浅析深基坑支护结构型式与选择

摘 要：较为详细地分析了目前深基坑支护结构的主要型式、选型原则及其优缺点，可为同类工程提供参考，同时可提高施工经济效益。

关键词：深基坑支护结构型式支护结构设计 设计研究

Abstract: This paper detailedly analyses the main types, type selection principle and its advantages and disadvantages of deep foundation pit bracing structure currently, which provides a reference for the similar projects, and improves the construction economic benefits.

Keywords: deep foundation pit; bracing structure types; bracing structure design; design research

中图分类号：TV551.4 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）

支护结构包括结构设计、 施工、 监测等。由于各建筑基坑周围环境(如邻近建筑物结构和基础型式、 距坑边距离； 管线种类、 埋深、材质和接头型式； 周围道路情况和重要性等)的多样性， 场地大小、 基坑形状、 深度、 工程地质和水文地质条件的不同， 其支护结构型式也是多种多样的。随着我国城市高层建筑的大量兴建，建筑愈来愈呈现出向高空和地下发展的趋势， 因而建筑物地下室的层数愈来愈多， 深基坑开挖越来越深，而开挖所需投入的费用也越来越大。 这就给工程界提出了新的问题和挑战， 即如何总结原有的工程经验， 发展新的理论依据和探索新的施工工艺， 以满足不断提出问题的解决。基坑开挖及基础工程的费用， 在整个工程成本中占有很大的比例， 因此合理的选择支护型式， 采用相应的施工工艺， 协调好安全、 经济、 可行三者之间的关系，是岩土工程界进行深基坑支护设计的关键。

一、支护结构型式分析

1.1 重力式支护

这种重力式结构是采用深层搅拌水泥土桩排挡土，靠其自身重力抵抗侧压力维持自身稳定。挡墙多呈栅格式截面， 宽度约 0.6h~0.8h(h 为基坑深，下同)，坑底以下入土深度约 0.8h~1.2h，截面置换率约0.6~0.8， 桩的相互搭接宽度不少于 200mm，水泥掺入比 13%左右。 当挡墙长度较大时， 为减小其位移，可采取起拱、 加墩等措施。顶面做混凝土板， 墙内插竹筋或细钢筋以增强整体性。 在基坑深不大于 7m， 坑边距道路红线或距邻近建筑物、管网间的距离足够时可优先采用此种结构。 它的优点是在地下水位高于坑底的情况下不需做防渗结构，施工简便， 工程造价低， 便于坑内取土和地下结构施工。 该结构在上海地区已得到广泛应用， 并已有成熟的经验。 其缺点是要求施工场地较宽，施工时要特别加强质量管理， 减少对周围环境的影响。

1.2 悬臂式支护

悬臂式支护在一层地下室或开挖深度在 7m 以内的基坑使用较普遍， 但也有用于两层地下室开挖深度在 10m左右的基坑。挡土结构有预制桩、 人工挖孔桩、 钻孔灌注桩、 地下连续墙等， 多采用钻孔灌注桩。桩长一般大于基坑深度的 1.5倍，一般在桩顶设有一道锁口梁。 防渗结构有静压注浆、 粉喷桩、 深层搅拌桩， 多采用深层搅拌桩。其优点是施工较简便， 无支撑便于坑内取土和地下结构施工； 缺点是仅适用于较浅(≤7m)的基坑支护， 水平位移较大， 除连续墙外， 其他挡土结构当地下水位高于坑底时， 均需采取防渗措施， 或者采取降低地下水位的措施。

1.3桩(墙)锚拉支护

桩(墙)锚拉支护是目前高层建筑深基坑最常用的坑壁支护形式之一。基坑深度一般在 13m 左右， 最深约 20m。挡土结构有钻孔灌注桩、 人工挖孔桩、 钢板桩(含型钢桩)、 地下连续墙。多采用土层锚杆锚拉，少数采用锚桩锚拉。挡土结构多采用钻孔灌注桩。当基坑较深(>10m)，且坑周邻近建筑物及地下管线不影响锚杆的设置和施工情况下使用此种支护。优点是支护结构位移较小， 内部无支撑， 有利于基坑挖土和地下结构施工， 因增加了锚杆施工，工期相对较长。

1.4 内支撑支护

内支撑支护也是建筑深基坑坑壁最常用的支护形式之一，可分为水平支撑和斜支撑， 支撑杆有钢管和钢筋混凝土两种。 挡土结构有钻孔灌注桩、 人工挖孔桩、 地下连续墙和拉森板桩。 当基坑较深， 地质条件较差或坑边距邻近建筑物、 地下管线较近， 施工受到周围环境限制时， 多采用内支撑支护。内支撑支护具有支护结构位移小，可靠性高的优点， 其缺点是对基坑挖土和地下结构施工不便。

1.5 拱形支撑

拱形支撑多采用钻孔灌注桩挡土。一般根据基坑的平面形状采用混凝土环形梁支撑。这种支护结构在上海市深基坑支护中使用较多， 其他地区也有采用的。拱形支撑适用于淤泥质软土地基、 场地狭窄且基坑形状呈圆形或椭圆形和因坑周围建筑物、地下管线障碍不能采用拉锚支护的深基坑。 它具有形式简单、 受力明确、 支护可靠、有利于基坑挖土和地下结构施工等优点。

1.6 喷锚支护

喷锚支护是 20 世纪 90 年代初开始使用的深基坑支护结构， 它具有工期短、 造价低、 适应性强的优点。 它不仅适应地下水位低， 也适应地下水位高地下水补给充分的基坑，是深基坑支护结构中最有发展前途的支护结构。

二、基坑支护结构设计

2.1 围护结构设计

2.1.1 围护结构选择

根据结构的特性、 场地情况、 周围环境、基坑深度、 宽度、工期安排、 工程地质和水文地质状况，对围护结构进行比较选择。对于含水的软黏土、 流砂地层一般采用地下连续墙结构； 对于水位不高， 或允许大面积降水的黏性土层，可采用人工挖孔或钻孔灌注桩； 对于水位较高， 且不允许大面积降水的粘性砂土层，可采用钻孔桩 + 旋喷桩的围护型式； 对于自稳性较好的软岩地层或弱风化岩层，可以采用喷锚支护或土钉墙技术。 为降低成本， 设计时，可根据具体工况， 选择一到两种围护结构。

2.1.2 荷载确定

围护结构的荷载一般有地面超压、水土压力。

1)地面超压一般按 20kpa 计， 当基坑边沿有建筑物或特殊荷载(如塔吊基础等)时需按实际荷载计算。

2)水土压力:在施工阶段， 黏性土层或坑内外均进行降水的砂性土层按水土合算， 仅坑内降水的砂性土层按水土分算； 在使用阶段， 为永久结构的安全，不论砂性土层还是黏性土层， 均宜按水土分算考虑。

2.1.3 围护结构计算方法

1)弹塑性有限元法:将结构与地层作为一相互作用体， 通过理论假定确定地层的本构关系及地层与结构界面的作用模式，按照施工过程逐步模拟地层与结构的作用机理，确定结构内力与变形的变化及周围土层的力学机理及变位。目前采用的计算模型主要有理想弹塑性模型、 黏弹性模型、 邓肯 - 张非线性模型等。通用的计算程序有ANSYS 程序、 2D-σ、 3D-σ 程序及同济曙光程序等。由于围岩性质极其复杂， 很难用一种单一的模型进行模拟， 加之地层应力的释放过程与开挖方式、 开挖过程、 支撑形式支撑刚度等有着密切的联系， 使计算过程中的一些参数难于确定，最后导致计算结果难于反应真实的受力情况。因此这种计算方法一般用于定性分析或同一工况下的施工方式比选。

2)杆件有限元法:已知基坑面以上的结构荷载，用弹簧模拟基坑以下地层与结构的相互作用， 以梁(板)单元模拟结构， 随施工的不同阶段按增量法或总量法对受力结构进行计算。目前多采用 SAP84 程序、理正深基坑计算程序、 同济启明星计算程序等。

3)理论假定简化法:如假想支点法、 等值梁法、 m 法等。目前设计中， 以杆件有限元法应用较为普遍， 计算结果或计算精度较为接近实际。

2.1.4 围护结构设计

根据结构受力结果，依照相应的规范按结构的重要性强度、 刚度、 稳定性、 变位及构造要求进行结构设计，在满足上述条件下尽量做到经济合理、 便于施工。

2.2 支撑结构设计

2.2.1 支撑结构选择

首先根据地层条件、 地下管线、基坑尺寸、 施工要求确定锚拉式或内撑式支撑方式。对于内撑式结构， 应根据材料情况、施加预应力方式来确定支撑结构材料。

2.2.2 撑结构计算

1)锚杆计算:锚杆承载力主要由拉杆的极限抗拉强度、 拉杆与锚固体之间的极限握裹力、 锚固体与土体之间的极限抗拔力确定。一般在软质岩、 风化岩层和土层中锚杆的极限抗拉强度、 锚杆孔壁与砂浆的摩阻力均低于砂浆对钢拉杆的握裹力，锚杆极限抗拔力受孔壁摩阻力的控制， 即取决于沿接触面软质岩和土层的抗剪强度。

2)内支撑计算:根据偏心受压构件的强度、平面内及平面外的稳定性进行结构计算， 除竖向荷载(支撑自重和支撑顶面的施工活荷载等)产生的偏心弯距外， 同时要考虑支撑安装误差造成的偏心影响，其偏心距可考虑支撑计算长度的 1/1000。

三、结束语

综上所述，建筑深基坑安全性是当今建筑工程所面临的难点之一,它直接影响到建筑基础是否能够顺利进行。深基坑工程是当前很受人关注的岩土工程热点， 也是技术复杂、综合性很强的难点。深基坑工程的费用在整个工程成本中占有很大的比例， 因此， 如何选择合适的支护型式以及合理的设计参数是深基坑工程的关键。基坑支护型式需综合考虑基坑周边环境、 造价、 技术上的可靠性等措施。一般而言，在满足基坑稳定和周围环境对基坑变形要求的前提下， 尽量选用造价低的支护结构型式， 忌盲目提高基坑变形控制标准，而选择造价昂贵的支护型式， 造成不必要的浪费。

参考文献:

[1]陈海勇.浅谈深基坑支护方案的选择[J].四川建筑， 2001 (3):41-42.

[2]朱明清， 纪红伟.浅谈深基坑支护技术在现代建筑中的应用[J].山西建筑， 2006， 32(9):64-65.

[3]李栖华， 梁文.深基坑支护型式与质量管理要点[J].低温建筑技术， 2001， (01)。