勘探资料和土工参数见表6-66。

基坑工程施工 基坑工程施工

对特殊的不良土层,尚需查明其膨胀性、湿陷性、触变性、冻胀性、液化势等参数。

在基坑范围内土层夹砂变化较复杂时,宜采用现场抽水试验方法,测定土层的渗透系数。

内摩擦角和粘聚力,宜采用直剪固结快剪试验取得,要提供峰值和平均值。

总应力抗剪强度(φcu、ccu)、有效抗剪强度(φ'、c'),宜采用三轴固结不排水剪试验、直剪慢剪试验取得。

当支护结构设计需要时,还可采用专门原位测试方法,测定设计所需的基床系数等参数。

基坑范围及附近的地下水位情况,对基坑工程设计和施工有直接影响,尤其在软土地区和附近有水体时。为此在进行岩土勘察时,应提供下列数据和情况:

1.地下各含水层的视见水位和静止水位;
2.地下各土层中水的补给情况和动态变化情况,与附近水体的连通情况;
3.基坑坑底以下承压水的水头高度和含水层的界面;
4.当地下水对支护结构有腐蚀性影响时,应查明污染源及地下水流向。

地下障碍物的勘察,对基坑工程的顺利进行十分重要。在基坑开挖之前,要弄清基坑范围内和围护墙附近地下障碍的性质、规模、埋深等,以便采用适当措施加以处理。勘察重点内容如下:
1.是否存在旧建(构)筑物的基础和桩;
2.是否存在废弃的地下室、水池、设备基础、人防工程、废井、驳岸等;
3.是否存在厚度较大的工业垃圾和建筑垃圾。

3.2、周围环境勘察

基坑开挖带来的水平位移和地层沉降会影响周围邻近建(构)筑物、道路和地下管线,该影响如果超过一定范围,则会影响正常使用或带来较严重的后果。所以基坑工程设计和施工,一定要采用措施保护周围环境,使该影响限制在允许范围内。

为限制基坑施工的影响,在施工前要对周围环境进行应有的调查,做到心中有数,以便采取针对性的有效措施。

1.基坑周围邻近建(构)筑物状况调查

在大中城市建筑物稠密地区进行基坑工程施工,宜对下述内容进行调查:

(1)周围建(构)筑物的分布,及其与基坑边线的距离;
(2)周围建(构)筑物的上部结构形式、基础结构及埋深、有无桩基和对沉降差异的敏感程度,需要时要收集和参阅有关的设计图纸;
(3)周围建筑物是否属于历史文物或近代优秀建筑,或对使用有特殊严格的要求;
(4)如周围建(构)筑物在基坑开挖之前已经存在倾斜、裂缝、使用不正常等情况,需通过拍片、绘图等手段收集有关资料。必要时要请有资质的单位事先进行分析鉴定。

2.基坑周围地下管线状况调查

在大中城市进行基坑工程施工,基坑周围的主要管线为煤气、上水、下水和电缆。
(1)煤气管道。应调查掌握下述内容:与基坑的相对位置、埋深、管径、管内压力、接头构造、管材、每个管节长度、埋设年代等。

煤气管的管材一般为钢管和铸铁管,管节长度约4~6m,管径常用100、150、200、250、300、400、500mm。铸铁管接头构造为承插连接、法兰连接和机械连接;钢管多为焊接或法兰连接。

(2)上水管道。应调查掌握下述内容:与基坑的相对位置、埋深、管径、管材、管节长度、接头构造、管内水压、埋设年代等。

上水管常用的管材有铸铁管、钢筋混凝土管和钢管,管节长度约3~5m,管径为100~2000mm。铸铁管接头多为承插式接头和法兰接头;钢筋混凝土管多为承插式接头;钢管多用焊接。

(3)下水管道。应调查掌握下述内容:与基坑的相对位置、管径、埋深、管材、管内水压、管节长度、基础形式、接头构造、窨井间距等。

下水管道多用预制钢筋混凝土管,其接头有承插式、企口式、平口式等,管径为300~2400mm。

(4)电缆。电缆种类很多,有高压电缆、通讯电缆、照明电缆、防御设备电缆等。有的放在电缆沟内,有的架空。有的用共同沟,多种电缆放在一起。

电缆有普通电缆与光缆之分,光缆的要求更高。

对电缆应通过调查掌握下述内容:与基坑的相对位置、埋深(或架空高度)、规格型号、使用要求、保护装置等。

3.基坑周围邻近的地下构筑物及设施的调查

如基坑周围邻近有地铁隧道、地铁车站、地下车库、地下商场、地下通道、人防、管线共同沟等,亦应调查其与基坑的相对位置、埋设深度、基础形式与结构形式、对变形与沉降的敏感程度等。这些地下构筑物及设施往往有较高的要求,进行邻近深基坑施工时要采取有效措施。

4.周围道路状况调查

在城市繁华地区进行基坑工程,邻近常有道路。这些道路的重要性不相同,有些是次要道路,而有些则属城市干道,一旦因为变形过大而破坏,会产生严重后果。道路状况与施工运输亦有关。为此,在进行深基坑施工之前应调查下述内容:

(1)周围道路的性质、类型、与基坑的相对位置;
(2)交通状况与重要程度;
(3)交通通行规则(单行道、双行道、禁止停车等);
(4)道路的路基与路面结构。

5.周围的施工条件调查

基坑现场周围的施工条件,对基坑工程设计和施工有直接影响,事先必须加以调查了解。

(1)施工现场周围的交通运输、商业规模等特殊情况,了解在基坑工程施工期间对土方和材料、混凝土等运输有无限制,必要时是否允许阶段性封闭施工等,这对选择施工方案有影响;

(2)了解施工现场附近对施工产生的噪声和振动的限制。如对施工噪声和振动有严格的限制,则影响桩型选择和支护结构的爆破拆除混凝土支撑;

(3)了解施工场地条件,是否有足够场地供运输车辆运行、堆放材料、停放施工机械、加工钢筋等,以便确定是全面施工、分区施工还是用逆作法施工。

3.3、施工工程的地下结构设计资料调查

主体工程地下结构设计资料,是基坑工程设计的重要依据之一,应周密进行收集和了解。

基坑工程设计多在主体工程设计结束施工图完成之后,基坑工程施工之前进行。但为了使基坑工程设计与主体工程之间协调,使基坑工程的实施能更加经济,对大型深基坑工程,应在主体结构设计阶段就着手进行,以便协调基坑工程与主体工程结构之间的关系,如地下结构用逆作法施工,则围护墙和中间支承柱(中柱桩)的布置就需与主体工程地下结构设计密切结合;如大型深基坑工程支护结构的设计,其立柱的布置、多层支撑的布置和换撑等,皆与主体结构工程桩的布
置、地下结构底板和楼盖标高等密切有关。

进行基坑工程设计之前,应对下述地下结构设计资料进行了解:

1.主体工程地下室的平面布置和形状,以及与建筑红线的相对位置。这是选择支护结构形式、进行支撑布置等必须参考的资料。如基坑边线贴近建筑红线,便需选择厚度较小的支护结构的围护墙;如平面尺寸大、形状复杂,则在布置支撑时需加以特殊处理。

2.主体工程基础的桩位布置图。在进行围护墙布置和确定立柱位置时,必须了解桩位布置。尽量利用工程桩作为立柱桩,以降低支护结构费用,实在无法利用工程桩时才另设立柱桩。

3.主体结构地下室的层数、各层楼板和底板的布置与标高,以及地面标高。根据天然地面标高和地下室底板底标高,便可确定基坑开挖深度,这是选择支护结构形式、确定降水和挖土方案的重要依据。

了解各层楼盖和底板的布置,则便于支撑的竖向布置和确定支撑的换撑方案,如楼盖局部缺少时,还需考虑水平支撑换撑时如何传力等。

4、支护结构的类型和选型

4.1、支护结构的类型和组成

支护结构(包括围护墙和支撑)按其工作机理和围护墙的形式分为下列几种类型:

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水泥土挡墙式,依靠其本身自重和刚度保护坑壁,一般不设支撑,特殊情况下经采取措施后亦可局部加设支撑。

排桩与板墙式,通常由围护墙、支撑(或土层锚杆)及防渗帷幕等组成。

土钉墙由密集的土钉群、被加固的原位土体、喷射的混凝土面层等组成。

现将常用的几种支护结构介绍如下。

4.2、支护结构的选型

1.围护墙选型

(1)深层搅拌水泥土桩墙

深层搅拌水泥土桩墙围护墙是用深层搅拌机就地将土和输入的水泥浆强制搅拌,形成连续搭接的水泥土柱状加固体挡墙(图6-48)。

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图6-48 水泥土围护墙

(a)砂土及碎石土;(b)粘性土及粉土

水泥土加固体的渗透系数不大于10-7cm/s,能止水防渗,因此这种围护墙属重力式挡墙,利用其本身重量和刚度进行挡土和防渗,具有双重作用。

水泥土围护墙截面呈格栅形,相邻桩搭接长宽不小于200mm,截面置换率对淤泥不宜小于0.8,淤泥质土不宜小于0.7,一般粘性土、粘土及砂土不宜小于0.6。格栅长度比不宜大于2。

墙体宽度b 和插入深度hd,根据坑深、土层分布及其物理力学性能、周围环境情况、地面荷载等计算确定。在软土地区当基坑开挖深度h≤5m 时,可按经验取b=(0.6~0.8)h,hd=(0.8~1.2)h。基坑深度一般不应超过7m,此种情况下较经济。墙体宽度以500mm 进位,即b=2.7m、3.2m、3.7m、4.2m 等。插入深度前后排可稍有不同。

水泥土加固体的强度取决于水泥掺入比(水泥重量与加固土体重量的比值),围护墙常用的水泥掺入比为12%~14%。常用的水泥品种是强度等级为32.5 的普通硅酸盐水泥。

水泥土围护墙的强度以龄期1 个月的无侧限抗压强度qu 为标准,应不低于0.8MPa。水泥土围护墙未达到设计强度前不得开挖基坑。

如为改善水泥土的性能和提高早期强度,可掺加木钙、三乙醇胺、氯化钙、碳酸钠等。

水泥土的施工质量对围护墙性能有较大影响。要保护设计规定的水泥掺合量,要严格控制桩位和桩身垂直度;要控制水泥浆的水灰比≤0.45,否则桩身强度难以保证;要搅拌均匀,采用二次搅拌工艺,喷浆搅拌时控制好钻头的提升或下沉速度;要限制相邻桩的施工间歇时间,以保证搭接成整体。

水泥土围护墙的优点:由于坑内无支撑,便于机械化快速挖土;具有挡土、挡水的双重功能;一般比较经济。其缺点是不宜用于深基坑、一般不宜大于6m;位移相对较大,尤其在基坑长度大时。当基坑长度大时可采取中间加墩、起拱等措施以限制过大的位移;其次是厚度较大,红线位置和周围环境要作得出才行,而且水泥土搅拌桩施工时要注意防止影响周围环境。水泥土围护墙宜用于基坑侧壁安全等级为二、三级者;地基土承载力不宜大于150kPa。

高压旋喷桩所用的材料亦为水泥浆,只是施工机械和施工工艺不同。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,相互搭接形成桩排,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,但它可用于空间较小处。施工时要控制好上提速度、喷射压力和水泥浆喷射量。

(2)钢板桩

1)槽钢钢板桩

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。打入地下后顶部接近地面处设一道拉锚或支撑。由于其截面抗弯能力弱,一般用于深度不超过4m 的基坑。由于搭接处不严密,一般不能完全止水。如地下水位高,需要时可用轻型井点降低地下水位。一般只用于一些小型工程。其优点是材料来源广,施工简便,可以重复使用。

2)热轧锁口钢板桩(图6-49)

热轧锁口钢板桩的形式有U 型、L 型、一字型、H 型和组合型。建筑工程中常用前两种,基坑深度较大时才用后两种,但我国较少用。我国生产的鞍IV 型钢板桩为“拉森式”(U 型),其截面宽400mm、高310mm,重77kg/m,每延米桩墙的截面模量为2042cm3。除国产者外,我国也使用一些从日本、卢森堡等国进口的钢板桩。

钢板桩由于一次性投资大,施工中多以租赁方式租用,用后拔出归还。

钢板桩的优点是材料质量可靠,在软土地区打设方便,施工速度快而且简便;有一定的挡水能力(小趾口者挡水能力更好);可多次重复使用;一般费用较低。其缺点是一般的钢板桩刚度不够大,用于较深的基坑时支撑(或拉锚)工作量大,否则变形较大;在透水性较好的土层中不能完全挡水;拔除时易带土,如处理不当会引起土层移动,可能危害周围的环境。

常用的U 型钢板桩,多用于周围环境要求不甚高的深5~8m 的基坑,视支撑(拉锚)加设情况而定。

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图6-49 钢板桩支护结构

(a)内撑方式;(b)锚拉方式
1-钢板桩;2-围檩;3-角撑;4-立柱与支撑;5-支撑;6-锚拉杆

(3)型钢横挡板(图6-50)

型钢横挡板围护墙亦称桩板式支护结构。这种围护墙由工字钢(或H 型钢)桩和横挡板(亦称衬板)组成,再加上围檩、支撑等则一种支护体系。施工时先按一定间距打设工字钢或H 型钢桩,然后在开挖土方时边挖边加设横挡板。施工结束拔出工字钢或H 型钢桩,并在安全允许条件下尽可能回收横挡板。

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图6-50 型钢横挡板支护结构

1-工字钢(H 型钢);2-八字撑;3-腰梁;4-横挡板;5-垂直联系杆件;
6-立柱;7-横撑;8-立柱上的支撑件;9-水平联系杆

横挡板直接承受土压力和水压力,由横挡板传给工字钢桩,再通过围檩传至支撑或拉锚。横挡板长度取决于工字钢桩的间距和厚度由计算确定,多用厚度60mm 的木板或预制钢筋混凝土薄板。

型钢横挡板围护墙多用于土质较好、地下水位较低的地区,我国北京地下铁道工程和某些高层建筑的基坑工程曾使用过。

(4)钻孔灌筑桩(图6-51)

根据目前的施工工艺,钻孔灌筑桩为间隔排列,缝隙不小于l00mm,因此它不具备挡水功能,需另做挡水帷幕,目前我国应用较多的是厚1.2m 的水泥土搅拌桩。用于地下水位较低地区则不需做挡水帷幕。

钻孔灌筑桩施工无噪声、无振动、无挤土,刚度大,抗弯能力强,变形较小,几乎在全国都有应用。多用于基坑侧壁安全等级为一、二、三级,坑深7~15m的基坑工程,在土质较好地区已有8~9m 悬臂桩,在软土地区多加设内支搅(或拉锚),悬臂式结构不宜大于5m。桩径和配筋计算确定,常用直径600、700、800、900、1000mm。

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图6-51 钻孔灌筑桩排围护墙

1-围檩;2-支撑;3-立柱;4-工程桩;5-钻孔灌筑桩围护墙;
6-水泥土搅拌桩挡水帷幕;7-坑底水泥土搅拌桩加固

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(图6-52)。

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图6-52 双排桩围护墙

1-钻孔灌筑桩;2-联系横梁

如基坑周围狭窄,不允许在钻孔灌筑桩后再施工1.2m 厚的水泥土桩挡水帷幕时,可考虑在水泥土桩中套打钻孔灌筑桩。

(5)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,宜用于土质较好地区。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。

挖孔桩由于人下孔开挖,便于检验土层,亦易扩孔;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。但挖孔桩劳动强度高;施工条件差;如遇有流砂还有一定危险。

(6)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。

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600、800、l000mm,多用于-12m 以下的深基坑。

地下连续墙用作围护墙的优点是: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。

地下连续墙如单纯用作围护墙,只为施工挖土服务则成本较高;泥浆需妥善处理,否则影响环境。

(7)加筋水泥土桩法(SMW 工法)

即在水泥土搅拌桩内插入H 型钢,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(图6-53)。坑深大时亦可加设支撑。国外已用于坑深-20m 的基坑,我国已开始应用,用于8~10m 基坑。

基坑工程施工

图6-53 SMW 工法围护墙

1-插在水泥土桩中的H 型钢;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 型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型钢粘结好,能共同作用。

(8)土钉墙

土钉墙(图6-54)是一种边坡稳定式的支护,其作用与被动起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。

基坑工程施工

图6-54 土钉墙

1-土钉;2-喷射细石混凝土面层;3-垫板

施工时,每挖深1.5m 左右,挂细钢筋网,喷射细石混凝土面层厚50~100mm,然后钻孔插入钢筋(长10~15m 左右,纵、横间距1.5m×1.5m 左右),加垫板并灌浆,依次进行直至坑底。基坑坡面有较陡的坡度。

土钉墙用于基坑侧壁安全等级宜为二、三级的非软土场地;基坑深度不宜大于12m;当地下水位高于基坑底面时,应采取降水或截水措施。目前在软土场地亦有应用。

(9)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 字型(图6-55),拱壁的上、下端宜加肋梁(图6-55a);当基坑较深,一道Z 字型拱墙不够时,可由数道拱墙叠合组成(图6-55b),或沿拱墙高度设置数道肋梁(图6-55c),肋梁竖向间距不宜小于2.5m。亦可不加设肋梁而用加厚肋壁(图6-55d)的办法解决。

基坑工程施工

图6-55 拱墙截面示意图

1-地面;2-基坑底;3-拱墙;4-肋梁

圆形拱墙壁厚不宜小于400mm,其他拱墙壁厚不宜小于500mm。混凝土强度等级不宜低于C25。拱墙水平方向应通长双面配筋,钢筋总配筋率不小于0.7%。

拱墙在垂直方向应分道施工,每道施工高度视土层直立高度而定,不宜超过2.5m。待上道拱墙合拢且混凝土强度达到设计强度的70%后,才可进行下道拱墙施工。上下两道拱墙的竖向施工缝应错开,错开距离不宜小于2m。拱墙宜连续施工,每道拱墙施工时间不宜超过36h。

逆作拱墙宜用于基坑侧壁安全等级为三级者;淤泥和淤泥质土场地不宜应用;拱墙轴线的矢跨比不宜小于1/8;基坑深度不宜大于12m;地下水位高于基坑底面时,应采取降水或截水措施。

2.支撑体系选型

对于排桩、板墙式支护结构,当基坑深度较大时,为使围护墙受力合理和受力后变形控制在一定范围内,需沿围护墙竖向增设支承点,以减小跨度。如在坑内对围护墙加设支承称为内支撑;如在坑外对围护墙设拉支承,则称为拉锚(土锚)。

内支撑受力合理、安全可靠、易于控制围护墙的变形,但内支撑的设置给基坑内挖土和地下室结构的支模和浇筑带来一些不便,需通过换撑加以解决。用土锚拉结围护墙,坑内施工无任何阻挡,位于软土地区土锚的变形较难控制,且土锚有一定长度,在建筑物密集地区如超出红线尚需专门申请。一般情况下,在土质好的地区,如具备锚杆施工设备和技术,应发展土锚;在软土地区为便于控制围护墙的变形,应以内支撑为主。对撑式的内支撑见图6-56。

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图6-56 对撑式的内支撑

1-腰梁;2-支撑;3-立柱;4-桩(工程桩或专设桩);5-围护墙

支护结构的内支撑体系包括腰梁或冠梁(围檩)、支撑和立柱。腰梁固定在围护墙上,将围护墙承受的侧压力传给支撑(纵、横两个方向)。支撑是受压构件,长度超过一定限度时稳定性不好,所以中间需加设立柱,立柱下端需稳固,立即插入工程桩内,实在对不准工程桩,只得另外专门设置桩(灌筑桩)。

(1)内支撑类型

内支撑按照材料分为钢支撑和混凝土支撑两类。

1)钢支撑:钢支撑常用者为钢管支撑和型钢支撑两种。钢管支撑多用φ609钢管,有多种壁厚(10、12、14mm)可供选择,壁厚大者承载能力高。亦有用较小直径钢管者,如φ580、φ406 钢管等;型钢支撑(图6-57)多用H 型钢,有多种规格(表6-67)以适应不同的承载力。不过作为一种工具式支撑,要考虑能适应多种情况。在纵、横向支撑的交叉部位,可用上下叠交固定(图6-57 所示);亦可用专门加工的“十”形定型接头,以便连接纵、横向支撑构件。前者纵、横向支撑不在一个平面上,整体刚度差;后者则在一个平面上,刚度大,受
力性能好。在端头的活络头子和琵琶斜撑的具体构造参见图6-58。

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图6-57 型钢支撑构造

(a)示意图;(b)纵横支撑连接;(c)支撑与立柱连接
1-钢板桩;2-型钢围檩;3-连接板;4-斜撑连接件;5-角撑;6-斜撑;7-横向支撑;
8-纵向支撑;9-三角托架;10-交叉部紧固件;11-立柱;12-角部连接件

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图6-58 琵琶撑与活络头子

(a)琵琶撑;(b)活络头子

钢支撑的优点是安装和拆除方便、速度快,能尽快发挥支撑的作用,减小时间效应,使围护墙因时间效应增加的变形减小;可以重复使用,多为租赁方式,便于专业化施工;可以施加预紧力,还可根据围护墙变形发展情况,多次调整预紧力值以限制围护墙变形发展。其缺点是整体刚度相对较弱,支撑的间距相对较小;由于两个方向施加预紧力,使纵、横向支撑的连接处处于铰接状态。

2)混凝土支撑:是随着挖土的加深,根据设计规定的位置现场支模浇筑而成。其优点是形状多样性,可浇筑成直线、曲线构件,可根据基坑平面形状,浇筑成最优化的布置型式;整体刚度大,安全可靠,可使围护墙变形小,有利于保护周围环境;可方便地变化构件的截面和配筋,以适应其内力的变化。其缺点是支撑成型和发挥作用时间长,时间效应大,使围护墙因时间效应而产生的变形增大;属一次性的,不能重复利用;拆除相对困难,如用控制爆破拆除,有时周围
环境不允许,如用人工拆除,时间较长、劳动强度大。

混凝土支撑的混凝土强度等级多为C30,截面尺寸经计算确定。腰梁的截面尺寸常用600mm×800mm(高×宽)、800mm×1000mm 和1000mm×1200mm;支撑的截面尺寸常用600mm×800mm(高×宽)、800mm×1000mm, 800mm×1200mm 和1000mm×1200mm。支撑的截面尺寸在高度方向要与腰梁高度相匹配。配筋要经计算确定。

对平面尺寸大的基坑,在支撑交叉点处需设立柱,在垂直方向支承平面支撑。立柱可为四个角钢组成的格构式钢柱、圆钢管或型钢。考虑到承台施工时便于穿钢筋,格构式钢柱较好,应用较多。立柱的下端最好插入作为工程桩使用的灌筑桩内,插入深度不宜小于2m,如立柱不对准工程桩的灌筑桩,立柱就要作专用的灌筑桩基础。

在软土地区有时在同一个基坑中,上述两种支撑同时应用。为了控制地面变形、保护好周围环境,上层支撑用混凝土支撑;基坑下部为了加快支撑的装拆、加快施工速度,采用钢支撑。

从发展看,就该继续完善和推广钢支撑,使钢支撑实现标准化、工具化,建
立钢支撑制作、装拆、使用、维修一体化的专业队伍。

(2)内支撑的布置和型式
内支撑的布置要综合考虑下列因素:
1)基坑平面形状、尺寸和开挖深度;
2)基坑周围的环境保护要求和邻近地下工程的施工情况;
3)主体工程地下结构的布置;
4)土方开挖和主体工程地下结构的施工顺序和施工方法。

支撑布置不应妨碍主体工程地下结构的施工,为此事先应详细了解地下结构的设计图纸。对于大的基坑,基坑工程的施工速度,在很大程度上取决于土方开挖的速度,为此,内支撑的布置应尽可能便利土方开挖,尤其是机械下坑开挖。相邻支撑之间的水平距离,在结构合理的前提下,尽可能扩大其间距,以便挖土机运作。

支撑体系在平面上的布置形式(图6-59),有角撑、对撑、桁架式、框架式、环形等。有时在同一基坑中混合使用,如角撑加对撑、环梁加边桁(框)架、环梁加角撑等。主要是因地制宜,根据基坑的平面形状和尺寸设置最适合的支撑。

一般情况下,对于平面形状接近方形且尺寸不大的基坑,宜采用角撑,使基坑中间有较大的空间,便于组织挖土。对于形状接近方形但尺寸较大的基坑,采用环形或桁架式、边框架式支撑,受力性能较好,亦能提供较大的空间便于挖土。对于长片形的基坑宜采用对撑或对撑加角撑,安全可靠,便于控制变形。

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图6-59 支撑的平面布置形式

(a)角撑;(b)对撑;(c)边桁架式;(d)框架式;(e)环梁与边框架;(f)角撑加对撑

钢支撑多为角撑、对撑等直线杆件的支撑。混凝土支撑由于为现浇,任何型式的支撑皆便于施工。

支撑在竖向的布置(图6-60),主要取决于基坑深度、围护墙种类、挖土方式、地下结构各层楼盖和底板的位置等。基坑深度愈大,支撑层数愈多,使围护墙受力合理,不产生过大的弯矩和变形。支撑设置的标高要避开地下结构楼盖的位置,以便于支模浇筑地下结构时换撑,支撑多数布置在楼盖之下和底板之上,其间净距离B 最好不小于600mm。支撑竖向间距还与挖土方式有关,如人工挖土,支撑竖向间距A 不宜小于3m,如挖土机下坑挖土,A 最好不小于4m,特
殊情况例外。

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图6-60 支撑竖向布置

在支模浇筑地下结构时,在拆除上面一道支撑前,先设换撑,换撑位置都在底板上表面和楼板标高处。如靠近地下室外墙附近楼板有缺失时,为便于传力,在楼板缺失处要增设临时钢支撑。换撑时需要在换撑(多为混凝土板带或间断的条块)达到设计规定的强度、起支撑作用后才能拆除上面一道支撑。换撑工况在计算支护结构时亦需加以计算。

5、荷载与抗力计算

作用于围护墙上的水平荷载,主要是土压力、水压力和地面附加荷载产生的水平荷载。

围护墙所承受的土压力,要精确的计算有一定困难,因为影响土压力的因素很多,不仅取决于土质,还与围护墙的刚度、施工方法、空间尺寸、时间长短、气候条件等都有关。

目前计算土压力多用朗金(Ramkine)土压力理论。朗金土压力理论的墙后填土为匀质无粘性砂土,非一般基坑的杂填土、粘性土、粉土、淤泥质土等,不呈散粒状;朗金理论土体应力是先筑墙后填土,土体应力是增加的过程,而基坑开挖是土体应力释放过程,完全不同;朗金理论将土压力视为定值,实际上在开挖过程中是变化的。所解决的围护墙土压力为平面问题,实际上土压力存在显著的空间效应;朗金理论属极限平衡原理,属静态设计原理,而土压力处于动态平
衡状态,开挖后由于土体蠕变等原因,会使土体强度逐渐降低,具有时间效应;另外,在朗金计算公式中土工参数(φ、c)是定值,不考虑施工效应,实际上在施工过程中由于打设预制桩、降低地下水位等施工措施,会引起挤土效应和土体固结,使φ、c 值得到提高。因此,要精确地计算土压力是困难的,只能根据具体情况选用较合理的计算公式,或进行必要的修正,供设计支护结构用。

根据我国《建筑基坑支护技术规程》JGJ 120-99,水平荷载标准值和水平抗力标准值可按下列公式进行计算:

5.1、水平荷载标准值

作用于围护墙上的土压力、水压力和地面附加荷载产生的水平荷载标准值eajk(图6-61),应按当地可靠经验确定,当无经验时按下列规定计算:

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图6-61 水平荷载标准值计算图

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图6-63 局部荷载作用下基坑外侧附加竖向应力计算简图

5.2、水平抗力标准值

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