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地下结构与深基坑工程读书笔记
研究生：
提交日期： 2023年9月13日 研究生署名：
学 号

学 院
土木工程与交通学院
课程编号
S0001001
课程名称
地下结构与深基坑工程
学位类别
硕士
任课教师

教师评语:
成绩评估： 分 任课教师署名： 年 月 日

地下结构与深基坑工程读书笔记
摘要：由于人们对建筑的需求趋向高层化，基坑工程为了适应上部结构的快速发展，逐渐面临施工深度大，开挖面积大等问题，同时在施工场地狭窄的情况下，还会对周边房屋产生影响，导致纠纷，这都对基坑工程的设计及施工带来了不同限度的难度。本文是对深基坑工程这门课程学习之后产生的一些感想形成的读书报告。
关键词：深基坑 支护 基坑开挖 施工影响
1 基坑开挖支护的分类和特点
建造埋置深度大的基础或地下工程时，往往需要进行深度大的土方开挖，这个由地面向下开挖的地下空间称为基坑。为了适应现今社会建筑结构及形式的高速发展，基坑工程面临开挖深度大，开挖面积大的特点，这些都为基坑的支撑系统带来了较大的难度，目前基坑开挖的形式分为放坡开挖及档土支护开挖，档土支护开挖重要分为水泥土墙支护、排桩、地下连续墙、钢板桩支护、土钉墙支护（喷锚支护）及逆作拱墙。
放坡开挖是非常经济的一种基坑开挖形式，在现场场地条件较好并且基坑开挖深度不大的时候因优先选用，但是现在建筑的高度以及周边场地的面积往往不能满足放坡开挖的施工条件。

图1 边坡开挖
在基坑开挖深度及面积逐渐增大的情况下，基坑的发展形式从浅基坑向深基坑发展，那么为了保持基坑的稳定性及周边建筑物等设立的安全，在基坑开挖过程中以及之后施工中需要对其进行支护结构的设计，即档土支护开挖。
基坑支护工程的设计及施工在整个基坑工程中是非常重要的，在课上，我们先通过基坑支护施工过程中的施工过程中操作不妥从而导致的基坑坍塌来了解了基坑支护的重要性。

图2 基坑坍塌事故现场

图3 基坑坍塌事故现场
本次事故的直接因素为基坑开挖超过设计深度、基坑暴露时间超限、基坑坡顶严重超载以及基坑监测数据变形明显增大但未做解决。从这个典型例子可以看出，基坑工程的设计、施工以及后续基坑监测过程均是基坑工程的重点，如若坍塌会导致重大的人员伤亡以及经济损失。
1.1 水泥土墙支护
水泥土搅拌桩是一种具有一定刚性的脆性材料所构成，抗压强度远大于抗拉强度，一般采用水泥土搅拌桩作围护结构以“重力式”挡墙为宜。

图4 常用的布置形式
适宜于加固软土地基，如淤泥，淤泥质土等。同时具有挡土和隔水帷幕作用，无需支撑和拉锚施工简朴，无排污，噪声和振动小等优点。但是其存在墙体厚则造价较贵，工期较长。广泛应用于5～7m的深基坑围护结构中。
1.2 排桩、地下连续墙
排桩支护合用于开挖深度较大，不能放坡或由于场地限制不能采用搅拌桩支护。排桩支护可以采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制钢筋混凝土板桩或钢板桩。地下连续墙是用机械施工方法成槽浇灌钢筋混凝土形成的地下墙体。其整体性、刚度和防水抗渗性能好，但造价昂贵，工期长。合用于10m以上开挖深度的基坑

图5 排桩支护现场施工照片

图6 排桩支护现场施工照片
由于基坑跨度太大，图6所示工地中采用了对向支撑，从而加大了两侧挡土墙的刚度，加强了基坑在施工过程中的稳定性。
1.3 钢板桩支护
钢板桩支护采用较早，国内80年代即用于基坑支护，具有可反复使用，较经济抗弯刚度小，桩间渗水（自淤），拔桩带土等特点。

图7 钢板桩支护现场施工照片
常见的钢板桩种类有：拉森钢板桩及H型钢板桩。拉森钢板桩是一种带锁口或钳口的热轧型钢，其支护形式是依靠锁口或钳口互相连接咬合，形成连续的钢板桩墙体，水密性较强，可用作围堰工程。H型钢板桩刚度较大，合用于各种类型的基坑支护工程。但H型钢不具有密闭性，必须与搅拌桩（旋喷桩）联合组成隔水挡土墙。
1.4 土钉墙支护
土钉墙支护是由天然土体通过土钉墙就地加固并与喷射砼面板相结合，形成一个类似重力挡墙以此来抵抗墙后的土压力，从而提高边坡整体稳定性的一种支护方式。具有：施工设备简朴，施工噪音和振动小；随基坑开挖逐次分段作业，少占单独作业时间，施工效率高等特点。但土钉墙的变形较大，应注意对邻近建筑物的影响。

图8 土钉墙支护现场施工照片
适宜于加固软土地基，如淤泥，淤泥质土等。同时具有挡土和隔水帷幕作用，无需支撑和拉锚，施工简朴，无排污，噪声和振动小等优点。但是其存在墙体厚则造价较贵，工期较长。广泛应用于5～7m的深基坑围护结构中。
土钉墙支护设计应满足规定的强度、稳定性、变形和耐久性等规定。重要的设计环节如下：
1、查明场地周边情况、工程范围内土层情况、土性指标、地下水；
2、根据基坑深度、工程地质条件选择土钉墙的形式、剖面尺寸以及分段开挖长度和宽度；
3、根据土钉抗拔实验或土体抗剪强度指标，并参考类似工程经验，拟定土钉类型、直径、长度、间距、倾角以及空间的方向；
4、拟定注浆方式及浆体抗剪强度，进行注浆配方设计；
5、设计喷射混凝土面层；
6、进行内部稳定性分析；
7、进行外部稳定性分析；
8、施工图设计和构造设计。
任何结构的设计环节都是整个工程实际施工的开始，在设计环节中需要考虑到此后施工过程中的各类问题以及应对方法，这些均需在设计环节进行拟定，从理论角度并结合实际为施工环节提出技术支持，所以设计人员必须在设计阶段对该工程的各类情况进行详尽了解，根据具体现场情况，做出相应当工程具体规定的设计方案。
1.5 逆作拱墙（规范中已取消）
拱圈是平面形状呈椭圆或圆形的钢筋混凝土拱墙。可以是由几条抛物线围成的闭合拱圈，也可以是仅局部采用的非闭合拱圈，拱圈的内力以受压为主，弯矩很小，因而受力合理。具有可靠度高、施工方便、工期短、造价低等优点，但能否采用须视场地条件而定。开挖深度不宜大于12m。

图9 逆作拱墙做法
逆作拱墙采用逆作法施工，没有嵌固深度，适宜于开挖深度较浅的基坑，一般不宜大于12m。这种支护形式不阻水防渗，对有地下水的工程仍须降水或作防水帷幕。逆作拱墙能缩短施工工期、节约投资。
2 基坑支撑、锚杆结构
2.1 支撑及形式
支撑体系：涉及腰梁、支撑、立柱及其他附属构件。
支撑有以下几种类型：
1、对撑式：多用于长条形基坑（如地铁基坑），即沿整个基坑长向的对向支撑，来保证基坑的稳定性。
2、网格式：多用于长短边均较大的矩形基坑。
3 土压力理论
3.1 不同土压力分类
积极土压力和被动土压力重要分为：朗金土压力和库仑土压力。
朗金土压力：假定墙背与填土间没有摩擦力，因此积极土压力偏大，被动土压力偏小。合用于粘性土和非粘性土。
库仑土压力：假定墙背土体无粘性，假定滑动面为直线
太沙基佩克理论：根据土压力分布实测资料，提出土压力的分布（顶部支撑）

图10 土压力按矩形分布
3.2 实际土压力分布
实际土压力不仅与土体性质有关，还与支护结构的变形有关。
1、当墙完全不动时，为静止土压力；
2、当墙顶固定，下端向外移动时，土压力呈抛物线形；
3、当墙上下两端固定，墙中央向外鼓出时，土压力呈马鞍形；
4、当墙平行向外移动，土压力呈抛物线形；
5、当墙绕下端中心向外倾斜时，积极土压力（与重力式挡土墙类似）。

图11 实际土压力的不同分布
4 部分特殊地下结构及其施工
4.1 新奥法
新奥法是应用岩体力学理论，以维护和运用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为重要支护手段，及时的进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法和原则。
新奥法是在运用围岩自身所具有的承载效能的前提下，采用毫秒爆破
和光面爆破技术，进行全断面开挖施工，并以形成复合式内外两层衬砌来修建隧道的洞身，即以喷混凝土、锚杆、钢筋网、钢支撑等为外层支护形式，称为初次柔性支护，系在洞身开挖之后必须立即进行的支护工作。由于蕴藏在山体中的地应力由于开挖成洞而产生再分派，隧道空间靠空洞效应而得以保持稳定，也就是说，承载地应力的重要是围岩体自身，而采用初次喷锚柔性支护的作用，是使围岩体自身的承载能力得到最大限度的发挥，第二次衬砌重要是起安全储备和装饰美化作用。
新奥法的合用性很广，中国已在亚粘土和黄土隧道施工中取得成功。但在下列情况下，一般都应采用适当的辅助措施才干施工：①涌水量大的地层；②因涌水产生流沙现象的地层；③围岩破碎使锚杆钻孔和插入都极为困难场合；④开挖面不能自稳的围岩。
4.2 沉井法
沉井法又称沉箱凿井法（shaft sinking bycaisson method）。在不稳定含水地层掘进竖井时，于设计的井筒位置上预先制作一段井筒，井筒下端有刃脚，借井筒自重或略施外力使之下沉，将井筒内的岩石挖掘出的施工方法挖掘与下沉交相进行，直到穿过不稳定地层。
4.2.1 淹水沉井
特点是：井内淹水，保持井内外压力平衡，可防止涌砂冒泥；壁后灌注减阻介质；掘进与排渣均在水下完毕；一般采用水枪或钻机破土、压气排液器排渣。该法工艺较简朴，需用设备少,机械化限度高,工人不下井，作业条件好，成本较低，除砾卵石层外，一般均可采用。但由于量测和纠偏技术尚未完全解决，沉井下沉速度和偏斜限度较难掌握，往往影响工期。
4.2.2 震动沉井
在预制的薄壁长段井筒上部装有井帽，在其上安顿震动机，带动井筒震动，加大井筒的下沉力，并促使井壁四周土壤液化,减少沉井周边的摩擦阻力,加快下沉速度。本法由建桥工程使用的震动管柱法移植而来，自1958年起，在中国淮北矿区用该法相继建成了十多个井筒，优点是机械化限度高，成井速度快，成本低。由于震动机的加载有一定限度，在碰到砾卵石层时，井壁容易断裂，且地面及井筒周边受震动影响，合用条件受到限制。
4.3 盾构法
盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推动，通过盾构外壳和管片支承四周边岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。
优点是：安全开挖和衬砌，掘进速度快；盾构的推动、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低；不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施；穿越河道时不影响航运，施工中不受季节、风雨等气候条件影响，施工中没有噪音和扰动；在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。
缺陷是：断面尺寸多变的区段适应能力差；新型盾构购置费昂贵，对施工区段短的工程不太经济；工人的工作环境差，工作危险系数高。
参考文献：
[1] 《混凝土结构设计规范》（GB50010-2023）
[2] 《岩土工程勘察规范》（GB50021-2023）
[3] 《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2023）
[4] 《建筑基坑工程监测技术规范》（GB 50497-2023）
[5] 广东省标准：《建筑基坑支护工程技术规程》（GBJ/15-20-97）
[6] 广东省标准：《建筑地基基础设计规范》（DBJ/15-3-2023）
[7] 广东省标准：《建筑基坑支护工程技术规程》（GBJ/15-20-97）
[8] 《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2023）
[9] 《建筑基坑支护技术规范》（JGJ120-99）
[10] 中国知网相关基坑支护及施工论文
[11] 地下结构与深基坑工程课程内容
[12] 建筑结构学报
[13] 土木工程学报