1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

前言

深基坑开挖与支护结构是基础和地下工程施工中的一个传统课题，也是一个综合性的岩土工程难题，涉及工程地质、水文地质、工程结构、施工工艺和施工管理。随着城市居住空间的发展，高层、超高层建筑以及地下工程的不断涌现，对基坑工程的要求越来越高，出现的问题也越来越多，促使工程技术人员以新的眼光去审视这一古老课题，使许多新的经验和理论的研究方法得以出现和成熟。

在我国，20世纪80年代以后，随着经济发展和城市建设的需要，土地资源紧张的矛盾日益突出，向高空、向地下争取建筑空间成为一个发展趋势，对基坑工程的研究逐步发展起来。特别是20世纪90年代以来，随着城镇建设中高层及超高层建筑的大量涌现，深基坑工程越来越多，同时密集的建筑物、复杂的深基坑形式，使得基坑开挖的条件越来越复杂。因此，对基坑开挖与支护的计算与设计理论、施工技术等的要求也越来越高[1][2]。

1.基坑支护技术国内发展背景

90年代以来，随着国民经济的发展，我国一些城市高层建筑越来越多，建筑物基础也越建越深，对深基坑的开挖支护技术也提出新的要求。90年以前高层建筑较少，基础开挖深度较浅，所以基坑支护多以放坡开挖或悬臂式支护为主。90年以后高层建筑逐年增多，基坑开挖也逐渐加深，一般为2-3层地下室，这时基坑的支护再以放坡开挖或悬臂式支护已不经济并难以满足要求，所以多以地下连续墙桩锚支护或墙锚排桩支护为主，桩锚支护或墙锚排桩支护在技术上虽然安全可靠，但工程造价较高。到了94年以后，随着高层建筑的日益增多，对深基坑支护技术的要求也越来越高。在技术上不仅安全可靠，而且要求经济节约。从而出现了土钉和土钉墙加预应力锚索综合技术。土钉和土钉墙加锚索综合技术的出现为深基坑的开挖带来巨大的经济效益和社会效益。因为它不需要单独的施工工期，可以与挖土同步施工，所以施工速度快，而且经济。一般其单位工程造价仅为桩锚支护工程单位造价的1/2-1/3，而且在技术上安全可靠。所以94年以后在基坑支护工程中土钉支护已占主流，约占总基坑支护工程的70%以上。尽管土钉支护技术有很多优点，但是该项技术也有一定的局限性和适应范围，例如在淤泥、砂层以及地下水位较高的土层就不宜应用，否则就会失去该项技术的优越性。所以，在不同的工程地质及水文地质条件和不同周围环境条件下，选择不同的支护方案是重要的。不管是桩支护，还是桩锚支护，或是土钉墙支护都有它的优点和局限性，只有对这些技术的深刻理解及合理运用才会收到好的效果。近年来随着深基坑开挖工程的逐渐增多，深基坑支护技术有了很大的发展，例如逆作法就是一项近几年发展起来新兴的基坑支护技术。未来随着城市居住空间的进一步发展，高层、超高层建筑以及地下工程的进一步不断涌现，基坑支护技术有待进一步提高与更新[3]。

2.1基坑支护的原则与依据

深基坑工程设计的原则为：

1)安全可靠性原则：满足支护结构本身强度、稳定性以及变形的要求，并要确保周围环境的安全;

2)经济合理性原则：在支护结构安全可靠的前提下，要从工期、材料、设备、人工以及环境保护等方面综合确定具有明显技术经济效果的方案;

3)施工便利性原则：在安全可靠经济合理的原则下，最大限度地满足方便施工。

4)工期短的原则：深基坑支护工程具有时效性，时间越长基坑的危险性越高，尽量采用工期较短的支护方案;

5)保护环境原则：深基坑工程尽量减少对环境的危害，有条件的情况下尽量选择环保的支护方案[4]。

根据中华人民共和国行业标准《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012) 的规定，基坑支护结构应采用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：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：对应于支护结构的变形己妨碍地下结构施工，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 基坑主要支挡方法、技术类型

基坑工程中采用的围护墙、支撑（或土层锚杆）、围檩、防渗帷幕等结构体系总称为支护结构。

挡土系统：常用的有钢板桩、钢筋混凝土板桩、深层水泥搅拌桩、钻孔灌注桩、地下连续墙。其功能是形成支护排桩或支护挡土墙阻挡坑外土压力。

挡水系统：常用的有深层水泥搅拌桩、旋喷桩、压密注浆、地下连续墙、锁口钢板桩。其功能是阻挡抗外渗水。

支撑系统：常用的有钢管与型钢内支撑、钢筋混凝土内支撑、钢与钢筋混凝土组合支撑。其功能是支承围护结构侧力与限制围护结构位移。

目前经常采用的主要基坑支护类型有：

（1）放坡开挖

放坡开挖施工工艺简单、工程造价低、施工工期较短，在条件允许时应优先选用。其选用的必要条件是场地开阔，其次是土质较好，地下水位较低，还应具备符合边坡稳定的充分条件。当场地为杂填土、黏性土或粉性土环境条件允许下，降水后不会对相邻建筑物、道路及管线产生不利影响时，亦可采用放坡开挖。

对于放坡开挖，为了维持坡面稳定，在必要时，可对基坑放坡坡面采用保护处理措施，可采用水泥抹面、铺塑料布或土工布、挂网喷水泥浆、喷射混凝土护面以及浆砌片石等，还可采用土钉墙、螺旋锚、喷锚以及在坡脚处堆砌草袋、土工织物砂土袋或砌筑砖石墙等措施。当基坑深度超过5.0m，在软土地区不能采用一次放坡，需要设置多级平台，需采用按平台分层开挖的方法，平台的宽度需根据土体的整体稳定性验算确定，一般要求设1.5m宽平台，这是指最小的施工作业宽度

对于土质边坡设计的坡度允许值参考如下

表2-1土质边坡设计的坡度允许值[5]

放坡开挖的基坑，其稳定性验算可采用简单条分法。对于正常固结土，可采用总应力法确定土体的抗剪强度，采用固结快剪峰值指标。安全系数应根据土层性质和基坑规模等条件确定：一级基坑取1.38~1.43；二、三级基坑取1.25~1.30.快速卸荷的边坡验算，当采用直剪快剪试验的峰值指标是，安全系数可相应减少20%。采用简单条分法验算稳定性时，对于土层性质变化较大的土坡，应分别采用各土层的重度和抗剪强度。当含有可能出现流砂的土层时，宜采用井点降水或电渗排水措施，渗透力可采用替代重度法确定。

基坑采用放坡开挖这不仅施工简便，而且比较经济。但是在一些软土地区，地下水位距离地表只有0.5~1.0m，即使采用设计安全系数较大的边坡，也未必能完全避免土体的移动或地表变形，当土体的移动或地表变形的范围和幅度达到一定程度时，就会产生边坡滑移，对周围环境产生严重影响，严重影响施工安全。由此可见，虽然放坡开挖经济简便，但无法完全保证施工安全与质量。

（2）土钉墙支护

土钉是用来加固现场原位土体的细长杆件，通常采用钻孔，放入带肋钢筋并沿孔全长注浆的方法制成。它依靠于土体之间的粘结力或摩擦力，在土体发生变形时被动承受拉力作用。它由密集的土钉群、被加固的土体、用喷射混凝土面层形成支护体系。由于随挖随支，能有效地保持土体强度，减少对土体的扰动[6]。

土钉墙支护使用于地下水位以上或经人工降水后的人工填土、黏性土或弱胶结砂土，开挖深度为5~10m的基坑支护。土钉墙支护不适用于含水丰富的粉细砂层、砂砾卵石层、饱和软弱土层，亦不适用于对变形有严格要求的基坑支护。

（3）复合土钉墙

复合土钉技术是指土钉与其他传统工法如排桩、地下连续墙、锚杆（索）等有机、合理复合而成的新型支护结构形式，它弥补了一般土钉墙的许多缺陷和使用限制，极大地扩展了土钉墙技术的应用范围。适用于一般岩土介质，也适用于不良地质体，适用于可塑、硬塑或坚硬的黏土，胶结或弱胶结（包括毛细水粘结）的粉土、砂土和角砾，填土，风化岩土，松散砂土，软塑和流塑黏土等。

复合土钉墙技术具有安全可靠，造价低、工期短、使用范围广等特点，获得了越来越多的工程运用。以薄层的水泥土桩墙或压管注浆等超前支护措施来解决土体的自立性、隔水性及喷射混凝土面层与土体的粘结问题；以水平向压密注浆及二次压力灌浆来解决围护墙土体加固和土钉抗拔问题；以一定的插入深度来解决坑底隆起、管涌和渗流等问题；即以止水帷幕、超前支护和土钉三者组成复合土钉支护技术[7]。

（4）水泥土搅拌桩围护

它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂，通过深层搅拌机械边钻进边往软土中喷射浆液或雾状粉体，在地基深处就地将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，使喷入软土中的固化剂与软土充分拌和在一起，由固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，形成的抗压强度比天然土强度高得多，并具有整体性、水稳性的水泥加固土桩柱体，由若干根这类加固土桩柱体和桩间土构成复合地基。

深层搅拌法最适宜于各种成因的饱和软土，包括淤泥、淤泥质土、粘土和粉质粘土等，加固深度从数米至30～40m。一般认为含有高岭石、多水高岭石与蒙脱石等粘土矿物的软土加固效果较好；含有伊利石、氯化物等粘性土以及有机质含量高、酸碱度（pH）较低的粘性土的加固效果较差。当地表杂填土层为厚度大于100mm 的石块时，一般不宜使用搅拌桩。

搅拌桩的平面布置可视地质条件和基坑围护要求，结合施工设备条件，分别选用桩式、块式、壁式、格栅式或拱式，它在深度方向可采取长短结合形式。

搅拌桩是一种具有一定刚性的脆性材料所构成，其抗拉强度比抗压强度小得多，在工程中要充分利用抗压强度高的特点，”重力坝”式挡墙就是利用结构本身自重和抗压不抗拉的一种结构形式。

水泥土围护结构的计算包括墙身压应力、抗渗计算、抗滑移、抗倾覆及整体稳定验算。

（5）重力式挡土墙

重力式挡土墙一般有砖、石或混凝土材料建造，依靠墙身的自重来抵抗由于土压力引起的倾覆力矩。由于墙身较重，对地基承载力要求较高，一般在地基较好且墙的高度较小时采用。重力式挡土墙结构简单、施工方便、就地取材，在建工程中被广泛应用。依墙背倾斜方向可分为仰斜、直立和俯斜三种。但当墙高在8~12m时宜采用衡重式（指的是利用衡重台上部填土的重力而使墙体重心后移以抵抗土体侧压力的挡土墙）。

在重力式挡土墙中，仰斜墙主动土压力最小，而俯斜墙主动土压力最大。从挖、填方要求来说，边坡是挖方时，仰斜较为合理，因为仰斜背可以和开挖的临时边坡紧密贴合；反之，填方时如果用俯斜墙，则墙背填土的夯实工作较为困难，因而选用俯斜或墙背垂直较合理。总而言之，墙前地形平坦时，用仰斜较好；墙前地形较陡，则用俯斜或墙背垂直较好 [8]。

为了减少作用在挡土墙背上的主动土压力，除了可采用仰斜墙外，还可从选择填料、墙身截面形状（特别是墙背形状和构造）以及新型墙体形式等方面来考虑，如折线性墙背有利于减小主动土压力外，还可采用带有卸荷平台的挡土墙。卸荷平台以上部分墙背所受的主动土压力按照郎肯土压力公式计算，而平台以下部分墙背所受的土压力只与平台以下的填土的重度有关。卸荷平台一般设置在墙背中部附近，并向后伸得越远则减压作用越大，以伸到滑动面附近为最好。

（6）排桩支护

排桩是指队列式间隔布置钢筋混凝土挖孔、钻孔灌注桩，作为主要的挡土结构，其结构形式可分为悬臂支护或单锚杆、多锚杆结构，布桩形式可分为单排或双排布置。排桩支护应用比较广泛，一、二、三级基坑皆可适用。一般的，当基坑深度h为8~14m、周围环境要求严格时，多考虑采用钻孔灌注桩。在地下水位较高的地区，为挡水需要而采用的施工机械又无法使桩相互咬合时，则多采用钻孔灌注桩排桩和水泥土墙的复合结构，排桩承受侧向力，水泥土墙起挡水作用，在计算中不考虑其参与受力。钻孔灌注桩的嵌固深度、桩径和配筋，需根据坑深、支撑布置和周围环境要求来确定[9]。

排桩不相互咬合时，桩间有100~150mm的间隙，为挡水起见，多在其后隔开100~150mm施工1200mm厚的水泥土墙，当基坑边至红线间的尺寸不足以施工灌注桩水泥土桩墙防水帷幕时，亦可在水泥土桩墙中套打灌注桩。在砂土或含砂多的黏性土中，为确保围护墙不漏水，有时在灌注桩与水泥土墙的间隙中进行注浆。当采用全套管施工法施工时，可使排桩相互咬合，其挡水能力也能满足要求。

当周围环境保护要求严格时，为减少排桩的变形，在软土地区有时于基坑底沿灌注桩周边或部分区域用水泥土或注浆进行被动区加固，加固形式主要有周边加固、局部加固、齿形加固等，以此来提高被动区的抗力，减少围护墙的变形。

（7）钢板桩

钢板桩是一种施工简单、投资经济的支护方法，它由钢板桩、锚拉杆（或内支撑、锚碇结构、腰梁等）组成。钢板桩具有较高的可靠性和耐久性，在完成支挡任务后，可以回收重复利用；与多道钢支撑结合，可适合软土地区的较深基坑，施工方便，工期短。钢板桩的施工可能会引起相邻地基的变形和产生噪声振动，对周围环境影响很大，因此在人口密集、建筑密度很大的地区，其使用常常会受到限制。

但由于钢板本身柔性较大，如支撑或锚拉系统设置不当，其变形会很大，因此当基坑深度达7m以上的软土地层，基坑不宜采用钢板桩支护，除非设置多层支撑或锚拉杆。

（8）SMW工法

SMW工法亦称新型水泥土搅拌桩墙。 SMW工法是利用专门的多轴搅拌机就地钻进切削土体，同时在钻头端部将水泥浆液注入土体，经充分搅拌混合后，再将H型钢或其他型材插入搅拌桩体内，形成地下连续墙体，利用该墙体直接作为挡土和止水结构。其主要特点是构造简单，止水性能好，工期短，造价低，环境污染小，特别适合城市中的深基坑工程[10]。

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。

（9）地下连续墙

地下连续墙的施工工艺是利用特制的成槽机械在泥浆（又称稳定液）护壁的情况下进行开挖，形成一定槽段长度的沟槽；再将在地面上制作好的钢筋笼放入槽段内。采用导管法进行水下浇筑，完成一个单元的墙段，各墙段之间采用特定的接头方式进行相互联接，形成连续的地下钢筋混凝土墙。地下连续墙围护呈封闭状，则在基坑开挖后，加上支撑或锚杆系统，就可以起到挡水和止水作用，更有利于深基础的施工 [11]。

地下连续墙有很多优点。墙体刚度大、整体性好，因而结构和地基变形很小，既可用于超深围护结构，也可用于主体结构；适用于各种地质条件，对砂卵石地层或要求进入风化岩层时，钢板桩就难以施工，但却可采用合适的成槽机械进行地下连续墙施工；可减少工程施工对环境的影响，施工时振动少，噪音低，对周围相邻工程结构和地下管线的影响较小，对沉降及变位较易控制；可进行逆作法施工，缩短工期，降低造价。

但是，地下连续墙施工法也有些不足之处。对废泥浆的处理不但会增加工程费用，一但泥水分离技术不完善或处理不当，会造成新的环境污染；槽壁坍塌问题，如地下水位急剧上升、护壁泥浆液面急剧下降、土层中有软弱疏松的砂性夹层、泥浆变质，施工管理不当均有可能造成槽壁坍塌，一旦坍塌就会造成邻近地面沉降，危害邻近工程结构和地下管线的安全。

地下连续墙围护比排桩与深层搅拌桩的造价要高，要根据基坑开挖深度、土质情况和周围环境情况，并经技术经济比较认为经济合理方可采用。一般来说，当在软土层中基坑开挖深度大于10米，周围相邻建筑或地下管线对沉降和位移要求较高，或用作主体结构的一部分，或采用逆作法施工时，可采用地下连续墙。

2.3基坑主要支撑方法、技术类型

支撑有钢和混凝土之分。钢支撑多为H形钢或钢管，规格按计算确定。钢支撑自重轻，装拆方便且迅速，可减少围护墙由于无支撑时间长、土体蠕变而变形增大，即减少时间效应；还可施加预应力；还可根据围护墙变形的发展及时调整预应力值，以控制变形；钢支撑是工具式结构，可多次重复使用，亦多由专业队伍施工。因此钢支撑优点显著，条件允许时宜优先选用，但其节点构造相对复杂，刚度也不如混凝土支撑，且多为直线杆件，无法适应曲线支撑的需要[12]。

现浇的混凝土支撑在软土地区应用也较广泛，它布置形式灵活，无论是曲线还是直线杆件，现浇均无困难；整体性好、刚度大，有利于控制围护墙变形和保护周边环境；由于承载能力大，支撑间距大，便于机械挖基坑土。其缺点是不能重复使用，用后须拆除，可采用控制爆破或人工拆除，由于采用控制爆破，对周围环境会造成一定的影响，所以在某些特定条件下只能用人工拆除；混凝土支撑的浇筑和养护时间较长，如果组织不当，工期影响较显著。

在实际工程中，可结合基坑深度、基坑形状、周围环境保护要求和挖土方法，经比较后先用支撑类型；当然也可在同一基坑中同时采用钢支撑（多在下部）和混凝土支撑（多在上部），各用其所长。

支撑的平面布置主要取决于基坑形状和平面尺寸，常用的有角撑、对撑、边桁架、边框架、圆拱形撑等。设计支撑平面布置时，应注意避免妨碍主体工程施工，支撑轴线应避开主体工程的柱网轴线。支撑布置要便于挖土，边桁式、圆拱式和角撑均能提供较大的空间，便于机械挖土和运土。支撑的水平间距不宜过小（机械挖土不宜小于8m），以满足机械施工要求；为使围檁受力合理，当相邻支撑间的水平距离较大时，宜在支撑端部设置八字撑易减少支撑点间距，八字撑宜左右对称；立柱一般应设置在纵横向支撑的交点处或平面桁（框）架式支撑的节点处，并应避开主题工程梁、柱及称重墙位置，立柱的间距取决于支撑杆件的稳定和竖向荷载的大小，一般不宜超过15m。

2.4基坑常见的止（降）水方法、技术类型

在沿海软土地区，一般地下水位都比较高，当地层中有厚层饱和淤泥质土、粘质粉土、砂质粉土或粉砂等，基坑开挖时，坑内地下水位必然大大低于四周，周围的地下水向坑内渗流，产生渗透力。为了防止由此产生的渗流破坏，基坑必须有止（降）水方案。

地下水控制的设计和施工应满足支护结构设计要求，应根据场地及周边工程地质条件、水文地质条件和环境条件并结合基坑支护和基础施工方案综合分析确定，地下水控制方法可分为集水明排、降水、截水和回灌等型式，单独或组合使用。

2.4.1降水

工程降水是基坑工程的一个难点。由于土质和地下水位的条件不同，基坑开挖的施工方法大不相同。在地下水位以下开挖基坑时，采用降水的作用是：

（1）截住基坑边坡面及基底的渗水；

（2）增加边坡的稳定性，并防止基坑从边坡或基底的土粒流失；

（3）减少板桩和支撑的压力，减少隧道内的空气压力；

（4）改善基坑和填土的砂土特性；

（5）防止基底的隆起和破坏。

降水有各种不同的方法，应视工程性质、开挖深度、土质特性及经济等因素进行考虑。在选择和设计基坑降水前，必须由甲方提供工程地质勘察资料，建筑物平面图和立面图，建筑物场地附近房屋平面图等，对于重大工程，设计人员除掌握相应资料外，必须在设计前到工程现场亲自了解，最好能目测各土层的土样，对将来降水工程的布置及其与邻近建筑物的影响。

降低地下水位的常用方法可分为明沟降水和井点降水两类。明沟降水由于其制约条件较多，尚不能得到广泛的应用，而井点降水的适用条件较广，并经过二十多年来的应用、发展和改进，已形成了多种井点降水的方法。目前常用的井点降水方法有：轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井点，辐射井点等。这些有效的降水方法现已被广泛用于各种降水工程中，但由于降低地下水位以后，可能带来一些不良影响，如地面沉降，邻近已有建筑物或构筑物的安全稳定及残留滞水的处理等。

表2-2各类井点降水的适用范围[13]

明沟降水是在基坑内设置排水明沟或渗渠和集水井，使进入基坑内的地下水沿排水沟渠流入井中，然后用水泵将水抽出基坑外的降水方法。明沟降水一般适用于土层较密实，坑壁较稳定，基坑较浅，降水深度不大，坑底不会产生流砂和管涌等的降水工程。

在地下水位以下施工基坑工程时，通常采用井点（垂直和水平井点）降水法来降低地下水位。垂直井点常沿基坑四周外围布设，水平井点则可穿越基坑四周和底部，井点深度大于要求的降水深度，通过井点抽水或引渗来降低地下水位，实现基坑外的暗降，保证基坑工程的施工。经井点降水后，能有效地截住地下渗流，降低地下水位，克服基坑的流砂和管涌现象，防止边坡和基坑底面的破坏；减少侧土压力，增加挖掘边坡的稳定性，有利于边坡的支护和施工；防止基底隆起和破坏，加速地基土的固结作用；有利于提高工程质量，加快施工进度及保证施工安全 [14]。

2.4.2止水帷幕

在城市中由于深基坑降水，总会引起地面产生一定的沉降，影响邻近建筑物和管线。最好的办法是采用止水帷幕，将坑外地下水位保持原状，仅在坑内降水。目前，采用钻孔压浆成桩法、地下连续墙、板桩、深层搅拌桩墙等止水结构形式，效果均较好。其入土深度，取决于土层的透水性，防止出现管涌、流砂等问题。

采用防水帷幕，用来阻止或限制地下水渗流到基坑中去。采用防水帷幕后，有时还需要在帷幕内或外面降水。常用的防渗帷幕有以下三种：

(1)水泥土搅拌桩 连续搭接的水泥土搅拌桩，是一种最常用的防渗止水结构。水泥土挡墙可以同时起到挡土和止水作用。在钻孔桩排桩挡土时，可以用水泥土搅拌桩止水。

(2)地下连续墙 地下连续墙一般能达到自防渗，不会产生渗漏情况。地下连续墙的防渗薄弱点是墙段间的接头部位，在防渗要求较高时，可在墙段接头处的坑外增设注浆防渗。

(3)水泥和化学灌浆帷幕 在透水的土层内，沿基坑喷射水泥 化学浆以填充土的孔隙，灌浆孔一个紧靠以形成连续防水帷幕。

2.4.3降水时的注意事项

在城市中由于深基坑降水，使邻近建筑物下的水位也降低，若其下是软弱土层，则将因水位降低而减少土中地下水的浮托力，从而使软弱土层压缩而沉降，影响邻近建筑物和管线，降水的时候应该注意：（1）井点降水应减缓降水速度，均匀出水；（2）井点应连续运转，尽量避免间歇和反复抽水；（3）降水场地外侧设置挡水帷幕，减小降水影响范围；（4）设置回灌井系统。

采用止水帷幕，将坑外地下水位保持原状，仅在坑内降水。目前，采用钻孔压浆成桩法、地下连续墙、板桩、深层搅拌桩墙等止水结构形式，效果均较好。其入土深度，取决于土层的透水性，要防止出现管涌、流砂等问题。

当因降水而危及基坑及周边环境安全时，宜采用截水或回灌方法，截水后，基坑中的水量或水压较大时，宜采用基坑内降水；当基坑底为隔水层且层底作用有承压水时，应进行坑底突涌验算，必要时可采取水平封底隔渗或钻孔减压措施保证坑底土稳定。

2.5基坑开挖

为了确保工程的顺利进行和周围建筑物的安全，基坑开挖时的注意事项：

（1）基坑开挖应根据支护结构设计降排水要求确定开挖方案；

（2）基坑边界周围地面应设排水沟且应避免漏水渗水进入；

（3）坑内放坡开挖时应对坡顶坡面坡脚采取降排水措施；

（4）基坑周边严禁超堆荷载；

（5）软土基坑必须分层均衡开挖层高不宜超过1m；

（6）基坑开挖过程中应采取措施防止碰撞支护结构工程桩或扰动基底原状土；

（7）发生异常情况时应立即停止挖土并应立即查清原因和采取措施方能继续挖土；

（8）开挖至坑底标高后坑底应及时满封闭并进行基础工程施工；

（9）地下结构工程施工过程中应及时进行夯实回填土施工 [15]。

2.6基坑工程的监测

为正确指导施工，确保工程的顺利进行和周围建筑物的安全，应加强施工期间的监测工作，实施信息化施工，随时预报，及时处理，并根据监测数据及时调整施工进度和施工方法。

基坑工程的监测内容大致如下：

1）围护结构的竖向位移与水平位移；

2）坑周土体位移；

3）支撑结构轴力；

4）邻近建筑物、道路及地下管网等的变形；

5）地下水位及孔隙水压力；

6）坑底隆起量[16]。

3.我国当前深基坑支护设计中存在的问题

3.1支护结构设计计算问题

目前，深基坑支护结构的设计计算仍基于极限平衡理论。极限平衡理论是一种静态设计，而实际上基坑开挖后的土体是一种动态平衡状态，也是一个松弛过程，随着时间的增长，土体强度逐渐下降，并产生一定的变形。工程实践证明，有的支护结构按极限平衡理论计算的安全系数，从理论上讲是绝对安全的，但却发生破坏;有的支护结构却恰恰相反，即安全系数虽然比较小，甚至达不到规范的要求，但在实际工程中获得成功。这说明在设计中变形和时间效应必须给予充分的考虑，但在目前的设计计算中却常被忽视。

3.2基坑的土压力计算问题

支护结构上的土压力的计算是基坑支护结构计算的关键，但目前要精确计算土压力还十分困难。目前的支护结构设计中，一般都以古典的库伦公式或朗肯公式作为计算土压力的基本公式。应用这2个公式进行基坑土压力计算存在以下问题:(1)库伦-朗肯土压力理论所针对的挡土墙问题是平面问题，而深基坑开挖支护问题实际上是空间问题。(2)库伦-朗肯土压力理论计算的是极限平衡状态时的土压力，但是在实际的基坑工程中，对基坑位移均有严格的控制要求，位移过大是不容许的。基坑挡土结构上实际发生的土压力总是介于静止土压力与主动土压力或静止土压力与被动土压力之间。尤其在开挖过程中，土压力随开挖和支护的进行是一个动态变化过程，应用库伦-朗肯土压力理论无法计算出这一动态变化过程，应用库伦-朗肯土压力理论无法计算出这一动态过程中相应的土压力。

3.3基坑的变形控制问题

随着城市建设的发展，城市用地越来越紧张，基坑工程往往处于房屋和生命线工程的密集地区，对基坑工程技术提出了更高、更严的要求，不仅要确保基坑的稳定，而且要满足变形控制的要求，以确保基坑周围的建筑物、地下管线、道路等设施的安全。而变形控制是现有基坑工程强度控制设计理论不够重视的一个方面，常规计算方法对支护结构及基坑周围土体的变形未能给出相应的解答，这是导致一些基坑工程失败的主要原因之一。侯学渊、孙家乐等[17]深入讨论了变形控制设计，提出了变形控制设计的基本思想:支护结构在满足强度的前提下，尚需满足其使用要求，即基坑在施工过程中既要保证其安全、不失稳，又要保证其对周围环境不造成破坏性的影响。

3.4地下水控制设计问题

地下水控制是基坑工程的一个难点，较通常的”降水”有更加广泛的含意，它包括降水与截水。因土质与地下水位的条件不同，基坑开挖的施工方法大不相同，不能制定统一的设计模式，这就要求设计者根据实际情况，进行地下水位控制设计。实践中，绝大多数基坑工程在控制地下水方面获得了成功，但也有少数基坑(存在透水性大的粉土、砂土层，含水量丰富、相邻建筑物密集)由于其降水或截水在设计或施工中存在问题而出现基坑严重渗漏、管涌，致使工期延长(或者更严重的后果)，故地下水控制设计是基坑工程设计和施工中十分重要的环节，必须引起重视[18]。

3.5支护结构的空间效应问题

深基坑本身是一个具有长、宽、深尺寸的三维空间结构，基坑开挖过程中，基坑周边向基坑内发生的水平位移是中间大两边小，深基坑边坡失稳常常以长边的居中位置发生。这说明深基坑开挖是一个空间问题，但传统的深基坑支护结构的设计是按平面应变问题处理的。对一些细长条基坑来讲，这种平面应变假设比较符合实际，而对近似方形或长方形深基坑则差别比较大。对于支护结构的空间效应，近几年国内外的研究取得了可喜的成果。但因为在土体力学参数的确定、有限元分析模式的选取等方面仍不能令人满意，基坑支护结构的三维有限元分析还处于辅助设计水平。所以，在未能进行空间问题处理前支护结构的构造要适当调整，以适应开挖空间效应的要求。

4.总结

深基坑支护由于地质的复杂性、受力状态的多变性、结构型式的多样性，构成了其自身的特殊性，给深基础工程领域带来了新课题。本文对深基坑支护工程的研究意义、兴起和发展作了简要的介绍，对基坑常见支挡方法、支撑方法及止（降）水方法作了详细介绍，同时也简要介绍了基坑开挖时的注意事项及监测内容，对基坑工程中目前存在的一些主要问题作了论述。相信随着科学技术的飞速发展和计算机的应用，依靠工程界、学术界的共同努力，在深基坑支护技术方面一定会出现新的突破。

参考文献：

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[7] CECS22-2005.土层锚杆设计与施工规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2005

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[11]郑刚,焦莹.深基坑工程设计理论及工程应用[M].北京：建筑工业出版社，2010

[12]徐至钧，王曙光.深基坑与边坡支护工程设计施工经验录[M].上海：同济大学出版社2011

[13]王景军.桩基支护与降水工程[M].哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，2012

[14]赵锡宏，李蓓.大型深基坑工程实践与理论[M].北京：人民交通出版社，2005

[15]上海市建设工程安全质量监督总站.中心城区深基坑工程建设周边环境风险控制指南.北京：中国建筑工业出版社，2011

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[17]侯学渊,杨敏.软土地基变形控制设计理论与工程实践[M].上海:同济大学出版社,1996.138-145.

[18]吴昌瑜,李思慎.深基坑开挖中的降水设计问题[J].岩土工程学报,1999.21(3):348-350.

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1.工程概况

丽都嘉园二期2号地库工程位于南京市浦口区丽都嘉园小区内西北角，拟建2号地库东侧为待建的34#楼及已建33#住宅区，东北侧为朱家山河路，南侧为已建17#楼，西侧为已建道路。2号地库范围拟建建筑包括07#、08#、35～36#商住楼，拟建2号地库为一层地下室，基坑开挖面积约8520平方米，支护周长约456m,开挖深度为8.3m左右。

基坑周边环境条件:

基坑北侧红线外侧为一层建筑物，地下室外边线距用地红线最近距离约3.4m，距离建筑物最近距离为5.2m。

基坑东侧北靠近朱家山河堤，东侧南靠近小区5~6层带地下室桩基础建筑物，东侧北地下室外边线距用地红线最近距离约3.5m，距离河堤道路最近约12m；东侧南距离建筑物最近距离9.7m。

基坑南侧靠近小区规划道路及5层带地下室桩基础建筑物，地下室外边线距规划道路最近距离约4.7m，距离建筑物最近距离19m。

基坑西侧为泰西路，地下室外边线距用地红线最近处3.5m，距离路芽最近处为11.9m。

2.工程水文地质条件

2.1工程地质条件

（1）地形、地貌：

拟建场区位于南京市浦口区丽都嘉园小区西北角，拟建场区东侧为已建33#住宅区，东北侧为朱家山河路，南侧为已建17#楼，西侧为已建道路。现场地部分为闲置的空地，部分位置被临时设施所占据，分布有地下管线，地形起伏较大，施工困难，部分钻孔只能位移施工。场区现有标高在6.80～11.18米，最大高差4.38米。

勘察场地属长江漫滩相地貌单元。

（2）土层条件：

根据野外钻探资料、原位测试、室内土工试验结合本场区临近部位33#楼住宅楼勘探报告综合分析，在钻孔深度控制范围内依据其工程性质自上而下分为：

①-1层杂填土：灰黄～灰褐色，局部色杂，成分以碎石、砼、碎砖为主，砼径3～40cm、碎石径3～15cm，充填30%～50%松散状粉质粘土和少量生活垃圾。局部地段在0.0～0.3米左右可见混凝土地坪，为临近建筑施工时用的临时地坪。该层结构松散，堆积无规律，堆积时间小于5年。土质不均，场区部分地段分布。

①-2层素填土：灰色，状态不一，以可塑状态为主，局部软流塑状态，该层成分较复杂，以回填的粘性土为主，夹生活垃圾、少量腐殖物、碎石等，硬质含量约10%，该层堆积时间约7年，土质不均匀，未完成自重固结，厚度变化大，场区普遍分布。

②-1层粘土：灰色，以可塑状态为主，局部软塑，中等偏高压缩性，无摇振反应，稍有光泽反应，干强度中等，韧性中等, 仅局部分布。

②-2层淤泥质粉质粘土夹粉土、粉砂：灰褐～灰色，流塑状态，局部夹软～流塑状粉质粘土，粉土、粉砂主要以薄层状分布，局部以团块状出现，薄层厚约5～25mm，见少量云母碎片及腐木屑，局部夹腐木屑较多，摇振反应轻微，稍有光泽反应，干强度中等，韧性中等, 该层土质不均，灵敏度高，夹透镜状②-2A粉砂层。整个场区均有分布。

②-2A层粉砂：青灰色，饱和，以稍密状态为主，局部松散或中密状态，土质不均，含腐植物、云母片。矿物主要成分为石英，颗粒呈次圆状，级配一般，局部夹有3～10mm厚的薄层状软流塑淤泥质粉质粘土，以透镜状分布于②-2层中。

②-3层粉质粘土夹粉土、粉砂：灰色，粉质粘土以软塑状态为主，局部流塑状态，高压缩性，部分地段表现为淤泥质粉质粘土。粉土、粉砂以薄层状分布，薄层层厚20～30mm，可见少量云母碎片及腐木屑，有层理，摇震反应轻微，稍有光泽反应，干强度、韧性低，该层部分钻孔表现为粉质粘土与粉土、粉砂呈互层状，该层中夹有透镜状②-3A层粉砂，土质不均。整个场区均有分布。

②-3A层粉砂：青灰色，饱和，以中密状态为主，局部密实，含腐植物、云母片。矿物主要成分为石英，颗粒呈次圆状，级配一般，土质不均，局部夹有5～15mm厚的层状软塑粉质粘土，本层以透镜状分布于②-3层中。

③层粉砂：青灰色，饱和，密实状态为主，局部中密，土质不均，含腐植物、云母片。矿物主要成分为石英，颗粒呈次圆状，级配一般，土质不均，局部夹有1～5mm厚的层状软塑粉质粘土，整个场区均有分布。

④层卵砾石层：青灰色，中密状态，最大粒径约为10cm，一般粒径为1～6cm，卵砾石呈亚圆形，主要成份为硅质，其间有少量的可塑状粉质粘土、中密状中粗砂充填，整个场区均有分布。

⑤-1层强风化砂质泥岩：紫红色，层状结构，岩体组织结构大部分破坏，矿物成份显著变化，风化强烈，上部呈土状，下部呈碎块状，碎块手捏易碎，标准贯入实测击数均大于50击。岩体基本质量等级为Ⅴ级,浸水易软化， 整个场区均有分布。

⑤-2层中风化砂质泥岩：紫红色，局部为泥质粉砂岩、粉砂岩，层状结构，块状构造,泥质胶结，岩体较完整，风化裂隙较发育，岩芯采取率60～80%，但RQD仅在40～50%。强度变化亦较大，岩块天然单轴抗压强度标准值frk=4.45Mpa，该层属极软岩，岩体基本质量等级为V级, 浸水易软化，该层未钻穿。

2.2水文地质条件

场区地下水：

（1）孔隙潜水

孔隙潜水主要赋存于①层填土、②层新近沉积土层中。

场地填土厚度普遍较大，由于密实度差，其间的大孔隙往往成为地下水的赋存空间，且连通性较好，富水性及透水性较好，雨季水量较丰富，为基坑开挖主要出水地层。

②-1、②-2、②-3层富水性差，透水性差；②-2A、②-3A层富水性较好，透水性也较好，但由于②-2A、②-3A层为透镜状存在，其富水量差异较大。

根据南京地区区域水文地质资料，地下水最高水位一般在6～7月份，最低水位多出现在旱季12月份至翌年3月份。

本工程野外勘探时测得场地孔隙潜水稳定水位埋深0.70～4.20米，相应标高 6.05～7.35米，初见水位埋深0.60～4.00m。

地下水的补给来源主要为大气降水及东北侧朱家山河河水补给，以蒸发和侧向径流为主要排泄方式，水位受季节性变化影响，年变化幅度为1.0～1.50m。

（2）微承压水

根据地区经验，本场区微承压水主要存在于③层粉砂、④层卵砾石层中。③层粉砂、④层卵砾石层含水丰富，给水性和透水性好，属透水地层。

根据已有经验，场区承压水水头的标高为6.00～7.00米左右(枯水期可按6.0米考虑，丰水期可按7.0米考虑)。

微承压水的补给来源主要为深层地下水的侧向径流，侧向径流为主要排泄方式。

（3）最高水位

按不利考虑，建议年平均最高水位埋深按拟建建筑室外地坪标高以下0.5米考虑。

3.本基坑支护类型

根据对本工程的场地工程地质条件、基坑开挖深度、场地周边环境的综合考虑，按《建筑基坑支护技术规程》 (JGJ120-2012）判定，本工程地下车库基坑支护结构的安全等级为二级。

本工程拟采用排桩加支撑的支护形式，采用水泥搅拌桩做止水帷幕，坑内采用管井降水。

3.1计算步骤

1.土压力计算

本工程拟采用郎肯土压力计算理论作为土压力计算的依据。

水土分算（无粘性土）

主动土压力：

被动土压力：

其中：

水土合算（粘性土）

主动土压力：

被动土压力：

其中:

2.桩的嵌固深度、桩身最大弯矩

本工程拟采用排桩加支撑的支护形式，在这里先考虑单支点桩支护的计算方法，采用等值梁法。

桩入坑底土内可当作#8212;端弹性嵌固另一端简支的梁来研究。档墙两侧作用着分布荷载，即主动土压力与被功土压力，如图3-1所示。在计算过程中所要求出的仍是桩的入土深度、支撑反力及跨中最大弯矩。

图3-1 等值梁法计算简图

单支撑挡墙下端为弹性嵌固时，其弯矩图如图3-1c所示，若在得出此弯矩图前已知弯矩零点位置，并于弯矩零点处将粱(即桩)断开以简支计算，则不难看出所得该段的弯矩图将同整梁计算时一样，此断梁段即称为整梁该段的等值梁。对于下端为弹性支撑的单支撑挡墙其净土压力零点位置与弯矩零点位置很接近，因此可在压力零点处将板桩划开作为两个相联的简支梁来计算。这种简化计算法就称为等值梁法，其计算步骤如下：

(1) 根据基抗深度、勘察资料等，计算主动土压力与被动土压力，求出土压力零点B的位置，按下计算B点至坑底的距离u值；

(2) 由等值梁AB根据平衡方程计算支撑反力Ra及B点剪力Q_B

（3）由等值梁BG求算桩的入土深度，取，则

由上式求得

由上式求得x后，桩的最小入土深度可由下式求得

如桩端为一般的土质条件，应乘系数1.1～1.2，即

（4）由等值梁求算最大弯矩Mmax值。

3.桩的配筋计算

根据计算得到的支点力设计值Td、弯矩设计值M 和剪力设计值V,可以计算截面承载力，进行桩的配筋计算。

4.圈梁、围檁配筋计算

5.基坑稳定性验算

对于基坑的稳定性验算主要有以下内容：基坑整体稳定性验算、基坑的抗隆起稳定验算、基坑底抗渗流稳定性验算。

（1）整体稳定性验算

（2）抗隆起稳定性验算

采用同时考虑c、φ的计算方法验算抗隆起稳定性。

式中

　 #8212;#8212;墙体插入深度；

　　　 #8212;#8212;基坑开挖深度；

　　　 #8212;#8212;地面超载；

　　　 #8212;#8212;坑外地表至墙底，各土层天然重度的加强平均值；

　　　 #8212;#8212;坑内开挖面以下至墙底，各土层天然重度的加强平均值；

　　　、#8212;#8212;地基极限承载力的计算系数；

、#8212;#8212;为墙体底端的土体参数值；

用普郎特尔公式，、分别为：

(3)基坑底抗渗流稳定性验算

本设计采用一般方法避免基坑底部土体发生管涌破坏

需满足下式：

其中 K#8212;#8212;安全系数

#8212;#8212;土体浮重度

J#8212;#8212;动水压力

其中 #8212;#8212;水力梯度

#8212;#8212;水的重度

#8212;#8212;水头差

#8212;#8212;最短渗流路径

6.止水帷幕设计

7.混凝土支撑和立柱桩设计

8.降水设计

(1)基坑涌水量计算

根据水井理论，水井分为潜水（无压）完整井、潜水（无压）非完整井、承压完整井和承压非完整井。这几种井的涌水量计算公式不同。

a．均质含水层潜水完整井基坑涌水量计算

根据基坑是否邻近水源，分别计算如下：

1）基坑远离地面水源时

式中 Q#8212;#8212;基坑涌水量；

K#8212;#8212;土壤的渗透系数；

H#8212;#8212;潜水含水层厚度；

S#8212;#8212;基坑水位降深；

R#8212;#8212;降水影响半径；宜通过试验或根据当地经验确定，当基坑安全等级为二、三级时，对潜水含水层按下式计算：

对承压含水层按下式计算：

k#8212;#8212;土的渗透系数；

r₀#8212;#8212;基坑等效半径；当基坑为圆形时，基坑等效半径取圆半径。当基坑非圆形时，对矩形基坑的等效半径按下式计算：

r₀＝0.29（a＋b）

式中 a、b#8212;#8212;分别为基坑的长、短边。

对不规则形状的基坑，其等效半径按下式计算：

式中 A#8212;#8212;基坑面积。

2）基坑近河岸

（b＜0.5R）

3）基坑位于两地表水体之间或位于补给区与排泄区之间时

4）当基坑靠近隔水边界时

图3-2均质含水层潜水完整井基坑涌水量计算简图

（a）基坑远离地面水源；（b）基坑近河岩；

（c）基坑位于两地表水体之间；（d）基坑靠近隔水边界

b．均质含水层潜水非完整井基坑涌水量计算

1）基坑远离地面水源

2）基坑近河岸，含水层厚度不大时

（b＞M/2）

式中 M#8212;#8212;由含水层底板到滤头有效工作部分中点的长度。

3）基坑近河岸（含水层厚度很大时）：

（b＞l） （b＜l）

图3-3均质含水层潜水非完整井涌水量计算简图

（a）基坑远离地面水源；（b）基坑近河岸，含水层厚度不大；

（c）基坑近河岸，含水层厚度很大

c．均质含水层承压水完整井基坑涌水量计算

1）基坑远离地面水源

式中 M#8212;#8212;承压含水层厚度。

2）基坑近河岸

（b＜0.5r₀）

3）基坑位于两地表水体之间或位于补给区与排泄区之间

图3-4 均质含水层承压水完整井涌水量计算简图

（a）基坑远离地面水源；（b）基坑近河岸；（c）基坑位于两地表水体之间

d．均质含水层承压水非完整井基坑涌水量计算

图3-5 均质含水层承压水非完整井涌水量计算简图

e．均质含水层承压-潜水非完整井基坑涌水量计算

图3-6均质含水层承压-潜水非完整井基坑涌水量计算简图

(2)降水

降水即在基坑土方开挖之前，用真空（轻型）井点、喷射井点或管井深入含水层内，用不断抽水方式使地下水位下降至坑底以下，同时使土体产生固结以方便土方开挖。

降水井（井点或管井）数量计算

式中 Q#8212;#8212;基坑总涌水量；

q#8212;#8212;设计单井出水量；

真空井点出水量可按36~60m3/d确定；

真空喷射井点出水量按表6-128确定；

管井的出水量q（m3/d）按下述经验公式确定：

rs#8212;#8212;过滤器半径（m）；

l#8212;#8212;过滤器进水部分长度（m）；

k#8212;#8212;含水层的渗透系数（m/d）。

表3-1 喷射井点的设计出水能力

3.2出图

1.基坑设计总说明图

2.基坑周边信息图

3.围护结构平面图

4.支撑平面布置图

5.大样图

6.监测点布置图

7.井点布置图

4.小结

深基坑支护类型是多样的，选择支护结构类型要考虑很多因素，如基坑的开挖深度、坑壁土体的物理力学性质、地下水位情况、地面荷载的分布与大小、周围环境情况(邻近建筑物及邻近地区地下管线等)、设计的容许变形量等因素。在选择支护类型时，要综合考虑技术、经济、安全和环境等要求，即要做到技术措施得当、经济合理、结构安全和对环境无害。

本工程拟采用排桩加支撑的支护形式，采用水泥搅拌桩做止水帷幕，坑内采用管井降水，具体方案情况有待进一步计算。