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深基坑开挖支护结构类型及适用范围
[概要] 随着城市建设的发展,可以利用建筑工地越来越紧缺,特别是在繁华闹市区,土地的批租和拆迁费很高,使得房地产商从利润角度考虑不得不尽可能充分利用地上和地下空间,即在有限的土地上增加建筑总高度和地下室层数,从而使基础埋身大大增加,使得水平荷载引起的倾覆力矩也相应增加,为减少建筑物的整体倾斜,防止倾覆和水平滑移,对基础的埋深也有较高的要求;当在较软弱的地基上修建高层建筑时,更是要求基础有较大的埋深.因而,深基坑的开挖和支护是近十多年来国内岩土工程领域不可回避的问题之一.本文针对各种不同的基坑类型对其适用范围进行研究,结合具体的工程实例对某一种支护类型提出具体施工方案,以便为以后的工作提供参考意见.
[关键词] 深基坑支护; 支护结构；喷锚支护

一. 深基坑工程的特点.
(1)建筑趋向高层化,基坑向大深度方向发展.(2)基坑开挖面积大,长度与宽度有的达数百米,给支撑系统带来较大难度.(3)在软弱土层中,基坑开挖会产生较大的位移和沉降、对周围建筑,市政设施和地下管线造成影响. (4)深基坑施工工期长,场地狭窄,降雨,重物堆放对基坑稳定不利. (5)在相邻的场地的施工中、打桩、降水、挖土及浇注混凝土等与工序会相互制约和影响,增加协调工作的难度.因此,深基坑的支护工作对整个主体结构的施工提供安全的、无地下水的干扰的施工空间,并对临近的结构和设施提供可靠的保护是非常重要的.
二．深基坑支护的结构类型及适用范围。
基坑支护最早的方法是放坡开挖，然后有悬臂支护，支撑支护，组合型支护等。最早用木桩，现在常用钢筋混凝土桩，地下连续墙，钢板桩以及通过处理方法采用水泥挡墙，土钉墙，钢筋混凝土桩设置方法有钻孔灌注桩。人工挖孔桩。沉管灌注桩和预制桩等。
（1）基坑挡土，支撑，开挖组合分类：
a.板桩式挡土结构（悬臂）+分层全开挖（只适用于浅基坑）
b.板桩式挡土结构+内支撑/土锚/拉锚+分层全开挖
c.板桩式挡土结构+内支撑+壕沟式开挖
d.板桩式挡土结构+（连续墙）+逆作法开挖
e.板桩式挡土结构+支撑（水平撑，换撑，斜撑）+岛区式开挖
f.重力式挡土结构（自立）+分层开挖
g.刚性重力式（自立式）挡土结构和 柔性板桩式挡土结构组合，各种内支撑和土锚，拉锚组合
（2）悬臂式支护结构示意图如图（图1）.其适用范围是：常采用钢筋混凝土排桩墙，木板桩，钢板桩，钢筋混凝土板桩，地下连续墙等形式。钢筋混凝土桩常采用钻孔灌注桩，人工挖孔灌注桩，沉管灌柱桩及预制桩.悬臂式支护结构依靠足够的入土深度和支护墙体的抗弯能力来维护整体稳定和结构的安全，它对开挖深度很敏感，容易产生奇较大的变形，而对周围环境产生不利影响，因而适用于土质较好，开挖深度较浅的基坑工程。
(3)水泥搅拌桩重力式支护结构示意图（图2）。水泥搅拌桩在进行平面布置时常采用格构式（图3）。水泥土与其包围的天然土形成重力式挡墙支护周围土体，保证基坑边坡稳定。水泥搅拌桩重力式支护结构应用于软粘土地区开挖深度约在6米左右的基坑工程。由于水泥土抗拉强度低，因此适用于较浅的基坑工程，其变形也较大。优点是挖土方便成本低。

(4)内支撑式支护结构由支护墙体和内支撑体系两部分组成。支护墙体可采用钢筋混凝土排桩墙，地下连续墙或钢板桩等形式。内支撑体系可采用水平支撑和斜支撑。根据不同开挖深度可采用单层支撑和多层支撑，如图4（a）、（b）、（c）所示。当基坑面积较大，而基坑开挖深度又不时，可采用单层斜支撑形式。内支撑采用钢筋混凝土支撑和钢管支撑两种。其优点就是刚度大，变形小，布置灵活，而钢支撑的优点是可重复使用，施工速度快，且可施加预压力。内支撑支护结构适用广泛，可适用于各种基坑和基坑深度。
(5)拉锚式支护结构由支护墙体和锚固体系两部分，支护墙体同内支撑式支护结构。锚固体系可分为土层锚杆和拉锚式两种。随基坑深度不同，土层锚杆可分为单层锚杆，二层锚杆和多锚锚杆。拉锚式支护结构和双层土层锚杆支护结构示意图。拉锚式需要有足够的场地设置锚桩或其他锚固物。土层锚杆式需要地基土提供较大的锚固力，较适用于砂土地基或黏土地基。由于软黏土地基不能提供较大的锚固力，所以很少使用。
(6)包括门架式支护结构（图5），其支护深度比悬臂式支护结构深，适用于基坑开挖深度已超过悬臂式支护结构合理支护深度的基坑工程。其合理的支护深度可通过计算确定。
（7）拱式组合型支护结构，图6所示为钢筋混凝土灌注桩与深层水泥搅拌桩拱组合形成的支护结构示意图。形成的水泥拱可有效利用材料性能，可取得较好的经济效益。

（8）喷锚网支护结构（图7），常用于土坡稳定加固，也有人将其归属于放坡开挖不适用于含淤泥土和流砂的土层。
（9）加紧水泥土挡墙支护结构（图8）为克服水泥抗拉强度低，水泥重力式挡墙支护深度小，，往往在水泥土中插入型钢，形成加筋水泥土挡墙支护结构。

（10）沉井支护结构，采用沉井支护结构形成支护体系。
（11）冻结法支护，对地基适用范围广，但应考虑其冻融过程对周围的影响，电源不得中断，以及工程费用等问题。
另外，通过对基坑支护体系被动区土质改良，降低地下水位等措施可有效改善支护结构的受力性能。
三．工程案例分析
工程概况
1. 本工程位于西城区复兴门外，工会大楼后院，天宁寺西侧，主楼26层，地 下室3层；西侧裙楼4层，地下室3层；南侧裙楼4层，地下室2层。基坑深度有5种即：15.15m、13.95m、11.95m、9.40m、6.45m。
基坑南侧紧邻原职工之家大楼，南侧西段有一座高层塔楼，塔楼有一层半地下室，深约7米，南裙楼基坑距塔楼16.38m，西裙楼基坑距塔楼13.4m，南侧有污水管和雨水管，相距5-8m；基坑北侧有一座4层楼，基础埋深约 3.0m，距基坑13.7m，并有地下电力线（距基坑7m），污水管（相距6.5m）；基坑东侧距真武庙路3.5m，并有通讯电缆（相距6.5m）；基坑两侧有污水管、热力管、雨水管，相距3.0-4.5m，地下水深度-14米。
2、深基坑支护方案的选择
由于本工程场地狭小，周边幻境复杂，中标承诺工期短（共计848天），开工日期为1998年12月16日，此时正值北京冬季，土方及垫层能否在春节前施工完，将影响春节后的工程进度，若采取常规的放坡开挖，由于基坑深，场地小，基坑的稳定安全性将受到影响，且放坡开挖后将超过施工红线，因此此方案被排除；若采用护坡桩施工，则基坑开挖时间将推后，春节总体控制计划将受到影响，且按此方案存在土方回填和费用较高的特点；经过各种方案的认真讨论，结合工程的实际情况，本工程基坑支护采取喷锚支护，喷锚的边壁作为地下室外墙的外模板，选择此种方式进行基坑支护，可边开挖边支护，不影响工程进度，且无回填量，大大节约成本和工期。
喷锚网支护技术（新型土钉）原理是利用沿途介质的自承能力，借助锚杆与周围土体的摩擦力和粘聚力，将外部不稳定土体和深部稳定土体联在一起，形成一个稳定的组合体。锚杆端部互相连接的喷射混凝土面板，由于紧密嵌固于土体中，它不仅能很好的调节锚杆相互之间的应力分布，而且可以很好的起到防水作用。一是防止水冲刷边坡给基础施工带来不便，二是可以有效地防止地下水的渗漏，避免周围地面沉降，影响建筑物的安全。喷锚网由于采用水平压力灌浆新技术，大大加强了地面的承载能力。重型施工机械、车辆可在边坡地面任意行走。喷锚网支护方法的施工不单独占用施工工期，它和土方开挖同时进行，边开挖边支护,无污染，噪声低。到最后的收口时，灵活机动，可以开口放坡、降低马道或者台阶开挖，以便最大限度提高开挖功效，但土回填马道后，再用锚杆将出口加固复原，对边坡无任何影响。
3、喷锚支护的具体施工措施。
土方喷锚支护的施工流程为：制锚→开挖基坑→钻孔送锚→注浆→修坡编网筋→喷射砼→开挖下层土
（1）制锚
锚杆体：Φ22和钢管Φ48，技术质量要求：
锚长允许误差-20cm
锚杆体每隔3-4m做对中架
锚杆体（钢筋）搭焊长度≥5d，双面焊
（2）开挖
喷锚网支护的特点是边开挖边支护。为保证基坑边壁在开挖工程中土体应力场和应变场不产生过大变化，因此，对土方开挖有严格要求，挖土必须分层分段开挖
（3）钻孔
用洛阳铲和空气冲击钻成孔。
技术质量要求：
孔径大于14cm
孔深允许误差-20cm
打设角一般为3°-8°。
孔位迂障碍物时允许变动。
（4）注浆
一般为底部注浆
技术质量要求：
配比为水泥：砂：水=1：0.5：0.45，并加三乙醇胺0.3‰
注浆压力大于0.5Mpa
水泥普425#、中细砂。
（5）修坡面
注浆后进行修坡面，使坡面平整。严格控制坡面到地下室墙体距离。
（6）编网及焊接
技术质量要求：
网筋Φ6@200×200, Φ6为Ⅰ级钢
网筋搭焊长度≥10cm ,多于3个焊点;
锚头"井"字型,25×25cm,焊接充满空隙
（7）喷射砼护面
技术质量要求:
材料:普通425#水泥、中砂、碎石或豆石(粒径小于15cm)
配合比:水泥:砂:石:水=1：2：2：0.4，冬期加3%速凝剂（水泥重量比）
配料的搅拌，上料后水砂石经过喷浆机和输送料管混合，即可达到均拌的目的。
砼强度C20
喷射前坡面作喷射厚度标记，喷射砼面层厚度为8cm、6cm、5cm三种。
喷射砼面层每天浇水养护2-3次，养护7天。
（8）开挖下层
开挖下层土方时间与上层喷射砼强度、注浆强度、地质条件，边壁位移量有关，一般上层砼面层喷射24-36小时后方可进行下层开挖。
4、施工监测
锚喷网支护监测是支护设计中的重要组成部分。通过监测手段可随时掌握基坑周边环境的变化及支护土体的稳定状态、安全程度和支护效果，为设计和施工提供信息。通过信息反馈体系，可及时修改支护参数，改善施工工艺，预防事故发生，本工程基坑设以下监测项目：
（1）、监测基坑边壁的位移，绘制位移时程曲线，分析变形速率和位移量，确定其对边坡稳定、对地面建筑物和地下管线的影响程度。监测点位置待开挖3m（两排锚杆）后确定。
（2）、监测基坑北侧4层楼房的沉降，绘制沉降时程曲线，分析沉降过程趋势和各测点的不均匀沉降量，确定其对楼房的影响程度，监测数据见附图。
5、应用效果
（1）缩短了工期，土方开挖与边坡支护同步进行，基坑开挖到基底垫层浇筑完成只用了45天。
（2）解决了场地狭小给施工带来的不利影响，并保证了相邻建筑的安全，基坑四周建筑物和地下各种管线安全无恙。
（3）支护效果良好，基坑支护完成后，根据对基坑边壁几何尺寸进行的测定，边壁完全符合地下室墙体外墙模的要求，另根据基坑边壁位移的时程曲线分析，基坑边壁位移收敛，最大位移量为22mm。
（4）取得了良好的经济效益，按此方法进行施工比常规施工减少挖填土方量，合计节省费用60万元，护壁费用节省47万元。
最后，一个施工方案的确定应根据工程的具体条件，综合各方面的因素，选择合理的，经济的，安全的支护方案。