民营斜技 蒲百 建筑・规划・设计 深基坑支护变形机理及设计施工 耿桂波 （日林建设集团有限公司，辽宁丹东１１８０００） 摘要：许多城市的高层建筑施工都需开挖深度较大的基坑，给施工带来很多困难，尤其在软土地区或城市建筑物密集地区。施工场地邻近的 已有建筑物、道路、纵横交错的地下管线等对沉降和位移很敏感，不允许采用较经济的放坡开挖，而需在人工支护奈件下进行基坑开挖。支护结掏如 何选型、进行合理的布置和设计，这些会直接影响如何组织施工，以及施工过程中的支护结构监测和环境保护等问题。支护结构的设计和施工。影响 因素众多，如土层种类及其物理力学性能、地下水情况、周围形境、施工条件和施工方法、气候等因素都对支护结构产生影响；再加上荷栽取值的精 确性和计算理论方面存在的问题，要想使支护结构的设计完全符合客观实际，目前还存在一定的困难。为此，虽然支护结构多数都属于施工期间挡 土、挡水、保护环境等所用的临时结构，但其设计要在保证施工安全的前提下，尽力做到经济合理和便于施工。 关键词：深基坑，支护技术；支护结构；设计；施工 １基坑支护结构的设计原则与方法 形范围及幅度，因墙体的变形不同而有很大差异，墙体变形往往是引起 基坑支护结构设计的原则为：安全可靠；经济合理；便于施工。根据 周围地层移动的重要原因。 现行国家行业标准《建筑基坑支护技术规程》，基坑支护结构应采用分项 ３深基坑支护结构设计 系数表示的极限状态设计表达式进行设计。基坑支护结构的极限状态， 基坑支护的设计内容一般包括：支护体系的方案比较和选型（挡墙 分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。承载能力极限状态对 和支撑体系）；支护结构的强度和变形验算。进行设计时应考虑的荷载 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 有：土压力、水压力、地面超载、影响范围内建（构）筑物产生的侧向荷载、 或基坑周围环境破坏；正常使用极限状态对应于支护结构的变形已经妨 施工荷载及邻近基础工程施工的影响。 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 １）支护结构挡墙的选型。 支护结构挡墙的选型，涉及技术因素和经济因素，要从满足施工要 应进行承载力极限状态的计算，计算内容包括： １）根据基坑支护形式及其受理特点进行土体稳定性计算； 求、减少对周围的不利影响、施工方便、工期短、经济效益好等几方面。经 ２）基坑支护结构的受压、受弯、受剪承载力计算； 过技术经济比较后加以确定。而且支护结构挡墙选型要与支撑选型、地 ３）当有锚杆和支撑时，应对其进行承载力计算和稳定性验算。对于 下水位降低、挖土方案等配套研究确定。 安全等级为一级和对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，尚应对 支护结构中常用的挡墙结构及其适用范围如下： 基坑周边环境及支护结构变形进行验算。 ａ．钢板桩。钢板桩常用的有简易的槽钢钢板桩和热轧锁口钢板桩。 ２深基坑支护变形机理 其中热轧锁口钢板桩的形式有ｕ型、ｚ型、一字型、Ｈ型和组合型。我国 基坑周围地层移动是基坑工程变形控制设计中的首要问题，有不少 般常用者为ｕ型，即互相咬接形成板桩墙，只有在基坑深度很大时才 工程因支护结构变形过大，导致围护结构破坏或围护结构虽未破坏但周 用组合型。 ｂ．钢筋混凝土板桩。这是一种传统的支护结构，截面带企口有一定 围建筑物墙体开裂甚至倒塌的严重后果。在基坑支护设计中需要考虑地 层移动机理及支护结构变形、坑底隆起机理。基坑开挖过程也是基坑开 挡水作用，顶部设圈梁，用后不再拔除，永久保留在地基土中，过去多用 挖面逐渐卸掉荷载的过程，由于卸荷而引起坑底土体产生向上为主的位 于钢板桩难以拔除的地段。 移，同时也引起围护墙在两侧压力差的作用下产生水平位移，因此产生 ｃ．钻孔灌注桩排桩挡墙。常用直径为６００～１０００ｒａｍ，做成排桩挡墙， 设内支撑体系。我国各地都有应用，是支护结 基坑周围地层移动。所以，一般情况下，基坑开挖引起基坑周围地层移动 顶部浇筑钢筋混凝土圈粱，的主要原因是坑底土体隆起和围护墙的位移。 构中应用较多的一种。 灌注桩挡墙的刚度较大，抗弯能力强，变形相对较小，在土质较好的 １）坑底土体隆起。基底隆起量的大小是判断基坑稳定性和将来建筑 物沉降的重要因素之一。坑底隆起是垂直方向卸荷改变坑底土体原始应 地区已有７～８ｍ悬臂桩，在软土地区坑深不超过１４ｍ皆可用之，经济效 可能为日后的地下工程施工造成障 力状态的反应，在开挖深度不大时，坑底土体在卸荷后发生垂直的弹性 益较好。但其永久保留在地基土中，隆起。当围护墙底为清孔良好的原状土或注浆加固土体时，围护墙随土 碍。由于目前施工时难以做到相切，桩之间留有１００～１５０ｍｍ的间隙，挡 有时与深层搅拌水泥土桩挡墙组合应用，前者抗弯，后者做成 体回弹而抬高。坑底弹性隆起的特征为坑底中心部位隆起最高，而且坑 水效果差， 底隆起在开挖停止后很快停止。这种坑底隆起基本不会引起基坑周围地 防水帷幕起挡水作用。ｄ．Ｈ型钢支柱、木挡板支护挡墙。这种支护结构适用于土质较好、地 层的移动。随着开挖深度增加，基坑内外的土面高差不断增大，当开挖到 定深度，基坑内外土面高差所形成的加载和地面各种超载的作用就会 下水位较低的地区，国外应用较多，国内也有应用。如北京京城大厦深 使围护墙外侧土体产生向基坑内移动，使基坑坑底产生向上的塑性隆 ２３．５ｍ的深基坑即用这种支护结构，它将长２７ｍ的４８８ｍｍｘ３００ｍｍ的Ｈ 起。同时在基坑周围产生较大的塑性区，并引起地面沉降。另外，基坑开 型钢按１．１ｍ间距打入土中，用三层土锚拉固。Ｈ型钢支柱按一定间距打 人，支柱间设木挡板或其他挡土设施，用后可拔出回收重复使用，较为经 挖后，墙体向基坑内移动，当基底面以下部分的墙体向基坑方向移动时 推挤墙前的土体，造成基底隆起。基坑隆起量的大小除和基坑本身特点 济，但一次性投资较大。 ｅ．地下连续墙。地下连续墙已成为深基坑的主要支护结构挡墙之 有关外，还和基坑内是否有桩、基底是否加固、基底土体的残余应力等密 国内大城市深基坑工程利用此支护结构为多，常用厚度为６０ｏ～ 切相关。因此，计算基底隆起量的方法虽然很多，但多数方法的计算结果 １０００ｒａｍ，目前也可施工厚度４５０ｍｍ的，上海至今已完成１００多万平方 和实测值相差较大。 ２）围护墙的位移。围护墙墙体的变形从水平向改变基坑外围土体原 米地下连续墙。尤其是地下水位高的软土地区，当基坑深度大且邻近的 构）筑物、道路和地下管线相距甚近时，往往是首先考虑的支护方案。 始应力状态而引起地层移动。基坑开始开挖后，围护墙便开始受力变形。 建ｆ在基坑内侧卸去原有土压力时，在墙体外侧则受到主动土压力。而在基 上海地铁的多个车站施工中都采用地下连续墙。 ２）支撑体系的选型。 坑的围护墙内侧则受到全部或部分被动土压力。由于总是开挖在前，支 当基坑深度较大，悬臂的挡墙在强度和变形方面不能满足要求时， 撑在后，所以围护墙在开挖过程中，安装每道支撑以前总是已发生一定 的先期变形。一般挖到设计坑底标高时，墙体最大位移发生在坑底面上 即需增设支撑系统。支撑系统分两类：基坑内支撑和基坑外拉锚。基坑外 １￣２ｍ处。围护墙的位移使墙体主动土压力区和被动土压力区的土体发 拉锚又分为顶部拉锚与土层锚杆拉锚，前者用于不太深的基坑，多为钢 在基坑顶部将钢板桩挡墙用钢筋或钢丝绳等拉结锚固在一定距离 生位移。墙外侧主动土压力区的土体向坑内水平位移，使背后土体水平 板桩，应力减小，以致剪应力增大，出现塑性区，而在基坑开挖面以下的墙内侧 之外的锚桩上。土层锚杆锚固多用于较深的基坑。 ～ 被动土压力区的土体向坑内水平位移，使坑底土体加大水平向应力，以 目前支护结构的内支撑常用的有钢结构支撑和钢筋混凝土结构支 撑两类。钢结构支撑多用圆钢管和Ｈ型钢。为减少挡墙的变形，用钢结 致坑底土体增大剪应力而发生水平向挤压和向上隆起的位移，在坑底处 形成局部塑性区。因此，同样地质条件和开挖深度下，深基坑周围地层变 构支撑时可用液压千斤顶施加预顶力。 一一一，