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第2章 基坑支护的主要内容和方法
2.1 基坑支护的内容和特点
2.1.1 基坑支护的主要内容和功能
基坑支护是指建筑物或构筑物地下部分施工时，需开挖基坑，进行施工降水和基坑周边的围挡，同时要对基坑四周的建筑物、道路和地下管线进行检测和维护，确保正常、安全施工的一项综合性工程，其内容包括勘探、设计、施工、环境监测和信息反馈等工程内容。基坑工程的服务工作面几乎涉及所有土木工程领域，如建工、水利、港口、路桥、市政、地下工程以及近海工程等工程领域。
基坑支护是地下基础施工中内容丰富而又富于变化的领域。工程界已意识到基坑支护是一项风险工程，是一门综合性很强的新型科学，它涉及到工程地质、土力学、基础工程、结构力学、原位测试技术、施工技术、土与结构相互作用以及环境岩土工程等多学科问题。基坑支护大多是临时工程，影响基坑工程的因素很多，例如地质条件、地下水情况、具体工程要求、天气变化、施工工序及管理、场地周围环境等多种因素影响，可以说它又是一个综合性的系统工程。
基坑支护工程作为土木及建筑工程中的一个重要组成部分，越来越受到人们的关注和重视：一方面是基坑的开挖深度越来越深，技术难度越来越大；另一方面是基坑支护的事故不断产生，特别是一些重大深基坑支护的事故，教训非常深刻。总的来说，基坑支护技术要从一下三方面进行考虑：
(1)保证基坑四周边坡的稳定性，满足地下室施工的空间需求，即基坑支护体系要起到稳定土体的作用。
(2)保证基坑四周相邻建筑物、构筑物和地下管线的安全，即控制基坑施工过程中土体的变形移位，将基坑周围地面沉降和水平位移控制在容许范围内。
(3)保证基坑支护的施工作业面在地下水位以上，即通过截水、降水等排水系统措施，保证施工作业面的要求
因此，基坑支护结构应该与其他建筑设计一样，要求在规定的时间和特定的条件下完成各项预定的功能，包括以下两个方面：
(1)支护结构承载能力不应超过其极限状态，应满足规定的材料强度和稳定性要求，即承载能力极限状态。其承载能力极限状态包括以下几点：
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基坑失稳，即基坑发生稳定性破环；锚固系统或内支撑系统失败； 挡土结构破坏。
(2) 正常使用状态下应满足规定的变形和耐久性要求，即正常使用极限状态。基坑变形不影响地下工程施工、相邻建筑、管线及道路正常使用。出现下列状态之一时即认为超过了正常使用极限状态：
影响正常使用的变形；影响正常使用的耐久性局部破坏（如裂缝）。
基坑支护的设计与施工，既要保证整个支护结构在施工过程中的安全，又要控制结构和周围土体的变形。以保证周围环境的安全。在安全前提下，设计既要合理，又能节约造价、方便施工、缩短工期。要提高基坑支护的设计与施工水平，必须正确选择计算方法、计算模型和岩土力学参数，选择合理的支护结构体系，同时还要有丰富的设计和施工经验。
2.1.2 基坑支护的主要特点
基坑工程作为一个理论还不很成熟的领域，其支护工程的主要特点有以下几个方面：
（1）风险大
当支护结构仅作为地下主体工程那个施工所学要的临时措施时，其使用时间不长，一般不超过两年，属于临时工程，设计的安全储备系数相对较小，加之岩土力学性质、荷载以及环境的变化和不确定性，使支护结构存在着一定风险。 （2）区域性强
岩土工程区域性强，基坑支护工程则表现出更强的区域性。不同地区岩土力学性质千变万化，即使在同一地区的沿途性质也有区别，因此基坑支护设计与施工应因地制宜，结合本地情况及成功经验进行，不能简单照搬。 （3）综合性强
基坑支护是岩土工程、结构工程以及施工技术相互交叉的学科，同时基坑支护工程涉及土力学中的稳定、变形和渗流三个课题，影响基坑支护的因素也很多，所以要求基坑支护共享哼的设计者，应该具备多方面的综合专业知识。 （4）理论不成熟
尽管深基坑支护技术取得了丰硕的成果，但是在理论上仍属尚待发展的综合技术学科。目前基坑支护理论的研究尚不完备，满意的工程实测资料也很少，因此还没有
西南交通大学毕业设计（论文） 第 9 页 条件能够像建筑结构那样通过对材料性能、荷载作用及结构效应等方面的统计分析得出结构可靠性的概率指标。
5.作用因素存在不确定性
（1）外力的不确定性。作用在支护结构上的外力往往随着环境条件 、施工方法和施工步骤等因素的变化而改变。
（2）岩土性质的不确定性。地基土的非均匀性（成层）和地基土的特性不是常量，在基坑的不同部位、不同施工阶段岩土性质是变化的，地基土对支护结构的作用或提供的抗力也随之而变化。
（3）一些偶然变化所引起的不确定因素。施工场地内土压力分布的意外变化、事先没有掌握的地下障碍物或地下管线以及周围环境的改变等等，这些事前未曾预料的因素都会对基坑支护工程产生影响。
由于存在以上不确定性以及支护理论上的不成熟等因素，很难对基坑工程的设计与施工定出一套标准模式，或用一套严密的理论计算方法来把握施工过程中可能发生的各种变化，因此在基坑支护工程中发生工程事故的概率比较高。目前只能采用理论计算与地区经验相结合的半经验、半理论的方法进行设计，在某种意义上讲，成功的工程经验往往更重要。
2.2 基坑支护方法概述
深基坑支护的方法种类很多，具体工程中采用何种支护方法主要根据基坑开挖深度、岩土性质、基坑周围场地情况及施工条件等因素综合考虑决定。目前在工程中常用的支护方法有：护壁桩支护结构、拉锚式支护结构、土钉墙支护、地下连续墙支护。
2.2.1 护壁桩支护结构
护壁桩主要可分为灌注桩、预制桩和深层搅拌桩。灌注桩应用比较广泛，由于其无噪声、无振动，对环境影响小等优点，使得灌注桩在工程界得到普遍的应用。灌注桩的类型按其成孔方式可分为人工挖孔灌注桩和机械钻孔灌注桩。人工挖孔桩因施工方便，造价低廉而得到广泛的应用，但人工挖孔桩也有其局限性：当地层中含有流沙，砾石等强透水层且水量大时，以及当地层中含有沼气或一氧化碳等有毒气体时，对人工挖孔桩施工也是一个威胁，应尽量避免。利用并列的机械钻孔灌注桩组成的围护墙体由于施工简单，墙体刚度大，造价低，因此在工程中用的比较多。就挡土而言，钻孔灌注桩挡土结构可用于开挖深度比较大的基坑。在地下水位较高地区，为了防止地
西南交通大学毕业设计（论文） 第 10 页 下水并夹带土体颗粒从桩间空隙流入坑内，应同时在桩间或桩背采取高压注浆，设置深层搅拌桩，旋喷桩等措施，或在桩后专门构筑防水帷幕。预制桩一般是预先在一定的场地制作成型，采用打桩机械打入土中，施工质量易于保证，但打桩时产生的噪声，振动和挤土将大大影响周围环境，故在使用时收到一定的限制，一般用于较浅的基坑支护中。预制桩按其材料种类可分为钢筋混凝土预制桩和钢板桩。深层搅拌桩是利用水泥，石灰等材料作为固化剂，通过深层搅拌机械，将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理－化学反应，是软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体，是加固软土地基的一种新方法。
深层搅拌桩由具有一定刚性的脆性材料所构成，按其强度和刚度分，它是介于刚性桩（灌注桩、钢筋混凝土预制桩）和柔性桩（砂桩、碎石桩）之间的一种桩型。深层搅拌桩最适宜于处理淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高的粘性土地基，其优点在于：
（1）其施工工艺由于将固化剂和原地基软土就地搅拌混合，因而最大限度的利用了原土；
（2）搅拌时不会将地基土侧向挤出，因而对周围既有建筑物的影响较小； （3）按照不同地基土的性质及工程设计要求，合理选择固化剂及其配方，设计比较灵活；
（4）施工时无振动，无噪声，无污染，可在市区内和密集建筑群中进行施工； （5）土体加固后重度基本不变，对软弱下卧层不致产生附加沉降。
2.2.2 地下连续墙支护
地下连续墙围护呈封闭状态，在深基坑开挖后，加上内支撑或锚杆，就可以起到挡土的作用，更加方便深基坑工程的施工。特别是当今地下连续墙已经发展到既是基坑施工时的挡土围护结构，又可以作为拟建主体结构的侧墙（此时在墙体内侧宜加筑钢筋混凝土衬套），即两墙合一。
地下连续墙按照施工材料的不同，可分为钢筋混凝土连续墙、桩排式连续墙和水泥土地下连续墙。其施工工艺具有如下优点：
（1）墙段刚度大，整体性好，因而结构和地基变形都较小即可用于超深围护结构，也可用于主体结构；
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（2）使用各种地质条件。对砂卵石地层要求进入风化岩层时，钢板桩难以施工，但却可以采用合适放入成槽机构施工的地下连续墙结构；
（3）可减少工程施工时对环境的影响。施工时振动少，噪声低，对周围相邻的工程结构和地下管线影响较小，对沉降及变位较易控制；
（4）可进行逆筑法施工，有利于加快施工进度，降低造价。
由于地下连续墙具有整体刚度大和防渗性能好，适用于地下水位以下的软粘土和砂土多种底层条件和复杂的施工环境，尤其是基坑底面以下有深层软粘土需将墙插入很深的情况。但地下连续墙的造价高于钻孔灌注桩与深层搅拌桩，因此要根据基坑开挖深度，土质情况和周围环境情况，通过技术经济比较认为经济合理才可采用。一般来说，当在软土层中基坑开挖深度大于10米，周围相邻建筑物如地下管线对沉降与位移要求较高，或用作主体结构的一部分，或采用逆筑法施工时，可采用地下连续墙。
2.2.3 土钉支护
土钉支护是近年来发展起来用于基坑开挖和边坡稳定的一种新型支护结构。它是由密集的土钉群，被加固的土体，喷射混凝土面层组成，形成一个复合的，、能自稳的、类似于重力式挡墙的挡土结构，以此来抵抗墙后传来的土压力和其他作用力，从而使开挖基坑或边坡稳定。
土钉一般是通过钻孔，插筋，注浆来设置的，但是也可以通过直接打入较粗的钢筋或型钢形成土钉。土钉主要分为钻孔注浆土钉和打入式土钉两类。钻孔注浆土钉是目前工程中最常用的土钉类型。打入式土钉的优点是不需要预先钻孔，施工速度快。
与其他支护结构相比，土钉支护的优点主要体现在：
（1）能合理利用土体的自承能力，将土体作为支护结构不可分割的部分； （2）结构轻型、柔性大，有良好的抗震性能和延性； （3）施工设备简单轻便，不需要大型的机具和复杂的工艺； （4）施工方便，速度快，不需单独占用场地；
（5）工程造价低，据国内外资料分析，土钉支护工程造价比其他支护形式的工程造价低1/3～1/2左右。
土钉支护的缺点和局限性主要是基坑变形大。由于土钉支护是一种被动受力支护形式，只有土体发生变形时土钉才受力，因此基坑变形位移相对较大。土钉支护不宜用于对基坑变形有严格要求的支护工程中，土钉支护基坑的深度不宜太大。