第28讲 1k413000城市轨道交通工程四新版.docx

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第28讲1k413000城市轨道交通工程四新版

1K413020明挖基坑施工1K413021掌握深基坑支护结构与变形控制

基坑工程是由地面向下开挖一个地下空间，深基坑四周一般设置垂直的挡土围护结构，围护结构一般是在开挖面基底下有一定插入深度的板（桩）墙结构；板（桩）墙有悬臂式、单撑式、多撑式。

支撑结构是为了减小围护结构的变形，控制墙体的弯矩；分为内撑和外锚两种。

本条文主要以地铁车站为主介绍基坑开挖支护与变形控制。

一、围护结构

（一）基坑围护结构体系

1．基坑围护结构体系包括板（桩）墙、围檩（冠梁）及其他附属构件。

板（桩）墙主要承受基坑开挖卸荷所产生的土压力和水压力，并将此压力传递到支撑，是稳定基坑的一种施工临时挡墙结构。

2．地铁基坑所采用的围护结构形式很多，其施工方法、工艺和所用的施工机械也各异；因此，应根据基坑深度、工程地质和水文地质条件、地面环境条件等，特别要考虑到城市施工特点，经技术经济综合比较后确定。

（二）深基坑围护结构类型

1．在我国应用较多的有板柱式、柱列式、重力式挡墙、组合式以及土层锚杆、逆筑法、沉井等。

2．不同类型围护结构的特点见表1K413021-1。

不同类型围护结构的特点表1K413021-1

类型

特点

桩板式墙板式桩

1．H钢的间距在1.2—1,5m;

2．造价低，施工简单，有障碍物时可改变间距I

3．止水性差，地下水位高的地方不适用，坑壁不稳的地方不适用；

4．开挖深度上海达到6m左右，无支撑I而日本用于开挖深度lOm以内的基坑（有支撵）

钢板桩

1．成品制作，可反复使用；

2．施工简便，但施工有噪声}

3．刚度小，变形大，与多道支撑结合，在软弱土层中也可采用l

4．新的时候止水性尚好，如有漏水现象，衙增加防水措施

板式钢管桩

1．截面刚度大于钢板桩，在软弱土层中开挖深度可大，在日本开挖深度达30m

2．需有防水措施相配合;

预制混凝土板桩

1．施工简便，但施工有噪声；

2．需辅以止水措施；

3．自重大，受起吊设备限制，不适合大深度基坑。

国内用于lOm以内的基坑，法国用于15m以内深基坑

灌注桩

1．刚度大，可用在深大基坑，

2．施工对周边地层、环境影响小}

3．需降水或和止水措施配合使用，如搅拌桩、旋喷桩等

地下连续墙

1．刚度大，开挖深度大，可适用于所有地层；

2．强度大，变位小，隔水性好，同时可兼作主体结构的一部分，

3．可临近建筑物、构筑物使用，环境影响小；

4．造价高

SMW工法桩

1．强度大，止水性好；

2．内插的型钢可拔出反复使用，经济性好；

3．开挖深度8.65m。

具有较好发展前景，国内上海等城市已有工程实践

自立式水泥土挡墙／水泥土搅拌桩挡墙

1．无支撑，墙体止水性好，造价低；

2．墙体变位大

（1）工字钢桩围护结构

作为基坑围护结构主体的工字钢，一般采用i50号、i55号和I60号大型工字钢。

基坑开挖前，在地面用冲击式打桩机沿基坑设计边线打入地下，桩间距一般为1．O～1.2m。

若地层为饱和淤泥等松软地层也可采用静力压桩机和振动打桩机进行沉桩。

基坑开挖时，随挖土方随在桩间插入50mm厚的水平木板，以挡住桩间土体。

基坑开挖至一定深度后，若悬臂工字钢的刚度和强度都够大，就需要设置腰梁和横撑或锚杆（索），腰梁多采用大型槽钢、工字钢制成，横撑则可采用钢管或组合钢梁。

工字钢桩围护结构适用于黏性土、砂性土和粒径不大于lOOmm的砂卵石地层；当地下水位较高时，必须配合人工降水措施。

打桩时，施工噪声一般都在lOOdB以上，大大超过环境保护法规定的限值。

因此，这种围护结构一般宜用于郊区距居民点较远的基坑施工中。

当基坑范围不大时，例如地铁车站的出入口，临时施工竖井可以考虑采用工字钢做围护结构。

（2）钢板桩围护结构

钢板桩强度高，桩与桩之间的连接紧密，隔水效果好，可重复使用。

因此，沿海城市如上海、天津等地区修建地下铁道时，在地下水位较高的基坑中采用较多；北京地铁一期工程在木樨地过河段也曾采用过。

钢板桩常用断面形式，多为U形或Z形。

我国地下铁道施工中多用U形钢板桩，其沉放和拔除方法、使用的机械均与工字钢桩相同，但其构成方法则可分为单层钢板桩围堰、双层钢板桩围堰及屏幕等。

由于地铁施工时基坑较深，为保证其垂直度且方便施工，并使其能封闭合龙，多采用帷幕式构造。

（3）钻孔灌注桩围护结构

钻孔灌注桩一般采用机械成孔。

地铁明挖基坑中多采用螺旋钻机、冲击式钻机和正反循环钻机等。

对正反循环钻机，由于其采用泥浆护壁成孔，故成孔时噪声低，适于城区施工，在地铁基坑和高层建筑深基坑施工中得到广泛应用。

（4）深层搅拌桩挡土结构

深层搅拌桩是用搅拌机械将水泥、石灰等和地基土相拌合，从而达到加固地基的目的。

作为挡土结构的搅拌桩一般布置成格栅形，深层搅拌桩也可连续搭接布置形成止水帷幕。

（5）SMW桩

SMW桩挡土墙是利用搅拌设备就地切削土体，然后注入水泥类混合液搅拌形成均匀的挡墙，最后，在墙中插入型钢，即形成一种劲性复合围护结构。

这种围护结构的特点主要表现在止水性好，构造简单，型钢插入深度一般小于搅拌桩深度，施工速度快，型钢可以部分回收、重复利用。

（6）地下连续墙

地下连续墙主要有预制钢筋混凝土连续墙和现浇钢筋混凝土连续墙两类，通常地下连续墙一般指后者。

地下连续墙有如下优点：

施工时振动小、噪声低，墙体刚度大，对周边地层扰动小；可适用于多种土层，除夹有孤石、大颗粒卵砾石等局部障碍物时影响成槽效率外，对黏性土、无黏性土、卵砾石层等各种地层均能高效成槽。

地下连续墙施工采用专用的挖槽设备，沿着基坑的周边，按照事先划分好的幅段，开挖狭长的沟槽。

挖槽方式可分为抓斗式、冲击式和回转式等类型。

在开挖过程中，为保证槽壁的稳定，采用特制的泥浆护壁。

泥浆应根据地质和地面沉降控制要求经试配确定，并在泥浆配制和挖槽施工中对泥浆的相对密度、黏度、含砂率和pH等主要技术性能指标进行检验和控制。

每个幅段的沟槽开挖结束后，在槽段内放置钢筋笼，并浇筑水下混凝土。

然后将若干个幅段连成一个整体，形成—个连续的地下墙体，即现浇钢筋混凝土壁式连续墙。

二、支撑结构类型

（一）支撑结构体系

1．内支撑一般由各种型钢撑、钢管撑、钢筋混凝土撑等构成支撑系统；外拉锚有拉锚和土锚两种形式。

2．在软弱地层的基坑工程中，支撑结构承受围护墙所传递的土压力、水压力。

支撑结构挡土的应力传递路径是围护（桩）墙-围檩（冠梁）-支撑，在地质条件较好的有锚固力的地层中，基坑支撑可采用土锚和拉锚等外拉锚形式。

3.在深基坑的施工支护结构中，常用的支撑系统按其材料可分为现浇钢筋混凝土支撑体系和钢支撑体系两类，其形式和特点见表1K413021-2。

两类支撑体聚的形式和特点表IK413021-2

材料

截面形式

布置形式

特点

现浇钢

可根据断面要求确

有对撑、边桁架、环粱结合边桁架等，形式灵活多样

混凝土结硬后刚度大，变形小、强度的安全、可靠性强，施工方便，但支撑浇制和养护时间长，匿护结构处于无支撑的暴露状态的时间长、软土中被动区土体位移大，如对控制变形有较高要求时需对被动区较土加固，施工工期长，拆除困难，爆破拆除对周围环境有影响

钢结构

单钢管，双刚管、单工字钢，双工字刚、H型锕，槽钢及以上钢材的组台

竖向布置有水平撑，斜撑；平面布置形式一般为对撑、井宇撑，角撑，也有与钢筋混凝土支撑结合使用，但要{谨慎处理变形协调问题

装、拆施工方便，可周转使用，支撑中可加预应力，可诃整轴力而有被控制圈护墙变形；

施工工艺要求较高，如节点和支撑结构处理不当，或施工支撑不及时、不准确，会造成失稳

现浇钢筋混凝土支撑体系由围檩（圈梁）、支撑及角撑、立柱和围檩托架或吊筋、立柱，托架锚固件等其他附属构件组成。

钢结构支撑（钢管、型钢支撑）体系通常为装配式的，由围檩、角撑、支撑、预应力设备（包括千斤顶自动调压或人工调压装置）、轴力传感器、支撑体系监测监控装置、立柱桩及其他附属装配式构件组成。

（二）支撑体系布置

1．能够因地制宜、合理选择支撑材料和支撑体系布置形式，使其技术经济综合指标得以优化。

2．支撑体系受力明确，充分协调发挥各杆件的力学性能，安全可靠，经济合理，能够在稳定性和控制变形方面满足对周围环境保护的要求。

3。

支撑体系布置能在安全、可靠的前提下，最大限度地方便土方开挖和主体结构的快速施工。

三、基坑的变形控制

（一）基坑变形特征

1。

基坑开挖时，由于坑内开挖卸荷造成围护结构在内外压力差作用下产生水平向位移，近而引起围护外侧土体的变形，造成基坑外土体或建（构）筑物沉降；同时，开挖卸荷也会引起坑底土体隆起。

可以认为，基坑周围地层移动主要是由于围护结构的水平位移和坑底土体隆起造成的。

2．围护墙体水平变形

当基坑开挖较浅，还未设支撑时，不论对刚性墙体（如水泥土搅拌桩墙、旋喷桩墙等）还是柔性墙体（如钢板桩、地下连续墙等），均表现为墙顶位移最大，向基坑方向水平位移，呈三角形分布。

随着基坑开挖深度的增加，刚性墙体继续表现为向基坑内的三角形水平位移或平行刚体位移，而一般柔性墙如果设支撑，则表现为墙顶位移不变或逐渐向基坑外移动，墙体腹部向基坑内凸出。

3．围护墙体竖向变位

在实际工程中，墙体竖向变位量测往往被忽视，事实上由于基坑开挖土体自重应力的释放，致使墙体产生竖向变位：

上移或沉降。

墙体的竖向变位给基坑的稳定、地表沉降以及墙体自身的稳定性均带来极大的危害。

特别是对于饱和的极为软弱的地层中的基坑工程，当围护墙底下因清孔不净有沉渣时，围护墙在开挖中会下沉，地面也随之下沉；另外，当围护结构下方有顶管和盾构穿越时，也会引起围护结构突然沉降。

4．基坑底部的隆起

随着基坑的开挖卸载，基坑底出现隆起是必然的，但过大的坑底隆起往往是基坑险情的征兆。

过大的坑底隆起可能是两种原因造成的：

①基坑底不透水土层由于其自重不能够承受不透水土层下承压水水头压力而产生突然性的隆起；②基坑由于围护结构插入坑底土层深度不足而产生坑内土体隆起破坏。

基坑底土体的过大隆起可能会造成基坑围护结构失稳。

另外，由于坑底隆起会造成立柱隆起，进一步造成支撑向上弯曲，可能引起支撑体系失稳。

因此，基坑底土体的过大隆起是施工时应该尽量避免的。

但由于基坑一直处于开挖过程，直接监测坑底土体隆起较为困难，一般通过监测立柱变形来反映基坑底土体隆起情况。

5．地表沉降

围护结构的水平变形及坑底土体隆起会造成地表沉降，引起基坑周边建（构）筑物变形。

根据工程实践经验，基坑围护呈悬臂状态时，较大的地表沉降出现在墙体旁；施加支撑后，地表沉降的最大值会渐渐远离围护结构，位于距离围护墙一定距离的位置上。

（二）基坑的变形控制

1．当基坑邻近建（构）筑物时，必须控制基坑的变形以保证邻近建（构）筑物的安全。

2．控制基坑变形的主要方法有：

（1）增加围护结构和支撑的刚度；

（2）增加围护结构的入土深度；

（3）加固基坑内被动区土体。

加固方法有抽条加固、裙边加固及二者相结合的形式；

（4）减小每次开挖围护结构处土体的尺寸和开挖支撑时间，这一点在软土地区施工时尤其有效；

（5）通过调整围护结构深度和降水井布置来控制降水对环境变形的影响。

（三）坑底稳定控制

1．保证深基坑坑底稳定的方法有加深围护结构入土深度、坑底土体加固、坑内井点降水等措施。

2．适时施作底板结构。

【案例1K413021】

1．背景

A公司中标某市地铁车站工程。

车站为地下双层三跨箱形框架结构，采用明挖顺作法施工，车站主体基坑长度约212m，宽度约21m，基坑平面呈长方形，开挖深度为16m，围护结构标准段为+1000@1600钻孔桩加三道+609钢支撑。

基坑所在位置均为现状道路，基坑长边临近运河，车站围护桩外皮与河堤最近距离约9m,且基坑周边存在多条重要地下管线，基坑安全等级设计定为一级。

工程项目部在A公司批准了项目部施工组织设计及安全保证计划等文件后，组织了实施。

2．问题

（1）试分析本工程施工重点和难点

（2）简述一级基坑施工安全的主要控制指标

（3）给出基坑开挖和基坑支护的主要技术措施

3．参考答案

（1）问题1

从背景介绍，本工程施工的重点和难点是施工期间确保运河的河堤安全及航道正常使用；车站主体施工期间加强围护结构刚度和内撑刚度，如采取增大钻孔桩直径和内撑壁厚等措施，以控制基坑变形在设计允许范围内。

（2）问题2

据有关规范规定，安全等级为一等的标准段基坑变形控制标指应为：

最大地表沉降≤0.15%H且≤30mm;围护结构最大水平位移≤0.2%H且≤30mm。

+

（3）问题3

基坑开挖和基坑支护应采取的主要技术措施

①基坑开挖前，应对周围管线进行确认，并采取适当的保护措施。

②对基坑临近河堤上部及下部的杂填土、素填土进行地面注浆加固，可采用单液水泥浆，土体加固体强度应达到0.3～0.5MPa，加固纵向、横向范围应经论证确定。

③基坑开挖过程中随挖随锚喷桩间混凝土，并按设计位置架设钢管支撑。

④临近河堤保护段范围，基坑开挖应严格遵循平面分层分步，纵向拉槽开挖，充分考虑空间效应，以控制基坑变形，减少土体开挖对河堤的影响。

并对河堤迸行严密监测。

⑤加强基坑量测监控，做到信息化施工。

⑥基坑开挖至坑底后应及时施作垫层和结构底板。