深基坑工程常见支护形式的选择探讨

杨 一 希

(湖南交通职业技术学院，湖南 长沙 410132)



深基坑工程常见支护形式的选择探讨

杨 一 希

(湖南交通职业技术学院，湖南 长沙 410132)

分析了深基坑工程的主要特点，阐述了基坑工程支护的原则，并从放坡开挖、桩锚式支护结构、地下连续墙支护结构等方面，介绍了现阶段常见的基坑支护形式，并总结了各种支护形式的特点，有助于支护方案的合理选择，从而保证基坑工程的安全施工。

深基坑，支护结构，基坑工程

随着城市和路桥建设的迅速发展，涌现出了大量大型的基坑工程。而基坑工程是一项复杂程度高的系统性工程，有其自身的特点。对于基坑工程的施工，支护措施的合理选取是决定其安全、经济的关键。每种支护结构形式都有其自身的特点及相应的适用范围，了解不同支护结构的特点，通过其特点针对不同的工程选择不同的支护结构有利于基坑工程的稳定，对基坑工程设计具有重要的现实意义。

1 深基坑工程的特点

1)基坑工程的支护结构基本上都是临时性的，不具有相应的安全储备，存在一定的风险。2)基坑工程区域性较强。不同地区由于其地质条件与水文条件存在一定的差异，所能适应的基坑支护结构也会不同，在对基坑进行施工的过程中所采取的开挖方案也会有差异。3)基坑工程拥有很强的个体性。基坑工程所处的地质条件复杂，其开挖方案以及支护结构的选择应充分考虑施工场地的水文条件与地质条件，同时周围环境的因素也是不可忽视的，尤其是相邻建筑物与相关市政工程的影响。4)基坑工程具有时空效应。基坑工程的设计开挖深度、设计尺寸对所采用的支护形式影响非常明显。在设计阶段，支护形式的选取应充分考虑时空效应对基坑工程稳定性的影响。土体的蠕变性是其非常明显的特征之一，施工过程中支护结构所承受的土压力是随施工的进程而不断改变的。土体的蠕变作用可以使土体的强度迅速逐渐减小，由此造成基坑的稳定性也随之降低。5)基坑工程具有系统性。合理的土石方开挖方案对支护体系与整个基坑工程的稳定性具有非常重要的意义。若所设计的开挖方案不合理，会造成基坑产生相应的形变，严重影响基坑所采用支挡结构的稳定性，甚至导致基坑失稳。6)基坑工程具备环境效应。基坑的开挖过程对其周围土体地下水的影响是不可避免的，开挖土体卸荷同时也会引起土体的应力重分布，造成基坑周围的地基土体产生不同程度的沉降，会影响周围建筑物的安全。

2 深基坑工程支护的原则

2.1 设计状态

1)承载能力极限状态。支挡结构即将破坏时的状态即为承载能力极限状态,该状态主要由于以下情况造成：主要指支护结构和被支护土体的破坏及管涌、基坑底失稳等导致的土体或支护结构破坏。主要包括以下几种情况:a.基坑支挡结构由于自身弯曲导致破坏；b.由于嵌入深度较短,支挡结构趾部嵌固被动抗力不足导致结构支挡能力丧失；c.现象a.与b.共同发生；d.由于锚固力较大，导致锚杆自身断裂，边坡失稳；e.由于阻水效果未充分发挥，导致基坑底部隆起或者形成管涌。

2)正常使用极限状态。正常使用极限状态是指支护过程中结构会产生较大变形，并有可能对基坑周围的环境造成一定影响的一种极限状态。基坑支护结构的设计阶段应对其正常使用极限状态进行计算，对于安全等级较高，或者对于支护结构的变形有特殊要求的基坑工程，需要考察其对周围环境的影响程度，并计算其支护结构的变形。

2.2 基坑安全等级

基坑侧壁的安全等级根据支护结构的完整性、土体稳定性对施工影响程度的差异分为三级,不同等级的基坑侧壁有其相应的重要性系数。基坑侧壁的安全等级如表1所示。

表1 基坑侧壁安全等级及重要性系数

2.3 设计内容

1)根据所用支护结构的特点，对基坑进行相应的稳定性验算；2)对基坑的止水进行设计，确保支护结构的止水效果；3)对基坑支护结构的受弯、受压、受剪承载力进行验算，确保支护效果；4)当采用内支撑或者锚杆支护结构时，支护结构应进行相应的承载能力与稳定性验算；5)对于表1所示的一级基坑工程，在满足上述四点设计内容的基础上还应确保其产生的水平位移满足相应的要求。

3 基坑主要支护形式

3.1 放坡开挖

放坡开挖主要适用于安全等级较高、土质较好、深度较浅，且基坑周围有大面积土地用于放坡的基坑工程。放坡开挖的整个过程中并不需要采取相应的支护措施，只需按照安全的坡度直接对基坑进行开挖，同时对坡面采取适当的保护措施即可。该方法造价低，能够节约大量的施工成本，对基坑进行开挖设计时，放坡开挖是优先被考虑的方法。该方法的缺陷主要是：开挖过程中所涉及的开挖面积较大，产生的土方工程量较大，同时大量土方需要外运至其他地方，会对当地的环境产生不利的影响，尤其在多雨季节更加容易引发自然灾害。

3.2 钢板桩支护结构

将特制的型钢板桩对基坑工程进行支护的结构称为钢板桩支护结构。该结构在施工过程中采用相应的施工机械，每隔一定的距离打入钢板桩，使其形成一道连续的板墙，从而达到施工过程中阻挡基坑周围土体与地下水的基坑支护结构。该结构在实际工程应用较少，且较适用于基坑等级较高的基坑工程；在软土地区，钢板桩支护结构对基坑深度小于7 m的基坑支护效果最佳，对于更深的基坑，应设置多层锚拉杆或内支撑。使用过程中应充分考虑工程完工后将钢板桩拔出对基坑土体的影响。虽然该方法在实际工程中应用较少，但是其具有较好的整体性，较高的强度与刚度，对于不同的基坑开挖形状与不同的土质均能适应，在经济方面所投入的成本也较低，施工过程简便等特点。综上所述，钢板桩支护结构在基坑支护设计阶段也是一种可选的支护结构。

3.3 水泥土重力式支护结构

水泥土重力式支护结构通常是采用机械钻进，用高压喷射注浆并对其与土强制搅拌，使其发生相应的物理化学反应，将基坑壁土体与浆混合凝结成具有一定强度和稳定性的混合体。水泥重力式支护结构具有以下优点：1)能够充分的利用基坑土体，与单纯的水泥混凝土桩相比，节约了大量施工成本；2)对基坑工程所要求的挡土与挡水的效果较好；3)施工简便，施工阶段对基坑周围环境影响较小；4)施工所需的时间也较短。同时该结构也具有如下缺点：1)对于深度较深的基坑工程并不适用；2)该结构抗拉刚度较小，施工过程中结构顶部会产生较大的位移，给施工带来了潜在的风险。基于以上的优缺点，该结构主要的适用范围如下：1)适用于开挖深度小于6 m的基坑工程；2)淤泥与含水率比较大的软粘土的基坑工程；3)拥有较大施工场地，且施工作业面积较大的基坑工程；4)对于建筑密度较大的施工场地也能够取得很好的效果。

3.4 桩锚式支护结构

桩锚式支护结构在我国应用较为广泛，是一种利用岩土体自身进行主动加固的支护技术，锚杆是该结构在支护过程中的主体，锚杆的一端深入土体，另一端与设置在基坑壁的各类支护结构固定，同时对锚杆施加设计的预应力，通过对锚杆的拉力，从而控制锚杆周围土体的变形，充分调动深层土体的潜能，使基坑处于稳定状态。该方法适用性强，特别对于深基坑，甚至是超深基坑均能取得很好的支护效果，同时改变支护措施还可与其他支护结构联合使用，如墙体支护结构、桩体支护结构等。但是并不适用于密实度较小的土体。其中桩锚支护结构的主要设计理论是朗肯土压力理论，具体介绍如下：

朗肯土压力理论是根据半空间的应力状态和土单元体(土中一点)的极限平衡条件出发，假设以墙背光滑、直立、填土面水平推导出主动以及被动土压力计算理论的公式为：

(1)

其中，ea，ep分别为朗肯主动土压力和被动土压力强度，kPa；γ为土的重度，kN/m3，地下水位以下采用有效重度；C为土的粘聚力，kPa；h为计算土层的深度，m；Ka，Kp分别为朗肯被动土压力与主动土压力系数，表达式如下：

(2)

其中，φ为土的内摩擦角。

此外该支护结构还具有以下优缺点：

优点：该结构的自身尺寸较小，而整体刚度大，支护过程中，能够很好的控制形变，能够满足基坑的形变要求；自身结构简单，对基坑内部施工影响较小，缩短工期。

缺点：施工过程中需要稳定土层用来设置锚固体；对场地环境与地下空间要求较高；不良的地质条件与过大的土压力，容易影响支护结构的支护效果。

3.5 地下连续墙支护结构

地下连续墙的支护形式有多种，主要有内撑式、土层锚杆结合式、悬臂式、逆作法等。每种支护形式对所施工的方法的要求不同，内撑式主要是通过设置内支撑在相应的设计部位，再对基坑进行开挖，对于开挖深度较深的基坑则需设置多层内支撑，直至设计开挖深度；土层锚杆结合式主要是通过开挖机械对基坑进行开挖至锚杆设置深度，再按锚杆的设置要求进行相应的施工；悬臂式主要适用于软土层小于5 m的基坑工程；逆作法是在地下连续墙支护结构达到相应的强度要求后，对基坑进行开挖，然后用混凝土对顶层的梁、板、柱进行浇筑，通过一段时间的养生，使其达到预定的强度后，再对基坑下一层土体进行开挖，在每一层开挖之前，必须完成对下一层梁、板、柱的施工，以此作为整个结构的支撑，不断循环上述方法，直至基坑土层开挖完毕。

该结构的墙厚主要有0.4 m，0.6 m，0.8 m三种，且施工过程中插入基坑的深度一般是基坑开挖总深度的0.3倍～0.8倍。对于地下连续墙而言，其防渗与防土的效果毋庸置疑，但是其投资费用较高，在基坑设计阶段，如能将基坑围护墙与地下室的外墙两墙合一，其经济效果是非常显著的，这一发展思路是未来地下连续墙新的发展方向。采用逆作法对两墙合一的连续墙进行施工，在缩短施工工期的前提下，还能够取得很好的支撑效果，在今后的基坑工程设计中这一思路值得推广。

3.6 土钉墙支护结构

土钉墙支护结构又称为锚钉支护结构，是20世纪中后期发展起来的新型支护结构。它主要由细长金属杆、被加固体与混凝土面板组成，将细长金属杆放置于需要被加固的土体中，然后用坡面的混凝土面板将其固定，从而达到加固的效果，确保施工过程中基坑侧壁的稳定性，该支护结构与重力式挡土墙类似。

该支护结构并不适用于基坑侧壁安全等级为一级的基坑工程；此外，还具有如下特点：施工过程简便、结构不复杂、对施工场地环境影响较小、具有较高的承载力。基于以上特点，土钉墙支护结构已经广泛应用于大量的基坑工程中。同时，也具有如下缺点：在施工过程中所需的空间较大；容易产生较大的变形，对于变形要求较高的基坑工程并不适用；不适用于软土和松散砂土地基；开挖深度较深，地下水位较高的基坑工程也不宜采用。

从现阶段已有的工程使用来看，当单独采用该结构时，基坑的开挖深度必须小于10 m，以确保施工安全，若将土钉墙与其他支护结构混合使用，基坑工程的开挖深度则可以适当放宽。对于成孔较困难的土层，会影响土钉墙的施工，所以不宜采用该方法，对于自身稳定性较差的软土层，使用土钉墙支护也无法取得很好的效果。

3.7 复合型支护结构

基坑工程是一项复杂程度较高的系统性工程，该工程所涉及的专业面广，施工工序复杂，并与许多学科联系密切，相互渗透。基坑工程的支护结构是将很多个具有独立功能的部分组成，每个独立结构都能很好的发挥其自身的功能，确保基坑施工安全。在设计过程中支护方案的选择也是非常重要的，应考虑整个工程的系统性。复合型支护结构是近年来发展起来的一种新型支护结构，其中心思想是将不同支护结构在同一基坑工程中同时使用，使其在功能上相互补充，共同发挥其自身的优势，脱离了传统的单一支护形式的理念。鉴于基坑工程的复杂性，在设计阶段对于支护结构的选择时，应该对基坑周围的各类地质条件充分考虑，并相应的采用多种支护结构相结合对基坑进行支护。将不同的支护体系进行组合，合理使用，充分发挥自身的优势，不仅能够节省施工工期，节约造价，还能使支护方案更加合理。

4 结语

基坑工程的支护形式是多种多样的，每一种支护形式所能够适应的地质、水文条件也均有差异，正确支护方案的选择对基坑工程的安全施工具有重要的意义。

[1] 李 亚.浅谈钢板桩在深基坑支护中的应用[J].交通科技,2010(4)：102-106.

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[3] 易智宏,曾继文,黄 安.地下连续墙“三合一结构”的施工技术[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2010(8)：32-27.

[4] 卢士华.浅谈土钉墙支护技术及在深基坑工程中的应用[J].恩施职业技术学院学报，2008(1)：55-59.

[5] 杨一希，郭 芳.基于有限元方法的基坑分步开挖水平位移数值模拟分析[J].企业技术开发，2013(11):4-5.

Discussion on common support form selection of deep foundation pit engineering

Yang Yixi

(HunanTransportationVocationalTechnicalCollege,Changsha410132,China)

This paper analyzed the main characteristics of deep foundation pit engineering, elaborated the foundation pit engineering support principle, and from sloping excavation, pile anchor support structure, underground continuous wall support structure and other aspects, introduced the common foundation pit support form, and summarized the characteristics of various support forms, helpful to rational selection of support scheme, so as to ensure the safety construction of foundation pit engineering.

deep foundation pit, support structure, foundation pit engineering

1009-6825(2016)05-0089-03

2015-12-01

杨一希(1982- )，男，讲师，工程师

TU463

A