基坑工程

大型深基坑工程不断涌现，

大型深基坑工程内支撑体系的主要特点有：内支撑体系复杂，相应的内支撑受力状况复杂，薄弱环节较多，支撑体系的稳定性也受到不同程度的影响。

开挖方式一般采用分区、分块的开挖方式，且由于开挖环境的复杂性和特殊性，多设置中立柱作为内支撑体系的中心支点和分区开挖的界限。

地铁基坑呈现超长、超宽，开挖方式的不同，支撑体系受力呈现各式各样的特点。 利用动态施工反演分析的方法，进行基坑开挖的预测预报及稳定性评价是可行的

朱合华,崔茂玉,刘学增,梁九承,金大暎.大型深基坑动态施工反演及稳定性分析[J].建筑结构学报,2000,06:74-80.

水平支撑作为基坑围护结构的内骨架, 在基坑支护体系中发挥着确保围护结构安全和稳定的重要作用。为围护结构提供有效的侧向刚度, 与围护结构和坑内土体一起共同承担坑外水土压力。

合理的水平支撑结构能有效地减小基坑变形与围护结构的受力。 水平支撑的受力变形计算是基坑设计中的难点

现有水平支撑受力计算方法为平面框架计算方法，其不足之处：

(1)不考虑支撑刚度变化对围护结构受力变形的影响, 水平支撑在平面内的刚度各不相同, 支撑刚度的变化对围护结构受力变形存在的影响；

(2)不考虑支撑所受侧向荷载而变形的影响,相应的围护结构对支撑的作用力也随支撑刚度的改变而改变。

将水平支撑-围护结构-土体共同工作分为两个相互作用体系：围护结构与支撑的相互作用体系；围护结构与土体的相互作用体系。

采用本文方法计算得到的支撑结构受力变形较为均匀, 结构体系受力合理。 如果不考虑支撑受力变形相关, 即采用平面框架计算方法, 由于基坑左右与上下两侧长度不一致, 支撑体系将向两侧挤压变形, 支撑结构受力变形分析结果无法满足要求。

李涛,马文援,胡琦.一种考虑受力变形相关的基坑水平支撑计算方法[J].浙江建筑,2010,09:24-26+29.

土体的模量比较难以取值，勘察报告一般只是提供Es，如果换算成变形（割线）模量，需要较多的经验。三维数值计算所得支撑体系受力比实测值要小一些，最根本的原因是土体的变形模量取值与实际情况相差很多。结构的内力是应变（即位移梯度）的函数，因此如果位移计算不准确，内力的可靠性就无从谈起。虽然三维模型更加符合实际，考虑了土、结构相互作用，考虑分步开挖工况，但是由于目前的工程经验不够，难以用于指导设计；而且采用总应力参数与实际情况也不符；同时，计算没有考虑流固耦合，也是造成计算结果的偏差。

尹骥,管飞,李象范.直径210m超大圆环支撑基坑设计分析[J].岩土工程学报,2006,S1:1596-1599.

深基坑工程是一个复杂的综合性岩土工程, 在施工过程中基坑内外的土体将由原来的静止土压力状态向主动土压力状态转变,坑底土体也随之逐步向被动土压力转变。应力状态的改变引起支护结构和土体的变形，进而影响到支撑体系的轴向压力的变化。在深基坑土方开挖过程中，施工监测不仅可以保证基坑支护体系和相邻环境的安全， 还可以验证支护结构设计计算是否合理， 指导基坑土方开挖和地下室的施工。

在基坑土方开挖过程中，支撑体系内部应力随着开挖深度的加大而不断增长，其中以1、2 层土体开挖过程中支撑轴力增幅最为明显。在实际施工过程中，应重视该阶段支撑轴力的变化以及支护桩体的变位。

对于多层支撑体系，从实测值和模拟的数据来看，下部支撑的轴力值相对较小，在设计过程中，可适当降低下部支撑的截面面积和配筋量，以降低成本，而且部分截面的支撑轴力已超过设计承载力的20%-40%，但支撑体系仍能正常工作。

重视在基坑开挖过程中混凝土围檩出现的拉应力问题。

从平面上来看，最外侧角撑常常出现高轴压，三角支撑也因应力传递问题而易出现较大轴压力。角撑上最先出现裂缝的位置并不是跨中点，而是在支撑梁段的1/4 长处，在实际监测工作中应对该位置进行重点观测。

王晓宇,司马军,周小俊,熊鹰.大型深基坑支撑轴力变化规律分析[J].江苏建筑,2009,S1:72-74+90. 施工监测已经成为地铁车站基坑施工中重要环节之一, 基坑工程现场监测的目的主要有： 1) 为施工开展提供及时的反馈信息； 2) 作为设计与施工的重要补充手段； 3) 作为施工开挖方案修改的依据；

4) 积累经验以提高基坑工程的设计和施工水平。开展地铁车站深基坑施工现场监测设计与实践研究, 尤其是复杂环境下关键部位的监测, 对指导施工意义重大。

杨臻.地铁车站盾构井深基坑施工监测及工程应用[J].山西建筑,2010,26:127-128.

在基坑开挖和支护工程设计中, 由于存在着许多不确定因紊, 仅依靠理论分析和经验估计是难以把握在复杂的开挖条件下基坑支护结构与土体的变形破坏, 也难以完成可靠而且经济的基坑设计 詹志勇.基坑变形分析和周围地面沉降的预测[J].建筑施工,2007,12:927-929.

围护墙和内支撑组成的基坑围护体系是一个空间结构,二者共同承受水土压力等荷载的作用,宜将其作为一个整体进行空间结构分析。但由于围护体系结构很大,构件很多,周围土体荷载分布较为复杂,采用空间体系计算较为困难,因此,通常将围护墙与内支撑结构分别独立分析。但应该考虑二者之间的相互作用和变形一致,使分别计算的结果与整体结构在受力和位移上达到协调一致,符合工程实际情况。

由相互作用原理建立围护墙和内支撑结构的简化计算模型,根据变形协调条件对围护墙和内支撑结构进行迭代分析,其计算结果与实际工程情况较为符合。

冯虹,杨敏,汤卫红.基坑围护结构的计算模型及计算方法[J].结构工程师,2000,03:40-43+39. 基坑工程具有以下几个特点：

a. 与工程地质及水文地质等自然地质及环境条件密切相关；

b. 与主体结构地下室的施工密切相关, 要合理地满足施工的易操作性和工期要求；

c. 技术综合性强, 结合了岩土工程知识和经验、建筑结构和力学知识、施工经验以及工程所在地的施工条件和经验等。

深基坑的支护体系由两部分组成：一是围护壁, 二是基坑内的支撑系统。为施工需要而构筑的深基坑各类支撑系统，既要轻巧又需具有足够的强度、刚度和稳定性，以保证施工的安全、经济和方便, 因此支撑结构的设计是目前施工方案技术设计的一项十分重要的内容。

深基坑开挖产生的土体位移引起周围建筑物、构筑物、管线的变形和危害, 对此必须在设计阶段提出预测和治理对策, 并在施工过程中采用监测、监控手段及必须的应变措施来确保基坑的安全和周围环境的安全. 随着城市建设发展, 建筑、市政行业在利用地下空间的深基础施工中对相邻建筑设施影响的控制越来越严格, 而对深基坑的施工技术必然提出更高要求, 因此完善基坑工程的计算理论和施工技术已是建筑、市政、水利等行业地下工程中的一个急待解决的工程技术问题.

朱雍.基坑支护与加固技术概述[J].广西大学学报(自然科学版),2006,S1:245-249.

在基坑开挖和支护工程设计中, 由于存在着许多不确定因素，仅依靠理论分析和经验估计是难以把握在复杂的开挖条件下基坑支护结构与土体的变形破坏,也难以完成可靠而且经济的基坑设计。但通过施工时对整个基坑工程系统的监测,可以了解其变化的趋势,利用监测信息的反馈分析,就能较好地预测系统的变

化趋势。当出现险情预兆时,可做出预警,及时采取措施,保证施工和环境的安全；当安全储备过大时,可及时修改设计,削减围护措施, 通过反分析,可修改计算模型、调整计算参数,总结经验,从而提高设计与施工水平,为城市建设中的环境保护作出贡献。

基坑工程的特点

1.地城性强。基坑工程与自然环境条件关系密切, 设计施工中应全面考虑水文地质、工程地质、施工场地、气象条件等具体情况。区域性条件差异大, 使基坑工程带有较强的地域性, 实践中切忌机械套用异地经验, 应充分注意到地区间的差异, 注意吸取当地工程设计施工中的成功经验和失败教训。

2.技术综合性强。基坑工程是一个综合性结构地基课题, 涉及岩土和结构两方面技术。它要求应用岩土知识经验合理选择参数进行土压力计算, 对基坑开挖的环境影响作出有效判断, 还要求了解主体结构的设计施工要求, 处理好临时性围护结构和永久性主体结构的关系, 并且要熟悉支撑体系的受力分析。

3. 实践性强。相对其他基础工程而言, 基坑工程的设计和施工更加密不可分, 施工工艺的变化、土层开挖的分区分块、支撑的施工时机和具体工艺等都将影响到支护结构的受力和变形, 决不是简单的设计计算简图能全面反映的。另外, 由于基坑工程涉及岩土及结构问题的复杂性, 故应重视实践经验的总结、借鉴, 加强对基坑本身和环境的监测。

影响变形的因素

基坑土质情况、基坑超载、基坑深度、桩墙深度、桩墙入土深度、桩墙材料、锚撑位置、锚撑刚度、锚撑间距、预应力水平、基坑分步开挖深度与宽度、支撑架设时间等都会对变形产生影响,影响基坑变形的因素比较复杂。要准确地计算出变形值十分困难, 能否控制破坏性变形, 是基坑支护成败的决定因素,亦是能否保护周围环境起着决定因素。而控制坑外附近地表沉降, 是防止和减少病害的根本所在,是需要重点解决的问题。地面沉降的主要原因有：

1）基坑开挖过程中的墙体水平位移和桩身挠曲变形； 2）因排水和降水导致挡土墙外土层的固结和次固结沉降； 3）坑底地基土回弹、塑性隆起； 4）坑外排水和抽水导致坑外砂土流失；

5）基坑内支撑拆除, 由于替换支撑刚度不足或围护桩和地下室外墙之间回填土不密实, 导致外侧土层向内变形；

6）施工质量和施工方法等原因。

许多工程是分布开挖的, 随着开挖的推进, 对支护结构来讲, 其插入深度是逐步减少的, 最大侧向位移的位置是在不断地变化的。

减小沉降的措施

（1）采取刚度较大的支护结构； （2）分层分段开挖, 并合理设置支撑； （3）基底土加固； （4）坑外注浆加固；

（5）增加维护结构入土深度和墙外帷幕； （6）尽量缩短基坑施工时间；

（7）降水时, 应合理选用井点类型, 优选滤网, 适当放缓降水漏斗线坡度, 设里隔水帷幕； （8）在保护区内设回灌水系统； （9）引尽量减少降水次数。

詹志勇.基坑变形分析和周围地面沉降的预测[J].建筑施工,2007,12:927-929.

目前通用的设计方法都是支撑结构与排桩支护分开计算, 即在计算支护桩结构时, 在有支撑位置假设受到一个固定支点或者弹性支点作用, 进而求得支座反力。再将这个支座反力反作用于内支撑结构体来计算支撑结构的内力和变形。但这种方法往往不能同时考虑支撑结构与排桩支护结构的协同工作, 特别是对基坑形状不规则、土质不均匀的情况更难以准确计算。

提出了一种考虑支撑-支护-土体共同工作的整体空间计算方法, 该方法将支撑与排桩支护视为协同工作的结构体系。

方东.考虑支撑结构协同工作的基坑支护整体计算法[J].工业建筑,2006,S1:704-706+717.

内支撑体系的设计需要考虑许多因素, 综合起来有：

1.能够因地制宜合理选定支撑材料和支撑体系布置形式, 使其综合技术指标得以优化；

2.支撑体系受力明确, 充分协调发挥各种杆件的力学性能, 安全可靠, 经济合理, 能够在稳定性和控制变形方面满足对周围环境保护的设计标准要求；

3.支撑体系布置能在安全可靠的前提下, 最大限度地方便土方开挖和主体结构的快速施工要求。 钢支撑实际受力远比设计值要小, 造成了不必要的浪费, 究其原因有以下几方面：

(l) 业主方提供的荷载偏大。作者无从了解其根据, 但有一点可以肯定这个取值是偏于保守的。 (2) 没有充分利用紧邻建筑基础埋深较深的有利条件, 而过分地考虑了局部超载这一不利条件。 (3) 基坑开挖是一个动态过程, 钢支撑的各杆件在开挖过程中受力转换及土压力的协同作用方面目前尚无一完善的理论, 缺乏这方面的经验。

( 2 ) 目前对局部超载、土压力、钢支撑各杆件之间的相互关系及随基坑开挖的力的转换尚缺乏完善的计算方法。应当加强这方面的研究。

陈浩生.内支撑支护体系在北京国贸二期深基坑工程中的应用[J].岩土工程技术,1997,04:47-50+62.

在软土深基坑的支护中,影响内支撑受力的因素很多,但主要可以从以下4个方面考虑：①基坑外侧主动区；②基坑支护体系本身；③基坑内侧的被动区；④基坑开挖的顺序。

但这4个方面都存在着一定的问题有待解决,比如主动区和被动区的土压力很难准确测定；水平内支撑产生预应力损失；实际开挖过程与设计开挖过程不完全一致；

在目前现有的技术水平和理论知识的基础上，结合场地土的性质以及基坑周边特定环境来制定合理的开挖顺序，还是能够获得较好的支护效果。

尹建峰,杨德健,韩燕.浅析软土深基坑支护中支护体的受力问题及影响因素[J].天津城市建设学院学报,2005,02:86-89.

由于基坑无规则的开挖支撑，开挖中被扰动地层土体的应力路径及土体的参数变化无常，致使基坑变形无法准确预测，因而不能科学地采取治理对策。

在基坑设计计算中定量地考虑以时间空间效应为主要特征的基坑开挖与支撑的施工因素，建立了考虑时空效应的基坑控制变形设计的理论和方法。

合理而可靠地选取施工工序和施工参数，就能在设计中科学地考虑时空效应为主要特征的施工因素。 由于支护结构的结构形式及计算参数随着施工的进程是逐渐变化的, 因此不同工况下支护结构的计算模型不尽相同。对各施工工况计算的位移与内力要按求解非线性问题的增量法叠加上前一个施工工况已产生的位移和内力。

由于地层的各向异性和不均匀性以及地层在施工扰动时发生的难以预测到的不明确因素, 在施工过程的各个阶段还可能发生某些偏离预测值的现象, 这就必需在施工过程进行实时监测和实时控制。该项工作是保证地下工程的实际地层位移符合预测的一个关键环节。

考虑时空效应的软土深基坑设计与施工技术理论和方法, 已在工程实践中应用并取得明显效果。该技术可调动软土自身控制变形的潜力, 是一条安全经济而有效的新技术途径。

以科学的施工工艺和施工参数作为设计的必要依据, 是实现设计控制变形要求的关键。

超深基坑支护结构用考虑多种施工参数的时空效应理论来进行分析计算比起常规方法来更符合实际。

由于施工工艺偏差和有限元模拟的局限性，设计前的模拟仅能反映人为设定条件下，支撑体系受力及变形规律，并不能真实、准确地描述实际支撑受力、变形状态。目前基坑围护极支撑体系设计现状：先保

守设计，计算过程中大量采用安全系数，设计前并没考虑后期施工工序及施工质量影响。后期，也未能结合现场施工过程的监测数据对前期设计进行论证，研究前期设计的经济性、合理性及必要性，进而优化设计方案。由于基坑工程所处地层地质的唯一性，使得工程师不得不有区别地对待每一个工程。