【二建市政】城市轨道交通工程-明挖基坑施工1

深基坑支护结构与变形控制

一、围护结构

1、围护结构体系包括板（桩）墙、围檩（冠梁）及其他附属构件。

    板（桩）墙主要承受基坑开挖卸荷所产生的土压力和水压力，并将此压力传递到支撑。

2、不同类型围护结构

不同类型围护结构的特点

1）工字钢桩围护结构

    一般采用Ⅰ50号、Ⅰ55号、Ⅰ60号大型工字钢。桩间距1.0~1.2m，基坑开挖时，随挖土方随在桩间插入50mm厚的水平挡板，以挡住桩间土体。

    适用于黏性土、砂性土和粒径≯100mm的砂卵石地层，地下水位较高时，必须配合人工降水措施。

    施工噪声大，一般用于郊区距居民点较远的基坑施工。

2）钢板桩围护结构

    强度高，桩与桩之间的连接紧密，隔水效果好，可重复使用，在地下水位较高的基坑采用较多。

    分为：单层钢板桩围堰、双层钢板桩围堰及屏幕。多采用帷幕式构造，保证在地铁深基坑中垂直度且方便施工，使其能封闭合龙。

3）钻孔灌注桩围护结构

    一般采用机械成孔。多采用：螺旋钻机、冲击式钻机和正反循环钻机。排桩宜采取间隔成桩的施工顺序；对混凝土灌注桩，应在混凝土终凝后，再进行相邻桩的成孔施工。

    经常与止水帷幕联合使用，止水帷幕一般采用深层搅拌桩。基坑上部受环境条件限制时，可采用高压旋喷桩止水帷幕，但应采取措施保证止水帷幕施工质量。

4）深层搅拌桩挡土结构

    用搅拌机械将水泥、石灰等和地基土相拌合，达到加固地基的目的。作为挡土结构的搅拌桩一般布置成格栅形（自重式水泥土挡墙），也可连续搭接布置形成止水帷幕。

5）SMW桩

    利用搅拌设备就地切削土体，然后注入水泥类混合液搅拌形成均匀 的挡墙，最后插入型钢，形成一种劲性复合围护结构。（搅拌桩插入型钢）

    特点：止水性好，构造简单，型钢插入深度一般小于搅拌桩深度，施工速度块，型钢可部分回收、重复利用。

6）地下连续墙

    优点：施工时振动小、噪声低，墙体刚度大，对周边地层扰动小，适用于多种土层。

    挖槽方式：抓斗式、冲击式、回转式。一字形槽段长度宜取4~6m。

    当成槽施工可能对周边环境产生不利影响或槽壁稳定性较差时，应取较小的槽段长度。必要时宜采用搅拌桩对槽壁进行加固；地下连续墙的转角处或有特殊要求时，单位槽段的平面形状可采用L形、T形等。

    ★槽段接头选用原则：

（1）宜采用圆形锁口管接头、波纹管接头、楔形接头、工字形钢接头或混凝土预制接头等柔性接头。

（2）当地下连续墙作为主体地下结构外墙，且需要形成整体墙时，宜采用刚性接头；刚性接头可采用一字形或十字形穿孔钢板接头、钢筋承插式接头等；在采取地下连续墙墙顶设置长冠梁、墙壁内侧槽段接缝位置设置结构壁柱、基础底板与地下连续墙刚性连接等措施时，也可采用柔性接头。

    导墙：控制挖槽精度的主要构筑物，导墙结构应建于坚实的地基上，并能承受水土压力和施工机械设备等附加荷载，不得移位和变形。

    泥浆护壁：根据地质和地面沉降控制要求经试配确定，并在泥浆配制和挖槽施工中对泥浆的相对密度、黏度、含砂率和pH值等主要技术性能指标进行检验和控制。

    挖槽结束后，在槽内放置钢筋笼，并浇筑水下混凝土。然后将若干个幅段连成一个整体，形成连续的地下墙体。

二、支撑结构类型

（一）支撑结构体系

1、内支撑有钢支撑和钢筋混凝土支撑，也可采用钢或钢筋混凝土混合支撑；拉锚有土锚和拉锚两种形式。

2、支撑结构挡土的应力传递路径：围护（桩）墙→围檩（冠梁）→支撑；地质条件较好的有锚固力的地层中，基坑支撑可采用土锚和拉锚等外拉锚形式。

3、内支撑系统分为：现浇钢筋混凝土支撑体系、钢支撑体系

两类内支撑体系的形式和特点

    现浇钢筋混凝土支撑体系由：围檩（圈梁）、支撑及角撑、立柱和围檩托架或吊筋、立柱、托架锚固件等其他附属构件组成。

    钢结构支撑（钢管、型钢支撑）体系通常为装配式的，由围檩、角撑、支撑、预应力设备（包括千斤顶自动调压或人工调压装置）、轴力传感器、支撑体系监测监控装置、立柱桩及其他附属装配式构件组成。

    PS：结合使用时，现浇钢筋混凝土支撑一般用于最顶层的支撑，利用原地面形成模板沟槽浇筑支撑体系，待养护完成后再往下开挖，顶层以下的支撑则采用钢结构支撑，利用其施工方便、工期短的优点，加快施工进度。

（二）支撑体系的结构选型与布置

1、选型原则：

（1）宜采用受力明确、连接可靠、施工方便的结构形式。

（2）宜采用对称平衡性、整体性强的结构形式。

（3）应与主体地下结构的结构形式、施工顺序协调，应便于主体结构施工。

（4）应利于基坑土方开挖和运输。

（5）需要时，应考虑内支撑结构作为施工平台。

2、应综合考虑基坑平面的形状、尺寸、开挖深度、周边环境条件、主体结构的形式等因素，选用下列内支撑形式：

（1）水平对撑或斜撑，可采用单杆、桁架、八字形支撑。

（2）正交或斜交的平面杆系支撑。

（3）环形杆系或板系支撑。

（4）竖向斜撑。

三、基坑的变形控制

（一）基坑变形特征

1、基坑周围地层移动主要是由于围护结构的水平位移和坑底土体的隆起造成的。

2、围护墙体水平变形

    开挖较浅，未设支撑时：墙顶位移最大，墙体向基坑方向水平位移，呈三角形分布。

    开挖深度增加：

    刚性墙体：继续表现为向基坑内的三角形水平位移或平行刚体位移；

    一般柔性墙：墙顶位移不变或逐渐向基坑外移动，墙体腹部向基坑内凸出。

3、围护墙体竖向变位：

    随着基坑开挖引起的土体自重应力释放，将致使墙体产生竖向变位上移或沉降。墙体的竖向变位给基坑的稳定、地表沉降以及墙体自身的稳定性带来极大的危害。

    饱和的极为软弱的地层中的基坑工程，当围护墙基底因清孔不净有沉渣时，围护墙在开挖中会下沉，地面也随之下沉；另外，当围护结构下方有顶管和盾构穿越时，也会引起围护结构突然沉降。

4、基坑底部的隆起：

    ★随着基坑的开挖卸荷，基坑底部的隆起是必然的，但过大的坑底隆起往往是基坑险情的征兆。过大的坑底隆起可能是两种原因造成的：

    （1）基坑底不透水层由于自重无法承受其下承压水水头压力而产生突然性的隆起。

    （2）基坑围护结构插入坑底土层深度不足。

    基坑底土体的过大隆起可能会造成基坑围护结构失稳；另外，由于坑底隆起会造成立柱隆起，进一步造成支撑向上弯曲，可能会引发支撑体系失稳。

    因此施工时应尽量避免坑底土体的过大隆起，由于基坑一直处于开挖过程，直接监测坑底土体隆起较为困难，一般通过监测立柱变形来反映基坑底土体隆起情况。

5、地表沉降：

    围护结构的水平变形及坑底土体隆起会造成地表沉降，引起基坑周边建（构）筑物变形。

（二）基坑的变形控制

1、当基坑临近建（构）筑物时，必须控制基坑的变形以保证临近建（构）筑物的安全。

2、★控制基坑变形的主要方法有：

（1）增加围护结构和支撑的刚度。

（2）增加围护结构的入土深度。

（3）加固基坑内被动区土体（坑底土体）——加固方法：抽条加固、裙边加固及二者相结合的形式。

（4）减少每次开挖围护结构处土体的尺寸和开挖支撑时间，尤其软土地区施工。

（5）通过调整围护结构深度和降水井布置来控制降水对环境变形的影响。

（三）坑底稳定控制

1、保证深基坑坑底稳定的方法：加深围护结构入土深度、坑底土体加固、坑内井点降水等措施。

2、适时施作底板结构。

基坑土方开挖及护坡技术

一、基（槽）坑土方开挖

（一）基本规定

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、基坑周围地面应设排水沟，且应避免雨水、渗水等流入坑内，同时，基坑也应设置必要的排水设施，保证开挖时及时排出雨水；放坡开挖时，应对坡顶、坡面、坡脚采取降（排）水措施。

3、软土基坑必须分层、分块、均衡地开挖，分块开挖后必须及时施工支撑，对于有预应力要求的钢支撑或锚杆，还必须按设计要求施加预应力。

4、基坑开挖过程中，必须采取措施防止开挖机械等碰撞支护结构、格构柱、降水井点或扰动基底原状土。★

（二）异常情况立即停止挖土

发生下列情况立即停止挖土，查清原因并及时采取措施：

1、围护结构变形明显加剧。

2、支撑轴力突然变大。

3、围护结构或止水帷幕出现渗漏。

4、开挖暴露出的基底出现明显异常（包括黏性土强度明显偏低或砂性土层时水位过高造成开挖施工困难时）

5、围护结构发生异常声响。

6、边坡出现失稳征兆。

二、护坡技术

（一）基坑边（放）坡

1、基坑开挖形式的选择

    地质条件、现场条件等允许时，采用敞口放坡基坑形式。

    但保持基坑边坡的稳定是非常重要的，否则，一旦边坡坍塌，不但地基受到震动，影响承载力，而且影响周围地下管线、地面建筑物、交通和人身安全。

2、基坑边坡稳定影响因素★

（1）基坑边坡坡度是直接影响基坑稳定的重要因素。

（2）施工不当也会造成边坡失稳，主要表现为：

    1）没有按设计坡度进行边坡开挖。（此处“设计”是指施工组织设计）

    2）基坑边坡坡顶堆放材料、土方及运输机械车辆等增加了附加荷载。

    3）基坑降排水措施不力，地下水未将至基底以下，而地面雨水、基坑周围地下给排水管线漏水渗流至基坑边坡的土层中，使土体湿化，土体自重加大，增加土体中的剪应力。

    4）基坑开挖后暴露时间过长，经风化而使土体变松散。

    5）基坑开挖过程中，未及时刷坡，甚至挖反坡，使土体失去稳定性。

3、基坑放坡要求

    按是否设置分级过渡平台，边坡可分为一级放坡和分级放坡两种形式。在场地土质较好、基坑周围具备放坡条件、不影响相邻建筑物的安全及正常使用的情况下，基坑宜采用全深度放坡或部分深度放坡。

    放坡应以控制分级坡高和坡度为主，必要时辅以局部支护结构和保护措施，放坡设计与施工时应考虑雨水的不利影响。

    当存在影响边坡稳定性的地下水时，应采取降水措施或深层搅拌桩、高压旋喷桩等截水措施。

    分级放坡时，宜设置分级过渡平台。分级过渡平台的宽度应根据土（岩）质条件、放坡高度及施工场地条件确定，对于岩石边坡不宜小于0.5m，对于土质边坡不宜小于1.0m。下级放坡坡度宜缓于上级放坡坡度。

（二）长基坑开挖与过程放坡

1、地铁车站等构筑物的长条形基坑有条件的应尽量分层开挖，避免设置纵向临时边坡。但由于开挖面的限制，开挖过程中可能会留置临时纵向边坡，但一定要采取措施保证纵向边坡的安全。

2、坑内纵向边坡放坡是动态的边坡，在基坑开挖过程中不断变化，其安全性在施工时往往被忽视，非常容易产生滑坡事故。纵向边坡一旦坍塌，就可能冲断横向支撑并导致基坑挡墙失稳，酿成灾害性事故。

    软土地区地铁车站施工时，曾多次发生纵向滑坡的工程事故，分析原因大都是坡度过陡、雨期施工、排水不畅、坡脚扰动等原因引起。

3、基坑纵向放坡不得大于安全坡度，对于暴露时间较长或可能受暴雨冲刷的纵坡应采取坡面保护措施，严防纵向滑坡。

4、坑外有需要保护的重要地下管线或建（构）筑物，应适当减缓其附近的纵向土坡坡度。

三、边坡保护★（重点）

（一）基坑边坡稳定措施

1、根据土层的物理力学性质确定基坑边坡坡度，并于不同土层处做成折线形边坡或留置台阶。

2、必须做好基坑降排水和防洪工作，保持基底和边坡的干燥。

3、基坑边坡坡度受到一定限制面而采用围护结构又不太经济时，可采取坡面土钉、挂金属网喷混凝土或抹水泥砂浆护面等措施。

4、严格禁止在基坑边坡坡顶1~2m范围堆放材料、土方和其他重物以及停留或行驶较大的施工机械。

5、基坑开挖过程中，边坡随挖随刷，不得挖反坡。

6、暴露时间较长的基坑，一般应采取护坡措施。

（二）护坡措施

1、基坑土方开挖时，应按设计要求开挖土方，不得超挖，不得在坡顶随意堆放土方、材料和设备。在整个基坑开挖和地下工程施工期间，应严格监控坡顶位移，随时分析观测数据。当边坡有失稳迹象时，应及时采取削坡、坡顶卸荷、坡脚压载或其他有效措施。

2、放坡开挖时应及时作好坡脚、坡面的保护措施。常用的保护措施有：叠放沙包或土袋（坡脚）、水泥抹面、挂网喷浆或混凝土等。也可采用其他措施：锚杆喷射混凝土护面、塑料膜或土工织物覆盖坡面等。

（“边坡保护”部分与护坡技术中“基坑边坡稳定影响因素”部分对照记忆：设计坡度、坡顶堆载、排降水措施、基坑暴露时间过长、及时刷坡、不得挖反坡。开挖时对坡顶、坡面、坡脚部位采取的措施）

案例分析补充内容：

1、基坑侧壁安全等级

《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012：

基坑侧壁安全等级

    一级最高，三级最低。（与后面地下水控制设计施工的安全等级区分）基坑周围有高层建筑、地下管线，基坑侧壁安全等级应定为一级。（案例出题的话，一级可能性较高）

2、基坑重点监测内容：

（1）基坑侧壁的水平位移：基坑开挖卸载必然引起基坑侧壁水平位移，基坑侧壁水平位移越大，坑后土体变形越大。过大的侧壁水平位移必然会造成建筑物沉降及管线变形。

（2）基坑周围建筑物及地下管线的变形（沉降、位移、开裂）：其为基坑环境保护的主要内容。

（3）地下水位：当地下水位在基坑坑底以上时，必须采取降水措施。

（4）基坑隆起：若存在承压水，随着基坑的开挖，承压水层上部土重不足以抵抗承压水水头压力时，基坑底会出现突然的隆起，极易引发基坑事故。通过监测埋设在坑底的立柱的上浮来间接监测坑底隆起。

（5）当基坑变形超过有关标准或监测结果变化速率较大时，应加密观测次数。当有事故征兆时，应连续监测。

3、基坑施工可能存在重大事故隐患：

（1）不按设计要求，加大每层开挖深度：基坑设计单位应根据设计时的工况对施工单位的基坑开挖提出要求，不按设计要求施工，在施工时超挖极易引发基坑事故。

（2）基坑顶大量堆荷：坑顶荷载应通过安全设计验算，不得把大量材料、土方堆集于坑顶。

4、★基坑应急处置措施：

    基坑变形量显著增大，变化发展速率越来越快时，施工单位应对基坑进行抢险，对基坑做必要的加固和卸载，并应调整设计和施工方案。

    基坑变形急剧增加，基坑已接近失稳的极限状态，种种迹象表明基坑将坍塌是，项目负责人（项目经理）应以人身安全为第一要务，人员要及早撤离现场，不得在此阶段进入坑内抢险。

地基加固处理方法

一、基坑地基加固的目的和方法选择

（一）基坑地基加固的目的

按加固部位不同，分为基坑内和基坑外加固。

1、基坑外加固：主要是止水，并可减少围护结构承受的主动土压力。

2、基坑内加固：提高土体的强度和土体的侧向抗力，减少围护结构位移，保护基坑周边建筑物及地下管线；防止坑底土体隆起破坏；防止坑底土体渗流破坏；弥补围护墙体插入深度不足等。

（二）方法选择

1、软土地基中，当周边环境保护要求较高时，基坑工程施工前宜对基坑被动区土体进行加固处理，以便提高被动区土体抗力，减少基坑开挖过程中围护结构的变形。

    按平面布置形式分类，基坑内被动区加固形式主要有墩式加固、裙边加固、抽条加固、格栅加固和满堂加固。

    墩式加固：土体加固一般多布置在基坑周边阳角位置或跨中区域；

    抽条加固：长条形基坑

    裙边加固：基坑面积较大时采用

    格栅加固：地铁车站的端头井

    满堂加固：环境保护要求高，或为封闭地下水

2、换填材料加固处理法：以提高地基承载力为主，适用于较浅基坑，方法简单操作方便。

3、水泥土搅拌、高压喷射注浆、注浆等，向地基掺入固结剂使土体固结，提高土体的强度和土体的侧向抗力为主，适用于深基坑。

二、常用方法与技术要点

（一）注浆法

1、原理：略

2、注浆法所用的浆液组成：主剂（原材料）、溶剂（水或其他溶剂）及各种外加剂。

    外加剂：固化剂、催化剂、速凝剂、缓凝剂、悬浮剂

    注浆材料：常用水泥浆

3、分类及应用

不同注浆法的适用范围

4、注浆设计包括：注浆量、布孔、注浆有效范围、注浆流量、注浆压力、浆液配方等主要工艺参数。没有经验可供参考时，应通过现场试验确定上述工艺参数。

5、注浆加固土的强度具有较大的离散性，加固区的检验宜采用静力触探法，检验点数应满足相关规范要求。

（二）深层搅拌法

PS：桩机较高，随加固地层深度，施工时应注意其净空要求。

1、适用于加固饱和黏性土和粉土等地基。分为浆液搅拌和粉体喷射。

    喷浆型湿法深层搅拌机械有单、双轴、三轴及多轴搅拌机。

    喷粉搅拌机仅有单轴搅拌机一种机型。

    加固土体有止水要求时，宜采用浆液搅拌法施工。

2、水泥土搅拌法加固软土的独特优点：

（1）最大限度地利用了原土。

（2）搅拌时无振动、无噪声、无污染，可在密集建筑群中进行施工，对周围原有建筑物及地下沟管影响很小。

（3）根据上部结构的需要，可灵活的采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固形式。

（4）与钢筋混凝土桩基相比，可节约钢材并降低造价。

3、施工步骤：

主要步骤：

（1）搅拌机械就位、调平。

（2）预拌下沉至设计加固深度。

（3）边喷浆（粉）、边搅拌提升至预定的停浆（灰）面。

（4）重复搅拌下沉至设计加固深度。

（5）根据设计要求，喷浆（粉）或仅搅拌提升直至预定的停浆（灰）面。

（6）关闭搅拌机械。

    在预（复）搅下沉时，也可采用喷浆（粉）的施工工艺，但必须确保全桩长上下至少再重复搅拌一次。

4、采用深层搅拌法提高被动区土体抗力，又无法再紧贴围护墙体的位置形成固结体时，须采用注浆等辅助加固措施，对中间未加固的土体进行填充加固。

5、采用深层搅拌法加固基坑内侧深层地基时，应注意施工对加固区上部土体的扰动，必要时采用低掺入比的水泥对加固区上部土体进行加固。

（三）高压喷射注浆法

    PS：设备较深层搅拌法小，深层搅拌法净空高度不满足时可考虑采用。

1、高压喷射注浆对淤泥、淤泥质土、流塑或软塑黏性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基都有良好的处理效果。

    但对于硬黏性土、含有较多的块石或大量植物根茎的地基，因喷射流可能受到阻挡或削弱，使冲击破碎力急剧下降，造成切削范围小或影响处理效果。对于含有过多有机质的土层，其处理效果取决于固结体的化学稳定性。鉴于上述几种土的组成复杂、差异悬殊，高压喷射注浆处理的效果差别较大，应根据现场试验结果确定其适用程度。对于湿陷性黄土地基，也应预先进行现场试验。

2、基本形状：旋喷（固结体为圆柱状）、定喷（固结体为壁状）、摆喷（固结体为扇状）

    施工方法：

（1）单管法：喷射高压水泥浆液一种介质。

（2）双管法：喷射高压水泥浆液和压缩空气两种介质。

（3）三管法：喷射高压水流、压缩空气及水泥浆液三种介质。

有效处理长度：三管法最长，双管法次之，单管法最短。

旋喷形式可采用三种中任一钟方法，

定喷和摆喷常用双管法和三管法。

3、高压旋喷桩加固体的有效直径或范围应根据现场试验或工程经验确定。当用于止水帷幕时，加固体的搭接应大于30cm。

4、单管法及双管法中的高压水泥浆和三管法高压水的压力应大于20MPa。

    主要材料为水泥，无特殊要求，宜采用强度等级为42.5级及以上的普通硅酸盐水泥。外加剂和掺合料的用量应通过试验确定。水灰比通常取0.8~1.5，常用1.0。

5、施工过程：钻机就位→钻孔→置入注浆管→高压喷射注浆→拔出注浆管。

    泵及空压机的压力、流量、水灰比及提升速度等施工参数一经确定应严格执行，并应保证钻孔的垂直度。施工结束后应立即对机具和孔口进行清洗。

    在高压喷射注浆过程中出现压力骤然下降、上升或冒浆异常时，应查明原因并及时采取措施。

    PS：高压喷射注浆压力较大，切削能力强，喷射时不可拔出地面，否则将导致施工安全事故。

6、高压喷射注浆加固的检验，应根据工程要求有所区别。用于基坑侧壁挡水时，应做好开挖期间的监测，准备好应对局部渗漏的堵漏措施。

（四）加固体水泥掺量与加固体强度

1、注浆加固时水泥掺入量不宜小于120kg/m³，水泥土加固体的28d临期无侧限抗压强度比原始土体的强度提高2~3倍。

2、双（单）轴水泥搅拌桩的水泥掺入量不宜小于230kg/m³，水泥加固体的28d龄期无侧限抗压强度不宜低于0.6MPa。

3、三轴水泥土搅拌桩的水泥掺入量不宜小于360kg/m³，水泥土加固体的28d龄期无侧向抗压强度不宜低于0.8MPa。

4、旋喷加固时水泥掺入量不宜小于450kg/m³，水泥土加固体的28d龄期无侧限抗压强度不宜低于1.0MPa。

    对有少量有机质含量和淤泥质黏土层厚度较大的地段及暗浜、杂填土、松散砂、淤泥质土和流塑状土等处，应适当增加水泥掺量，或通过加固试验确定。

    对于重要复杂的基坑工程或基坑比较深且环境要求高的基坑工程，应进行现场加固试验确定其适应性，合理确定加固方法和加固强度。