软土地区深基坑开挖与支护设计分析Word格式.docx

软土地区深基坑开挖与支护设计分析Word格式.docx

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这个事件的报道引起全国亿万人民的强烈反响，也引起了我们对深基坑开挖与支护问题的关注与思索。

二、研究现状

收集前期准备：

1、我国深基坑工程的主要特点及存在的主要问题

基坑是建筑工程的一部分，其发展与建筑业的发展密切相关，而深基坑是充分利用土地资源的方式之一，由于我国地少人多，人均占有土地还不及全世界人均占有土地的1/10，为节约土地，向空间要住房,向旧房要面积，许多高层建筑拔地而起。

据不完全统计，1980~1989年10年间，我国新建高层建筑1000余幢，1990年~1999年10年间，全国新建的高层建筑超过9000幢，适当发展多层和高层，向空中和地下发展，是解决我国土地资源紧张的一条重要出路，随着城镇建设中高层及超高层建筑的大量涌现，深基坑工程越来越多。

同时，密集的建筑物、大深度的基坑、周围复杂的地下设施,使得放坡开挖基坑这一传统技术不再能满足现代城镇建设的需要,因此,深基坑开挖与支护引起了各方面的关注。

2、基坑开挖与支护状况具有以下特点:

①基坑越挖越深

或为了使用方便，或因为地皮珍贵，或为了符合建管规定及人防需要，建筑投资者不得不向地下空间发展。

过去，即使在大城市建1~2层地下室也不普遍，中等城市更为少见。

现在在大城市、沿海城市，尤其是特区，地下3~4层已很寻常，5~6层也有。

因此，基坑深度多大于10m。

②工程地质条件越来越差

城市建设不像水电站、核电站等重要设施那样，可以在广阔地域中选择优越的建设场地，只能根据城市规划需要，随遇而安，因此，地质条件往往较差，这一点在某些沿海经济开发区较为突出，有些开发区位于填海、填湖、淤河、泥塘或沼泽地，工程地质条件十分复杂。

③基坑四周已建或在建高大建筑物密集或紧靠重要市政设

施大兴土木不仅要确保本身基坑稳定，更不能殃及池鱼。

④基坑围护方法多

诸如人工挖孔桩、预制桩、深层搅拌桩、地下连续墙、钢支撑、木支撑、砂袋堆撑、拉锚、抗滑桩、注浆、喷锚网支护法，各种桩、板、墙、管、撑同锚杆联合支护法，以及土钉墙法等等，应有尽有，各显神通。

⑤基坑工程事故多

此问题目前在建筑界显得异常突出，以致很难举出哪个地区、哪个大城市或特区已建基坑工程近年来不出毛病的例子，地质条件较好的地区（如北京）出毛病，地质条件差的地区（如上海、海口、惠州等）更出毛病，坑浅的出毛病，坑深的更出毛病。

有的地区基坑工程成功率大体仅为1/3，另有2/3是出了工程事故的，或多少有毛病的，其结果是,给国家造成巨大经济损失,影响居民安定生活,造成市政交通堵塞,危及四方。

三、资料分析

1、深基坑土方开挖

深基坑挖土是基坑工程的重要部分，对于土方数量大的基坑，基坑工程工期的长短在很大程度上取决于挖土的速度。

另外，支护结构的强度和变形控制是否满足要求，降水是否达到预期的目的，都靠挖土阶段来进行检验，因此，基坑工程成败与否也在一定程度上有赖于基坑挖土。

在基坑土方开挖之前，要详细了解施工区域的地形和周围环境；

土层种类及其特性；

地下设施情况；

支护结构的施工质量；

土方运输的出口；

政府及有关部门关于土方外运的要求和规定（有的大城市规定只有夜间才允许土方外运）。

要优化选择挖土机械和运输设备；

要确定堆土场地或弃土处；

要确定挖土方案和施工组织；

要对支护结构、地下水位及周围环境进行必要的监测和保护。

基坑工程的挖土方案，主要有放坡挖土、中心岛式（也称墩式）挖土、盆式挖土和逆作法挖土。

前者无支护结构，后三种皆有支护结构。

1放坡挖土

放坡开挖是最经济的挖土方案。

当基坑开挖深度不大（软土地区挖深不超过4m；

地下水位低的土质较好地区挖深亦可较大）、周围环境又允许时，经验算能确保土坡的稳定性时，均可采用放坡开挖。

开挖深度较大的基坑，当采用放坡挖土时，宜设置多级平台分层开挖，每级平台的宽度不宜小于1.5m。

放坡开挖要验算边坡稳定，可采用圆弧滑动简单条分法进行验算。

对于正常固结土，可用总应力法确定土体的抗剪强度，采用固结快剪峰值指标。

至于安全系数，可根据土层性质和基坑大小等条件确定，上海的基坑工程设计规程规定，对一级基坑安全系数取1.38~1.43；

二、三级基坑取1.25~1.30。

快速卸荷的边坡稳定验算，当采用直剪快剪试验的峰值指标时，安全系数可相应减小20%。

采用简单条分法验算边坡稳定时，对土层性质变化较大的土坡，应分别采用各土层的重度和抗剪强度。

当含有可能出现流砂的土层时，宜采用井点降水等措施。

对土质较差且施工工期较长的基坑，对边坡宜采用钢丝网水泥喷浆或用高分子聚合材料覆盖等措施进行护坡。

坑顶不宜堆土或存在堆载（材料或设备），遇有不可避免的附加荷载时，在进行边坡稳定性验算时，应计入附加荷载的影响。

在地下水位较高的软土地区，应在降水达到要求后再进行土方开挖，宜采用分层开挖的方式进行开挖。

分层挖土厚度不宜超过2.5m。

挖土时要注意保护工程桩，防止碰撞或因挖土过快、高差过大使工程桩受侧压力而倾斜。

如有地下水，放坡开挖应采取有效措施降低坑内水位和排除地表水，严防地表水或坑内排出的水倒流回渗入基坑。

基坑采用机械挖土，坑底应保留200~300mm厚基土，用人工清理整平，防止坑底土扰动。

待挖至设计标高后，应清除浮土，经验槽合格后，及时进行垫层施工。

2中心岛（墩）式挖土

中心岛（墩）式挖土，宜用于大型基坑，支护结构的支撑型式为角撑、环梁式或边桁（框）架式，中间具有较大空间情况下。

此时可利用中间的土墩作为支点搭设栈桥。

挖土机可利用栈桥下到基坑挖土，运土的汽车亦可利用栈桥进入基坑运土。

这样可以加快挖土和运土的速度（图1）。

图1中心岛（墩）式挖土示意图

1-栈桥；

2-支架（尽可能利用工程桩）；

3-围护墙；

4-腰梁；

5-土墩

中心岛（墩）式挖土，中间土墩的留土高度、边坡的坡度、挖土层次与高差都要经过仔细研究确定。

由于在雨季遇有大雨土墩边坡易滑坡，必要时对边坡尚需加固。

挖土亦分层开挖，多数是先全面挖去第一层，然后中间部分留置土墩，周围部分分层开挖。

开挖多用反铲挖土机，如基坑深度大则用向上逐级传递方式进行装车外运。

整个的土方开挖顺序，必须与支护结构的设计工况严格一致。

要遵循开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖的原则。

挖土时，除支护结构设计允许外，挖土机和运土车辆不得直接在支撑上行走和操作。

为减少时间效应的影响，挖土时应尽量缩短围护墙无支撑的暴露时间。

一般对一、二级基坑，每一工况挖至规定标高后，钢支撑的安装周期不宜超过一昼夜，混凝土支撑的完成时间不宜超过两昼夜。

对面积较大的基坑，为减少空间效应的影响，基坑土方宜分层、分块、对称、限时进行开挖，土方开挖顺序要为尽可能早的安装支撑创造条件。

土方挖至设计标高后，对有钻孔灌筑桩的工程，宜边破桩头边浇筑垫层，尽可能早一些浇筑垫层，以便利用垫层（必要时可加厚作配筋垫层）对围护墙起支撑作用，以减少围护墙的变形。

挖土机挖土时严禁碰撞工程桩、支撑、立柱和降水的井点管。

分层挖土时，层高不宜过大，以免土方侧压力过大使工程桩变形倾斜，在软土地区尤为重要。

同一基坑内当深浅不同时，土方开挖宜先从浅基坑处开始，如条件允许可待浅基坑处底板浇筑后，再挖基坑较深处的土方。

如两个深浅不同的基坑同时挖土时，土方开挖宜先从较深基坑开始，待较深基坑底板浇筑后，再开始开挖较浅基坑的土方。

如基坑底部有局部加深的电梯井、水池等，如深度较大宜先对其边坡进行加固处理后再进行开挖。

③盆式挖土（图2）

盆式挖土是先开挖基坑中间部分的土，周围四边留土坡，土坡最后挖除。

这种挖土方式的优点是周边的土坡对围护墙有支撑作用，有利于减少围护墙的变形。

其缺点是大量的土方不能直接外运，需集中提升后装车外运。

图2盆式挖土

盆式挖土周边留置的土坡，其宽度、高度和坡度大小均应通过稳定验算确定。

如留的过小，对围护墙支撑作用不明显，失去盆式挖土的意义。

如坡度太陡边坡不稳定，在挖土过程中可能失稳滑动，不但失去对围护墙的支撑作用，影响施工，而且有损于工程桩的质量。

盆式挖土需设法提高土方上运的速度，对加速基坑开挖起很大作用。

2、深基坑土方开挖的注意事项

①土方开挖顺序、方法必须与设计工况一致，并遵循“开槽支撑，先撑后挖，分层开挖，严禁超挖”的原则。

②防止深基坑挖土后土体回弹变形过大

深基坑土体开挖后，地基卸载，土体中压力减少，土的弹性效应将使基坑底面产生一定的回弹变形（隆起）。

回弹变形量的大小与土的种类、是否浸水、基坑深度、基坑面积、暴露时间及挖土顺序等因素有关。

如基坑积水，粘性土因吸水使土的体积增加，不但抗剪强度降低，回弹变形亦增大，所以对于软土地基更应注意土体的回弹变形。

回弹变形过大将加大建筑物的后期沉降。

宝钢施工时曾用有限元法预测过挖深32.2m的热轧厂铁皮坑的回弹变形，最大值约354mm，实测值也与之接近。

由于影响回弹变形的因素比较复杂，回弹变形计算尚难准确。

如基坑不积水，暴露时间不太长，可认为土的体积在不变的条件下产生回弹变形，即相当于瞬时弹性变形，可把挖去的土重作为负荷载按分层总和法计算回弹变形。

施工中减少基坑回弹变形的有效措施，是设法减少土体中有效应力的变化，减少暴露时间，并防止地基土浸水。

因此，在基坑开挖过程中和开挖后，均应保证井点降水正常进行，并在挖至设计标高后，尽快浇筑垫层和底板。

必要时，可对基础结构下部土层进行加固。

③防止边坡失稳

深基础的土方开挖，要根据地质条件（特别是打桩之后）、基础埋深、基坑暴露时间挖土及运土机械、堆土等情况，拟定合理的施工方案。

目前挖土机械多用斗容量1m3的反铲挖土机，其实际有效挖土半径约5~6m，而挖土深度为4~6m，习惯上往往一次挖到深度，这样挖土形成的坡度约1：

1。

由于快速卸荷、挖土与运输机械的振动，如果再于开挖基坑的边缘2~3m范围内堆土，则易于造成边坡失稳。

挖土速度快即卸载快，迅速改变了原来土体的平衡状态，降低了土体的抗剪强度，呈流塑状态的软土对水平位移极敏感，易造成滑坡。

边坡堆载（堆土、停机械等）给边坡增加附加荷载，如事先未经详细计算，易形成边坡失稳。

上海某工程在边坡边缘堆放3m高的土，已挖至-4m标高的基坑，一夜间又上升到-3.8m，后经突击卸载，组织堆土外运，才避免大滑坡事故。

④防止桩位移和倾斜

打桩完毕后基坑开挖，应制订合理的施工顺序和技术措施，防止桩的位移和倾斜。

对先打桩后挖土的工程，由于打桩的挤土和动力波的作用，使原处于静平衡状态的地基土遭到破坏。

对砂土甚至会形成砂土液化，地下水大量上升到地表面，原来的地基强度遭到破坏。

对粘性土由于形成很大的挤压应力，孔隙水压力升高，形成超静孔隙水压力，土的抗剪强度明显降低。

如果打桩后紧接着开挖基坑，由于开挖时的应力释放，再加上挖土高差形成一侧卸荷的侧向推力，土体易产生一定的水平位移，使先打设的桩易产生水平位移。

软土地区施工，这种事故已屡有发生，值得重视。

为此，在群桩基础的桩打设后，宜停留一定时间，并用降水设置预抽地下水，待土中由于打桩积聚的应力有所释放，孔隙水压力有所降低，被扰动的土体重新固结后，再开挖基坑土方。

而且土方的开挖宜均匀、分层，尽量减少开挖时的土压力差，以保证桩位正确和边坡稳定。

⑤配合深基坑支护结构施工

深基坑的支护结构，随着挖土加深侧压力加大，变形增大，周围地面沉降亦加大。

及时加设支撑（土锚），尤其是施加预紧力的支撑，对减少变形和沉降有很大的作用。

为此，在制订基坑挖土方案时，一定要配合支撑（土锚）加设的需要，分层进行挖土，避免片面只考虑挖土方便而妨碍支撑的及时加设，造成有害影响。

3、土方开挖阶段的应急措施

土方开挖有时会引起围护墙或临近建筑物、管线等产生一些异常现象。

此时需要配合有关人员及时进行处理，以免产生大祸。

①围护墙渗水与漏水

土方开挖后支护墙出现渗水或漏水，对基坑施工带来不便，如渗漏严重时则往往会造成土颗粒流失，引起支护墙背地面沉陷甚至支护结构坍塌。

在基坑开挖过程中，一旦出现渗水或漏水应及时处理，常用的方法有：

对渗水量较小，不影响施工也不影响周边环境的情况，可采用坑底设沟排水的方法。

对渗水量较大，但没有泥砂带出，造成施工困难，而对周围影响不大的情况，可采用“引流－修补”方法。

即在渗漏较严重的部位先在围护墙上水平（略向上）打入一根钢管，内径20~30mm，使其穿透支护墙体进入墙背土体内，由此将水从该管引出，而后将管边围护墙的薄弱处用防水混凝土或砂浆修补封堵，待修补封堵的混凝土或砂浆达到一定强度后，再将钢管出水口封住。

如封住管口后出现第二处渗漏时，按上面方法再进行“引流－修补”。

如果引流出的水为清水，周边环境较简单或出水量不大，则不作修补也可，只需将引入基坑的水设法排出即可。

对渗、漏水量很大的情况，应查明原因，采取相应的措施：

如漏水位置离地面不深处，可将支护墙背开挖至漏水位置下500~1000mm，在支护墙后用密实混凝土进行封堵。

如漏水位置埋深较大，则可在墙后采用压密注浆方法，浆液中应掺入水玻璃，使其能尽早凝结，也可采用高压喷射注浆方法。

采用压密注浆时应注意，其施工对支护墙会产生一定压力，有时会引起支护墙向坑内较大的侧向位移，这在重力式或悬臂支护结构中更应注意，必要时应在坑内局部回土后进行，待注浆达到止水效果后再重新开挖。

②防止围护墙侧向位移发展

基坑开挖后，支护结构发生一定的位移是正常的，但如位移过大，或位移发展过快，则往往会造成较严重的后果。

如发生这种情况，应针对不同的支护结构采取相应的应急措施。

（1）重力式支护结构

对水泥土墙等重力式支护结构，其位移一般较大，如开挖后位移量在基坑深度的1/100以内，尚应属正常，如果位移发展渐趋于缓和，则可不必采取措施。

如果位移超过1/100或设计估计值，则应予以重视。

首先应做好位移的监测，绘制位移一时间曲线，掌握发展趋势。

重力式支护结构一般在开挖后1~2d内位移发展迅速，来势较猛，以后7d内仍会有所发展，但位移增长速率明显下降。

如果位移超过估计值不太多，以后又趋于稳定，一般不必采取特殊措施，但应注意尽量减小坑边堆载，严禁动荷载作用于围护墙或坑边区域；

加快垫层浇筑与地下室底板施工的速度，以减少基坑敞开时间；

应将墙背裂缝用水泥砂浆或细石混凝土灌满，防止雨水、地面水进入基坑及浸泡支护墙背土体。

对位移超过估计值较多，而且数天后仍无减缓趋势，或基坑周边环境较复杂的情况，同时还应采取一些附加措施，常用的方法有：

水泥土墙背后卸荷，卸土深度一般2m左右，卸土宽度不宜小于3m；

加快垫层施工，加厚垫层厚度，尽早发挥垫层的支撑作用；

加设支撑，支撑位置宜在基坑深度的1/2处，加设腰梁加以支撑（图6-189）。

图6-189水泥土墙加临时支撑

（a）对撑；

（b）竖向斜撑

1-水泥土墙；

2-围檩；

3-对撑；

4-吊索；

5-支承型钢；

6-竖向斜撑；

7-铺地型钢；

8-板桩；

9-混凝土垫层

（2）悬臂式支护结构

悬臂式支护结构发生位移主要是其上部向基坑内倾斜，也有一定的深层滑动。

防止悬臂式支护结构上部位移过大的应急措施较简单，加设支撑或拉锚都是十分有效的，也可采用支护墙背卸土的方法。

防止深层滑动也应及时浇筑垫层，必要时也可加厚垫层，以形成下部水平支撑。

（3）支撑式支护结构

由于支撑的刚度一般较大，带有支撑的支护结构一般位移较小，其位移主要是插入坑底部分的支护桩墙向内变形。

为了满足基础底板施工需要，最下一道支撑离坑底总有一定距离，对一道支撑的支护结构，其支撑离坑底距离更大，支护墙下段的约束较小，因此在基坑开挖后，围护墙下段位移较大，往往由此造成墙背土体的沉陷。

因此，对于支撑式支护结构，如发生墙背土体的沉陷，主要应设法控制围护桩（墙）嵌入部分的位移，着重加固坑底部位，具体措施有：

1）增设坑内降水设备，降低地下水。

如条件许可，也可在坑外降水；

2）进行坑底加固，如采用注浆、高压喷射注浆等提高被动区抗力；

3）垫层随挖随浇，对基坑挖土合理分段，每段土方开挖到底后及时浇筑垫层；

4）加厚垫层、采用配筋垫层或设置坑底支撑。

对于周围环境保护很重要的工程，如开挖后发生较大变形后，可在坑底加厚垫层，并采用配筋垫层，使坑底形成可靠的支撑，同时加厚配筋垫层对抑制坑内土体隆起也非常有利。

减少了坑内土体隆起，也就控制了支护墙下段位移。

必要时还可在坑底设置支撑，如采用型钢，或在坑底浇筑钢筋混凝土暗支撑（其顶面与垫层面相同），以减少位移，此时，在支护墙根处应设置围檩，否则单根支撑对整个支护墙的作用不大。

如果是由于支护墙的刚度不够而产生较大侧向位移，则应加强支护墙体，如在其后加设树根桩或钢板桩，或对土体进行加固等。

③流砂及管涌的处理

在细砂、粉砂层土中往往会出现局部流砂或管涌的情况，对基坑施工带来困难。

如流砂等十分严重则会引起基坑周围的建筑、管线的倾斜、沉降。

对轻微的流砂现象，在基坑开挖后可采用加快垫层浇筑或加厚垫层的方法“压注”流砂。

对较严重的流砂应增加坑内降水措施，使地下水位降至坑底以下0.5~1m左右。

降水是防治流砂的最有效的方法。

管涌一般发生在围护墙附近，如果设计支护结构的嵌固深度满足要求。

则造成管涌的原因一般是由于坑底的下部位的支护排桩中出现断桩，或施打未及标高，或地下连续墙出现较大的孔、洞，或由于排桩净距较大，其后止水帷幕又出现漏桩、断桩或孔洞，造成管涌通道所致。

如果管涌十分严重也可在支护墙前再打设一排钢板桩，在钢板桩与支护墙间进行注浆，钢板桩底应与支护墙底标高相同，顶面与坑底标高相同，钢板桩的打设宽度应比管涌范围较宽3~5m。

④临近建筑与管线位移的控制

基坑开挖后，坑内大量土方挖去，土体平衡发生很大变化，对坑外建筑或地下管线往往也会引起较大的沉降或位移，有时还会造成建筑的倾斜，并由此引起房屋裂缝，管线断裂、泄漏。

基坑开挖时必须加强观察，当位移或沉降值达到报警值后，应立即采取措施。

对建筑的沉降的控制一般可采用跟踪注浆的方法。

根据基坑开挖进程，连续跟踪注浆。

注浆孔布置可在围护墙背及建筑物前各布置一排，两排注浆孔间则适当布置。

注浆深度应在地表至坑底以下2~4m范围，具体可根据工程条件确定。

此时注浆压力控制不宜过大，否则不仅对围护墙会造成较大侧压力，对建筑本身也不利。

注浆量可根据支护墙的估算位移量及土的空隙率来确定。

采用跟踪注浆时，应严密观察建筑的沉降状况，防止由注浆引起土体搅动而加剧建筑物的沉降或将建筑物抬起。

对沉降很大，而压密注浆又不能控制的建筑，如其基础是钢筋混凝土的，则可考虑采用静力锚杆压桩的方法。

如果条件许可，在基坑开挖前对临近建筑物下的地基或支护墙背土体先进行加固处理，如采用压密注浆、搅拌桩、静力锚杆压桩等加固措施，此时施工较为方便，效果更佳。

对基坑周围管线保护的应急措施一般有两种方法：

（1）打设封闭桩或开挖隔离沟

对地下管线离开基坑较远，但开挖后引起的位移或沉降又较大的情况，可在管线靠基坑一侧设置封闭桩，为减小打桩挤土，封闭桩宜选用树跟桩，也可采用钢板桩、槽钢等，施打时应控制打桩速率，封闭板桩离管线应保持一致距离，以免影响管线。

在管线边开挖隔离沟也对控制位移有一定作用，隔离沟应与管线有一定距离，其深度宜与管线埋深接近或略深，在靠管线一侧还应做出一定坡度。

（2）管线架空

对地下管线离基坑较近的情况，设置隔离桩或隔离沟既不易行也无明显效果，此时可采用管线架空的方法。

管线架空后与围护墙后的土体基本分离，土体的位移与沉降对它影响很小，即使产生一定位移或沉降后，还可对支承架进行调整复位。

管线架空前应先将管线周围的土挖空，在其上设置支承架，支承架的搁置点应可靠牢固，能防止过大位移与沉降，并应便于调整其搁置位置。

然后将管线悬挂于支承架上，如管线发生较大位移或沉降，可对支承架进行调整复位，以保证管线的安全。

图3是某高层建筑边管道保护支承架的示意图。

图3管道支承架

1-管道；

2-支承架；

3-临近高层建筑；

4-支护结构

4、基坑排水、降水方法

在土方开挖过程中，当开挖底面标高低于地下水位的基坑（或沟槽）时，由于土的含水层被切断，地下水会不断渗入坑内。

地下水的存在，非但土方开挖困难，费工费时，边坡易于塌方，而且会导致地基被水浸泡，扰动地基土，造成工程竣工后建筑物的不均匀沉降，使建筑物开裂或破坏。

因此，基坑槽开挖施工中，应根据工程地质和地下