大型深基坑支护施工新技术

大型深基坑支护施工新技术

一、基坑工程技术的发展历程

第一阶段：上一世纪80年代末到90年代末，研究、探索阶段。

第二阶段：新世纪初的十多年，发展阶段。

1、两个阶段的标志

1）第一阶段：2000年前后基坑工程的国家行业标准和地方标准的颁布。

2）第二阶段：2009年《建筑基坑工程监测技术规范》GB50497）的颁布、一批相关的规范全面修订。

2、基坑工程设计理念的改变

1）早期：设计往往以满足地下工程施工为主。或以经验为主；或以理论为主。

2）现今：满足环境保护已成为设计施工的基本出发点。理论和经验相结合。

3、基坑设计方法

1）极限平衡法:卜鲁姆法、盾恩法、相当梁法等 ；

2）弹性支点法:解决变形分析问题；

1 / 35

3）有限元法:平面、空间；土体及结构共同作用；考虑土的弹塑性等

4、对基坑稳定性的认识

基坑事故主要是岩土类型的破坏形式。整体滑动稳定性、抗隆起稳定性等在软土中尤其重视。

二、基坑工程的新型支护结构

常用的基坑支护结构

1）土体加固类:放坡、土钉墙、重力式水泥土墙等。

2）支挡、拉锚式围护墙：排桩、地下连续墙。

3）支锚体系：拉锚式，内支撑。

围护墙

2 / 35

支锚体系：拉锚和锚杆

1、复合土钉墙

1）土钉支护结构的优点:施工方便、设备简单、经济效益显著等。

2）土钉支护结构的主要问题:适用有一定限制，仅适用于非软土场地。

3 / 35

土钉支护结构的主要问题

1）软土地区：稳定性

2）复合土钉墙：采用水泥土搅拌桩、预应力锚杆、微型桩等的一类或几类结构及土钉墙复合而成的支护结构。

3）软土地区的应用：以水泥土搅拌桩、微型桩等“超前支护”，

4）解决：隔水性；土体的自立性（加大自立高度和持续时间、提高稳定性）。

4 / 35

5）非软土地区的应用：通过微型桩、预应力锚杆等对限制土体的位移。预应力锚杆复合土钉墙，加大预应力可使位移减少40%~50%。使其适应的基坑开挖深度有所增加。复合土钉墙使开挖深度有所增加（12~15m）。

5 / 35

6）复合土钉墙结构设计中应注意的问题：可计入复合体的共同作用，但复合体的作用不可过高估计。

7）原位土层、土钉对结构稳定性的贡献：应占有主要的份额。

2、双排桩结构

双排桩结构：由前、后两排支护桩和梁连接成的刚架及冠梁组成的支挡式结构。

双排桩结构的特点

1）结构：有较大的侧向刚度，无需支撑或拉锚

6 / 35

2）施工：适应性广、工艺简单、及土方开挖无交叉作业、施工工期短等。

双排桩的设计

嵌固稳定性验算：以结构前后排桩及桩间土的整体分析，但嵌固段被动土的抗力作用在总抵抗力矩中占主要部分。

7 / 35

刚架结构受力分析

1）前、后排桩的受力前排受压；后排受拉，并引起前、后排桩竖向位移和桩身弯矩。

8 / 35

2）前、后排桩之间土体：考虑其的反力及变形关系（桩间土看作水平向单向压缩体，按压缩模量确定刚度系数）

考虑开挖后应力释放引起的初始压力（按桩间土自重占滑动体自重的比值确定）

9 / 35

3）桩顶梁

10 / 35

3、型钢水泥土搅拌墙

1）型钢水泥土搅拌墙：由水泥土墙和内插的型钢组成的复合支护结构。

2）特点：支护性能好、造价低、环保（型钢可回收）等。我国于2010年颁布了《型钢水泥土搅拌墙技术规程》JGJ/T199 ，标志了该技术已较为成熟。

型钢和水泥土作用

1）型钢：作为挡土结构。

2）水泥土：作为截水帷幕。

11 / 35

型钢水泥土搅拌墙的工作特性

1）墙体变位较小时：水泥土对提高墙体的刚度有相当贡献。

2）墙体的抗弯承载力验算：不应考虑水泥土的作用。

3）型钢间水泥土的受剪：包括型钢间水泥土的错动受剪和最弱截面处的局部受剪。

4）型钢水泥土搅拌墙的桩身强度是目前工程中矛盾比较集中的问题。

5）设计要求：一般强度为1.0MPa左右，甚至更高。

6）实际情况：往往难以达到设计要求。

12 / 35

7）取芯检测：28d强度值一般在0.4MPa左右。

如何确定水泥土搅拌墙的桩身强度？

1）工程实际：鲜有因强度较低而造成破坏的事例；

2）理论分析：要求水泥土28d抗压强度为0.5MPa左右；

3）规范建议：采用不小于0.5MPa较为适宜。

三、深基坑工程施工新设备和新工艺

施工中新设备和新工艺：地下连续墙、混凝土咬合桩排桩、超深多轴水泥土搅拌桩（SMW工法）、水泥土搅拌连续墙（TRD工法）、超大型环形支撑体系、十字钢支撑双向复加预应力技术、混凝土支撑的绳（链）锯切割法、锚杆的回收 技术等。

1、地下连续墙成槽机械和工艺

13 / 35

常用的成槽机械

铣削式成槽机——最大成槽深度可达150m，墙体厚度可达2.5m。

槽壁稳定

粉土、粉砂土等易坍塌土层的技术措施：① “夹心”地下连续墙（水泥土搅拌桩保护

14 / 35

槽壁）；② 改良泥浆性能。

2、灌注桩施工新技术

旋挖钻孔灌注桩

15 / 35

1）旋挖成孔：通过桶状斗式钻头回转切削土体。

2）装土外运：直接将土装入钻斗，提升卸土。

3）泥浆护壁：易坍塌土层——采用静态泥浆护壁泥浆排量仅传统工艺的1/4~1/5）。

16 / 35

4）不易坍塌土层：可采用干式或清水钻进工艺（无需泥浆护壁）。

钻孔咬合灌注桩

由间隔布置的混凝土素桩和配筋桩相互咬合，形成的 “桩墙”。

1）咬合方法：旋挖钻机成孔、冲抓钻成孔、全套管成孔等。

2）性能：及间隔式灌注桩排桩相比：截水性能良好、不需附加的截水帷幕。及地下连续墙相比：功能基本相同，但施工简便、造价低廉。

17 / 35

18 / 35

素桩和配筋桩

1）素桩的混凝土：（超缓凝）初凝时间不小于40~70h；3d强度不大于3MPa；8d强度不小于C15。

2）配筋灌注桩：素桩混凝土初凝阶段施工，咬合素桩。

全套管成孔

1）适用：除用于咬合桩外，还可用于：淤泥、流砂、地下水富集等。

2）不良地层；城市建筑物密集或有地下障碍的地区。

19 / 35

3、型钢水泥土搅拌墙施工工艺

多轴柱列式水泥土搅拌墙：SMW工法（Soil Mixing Wall）

20 / 35

1）搅拌桩施工机械：三轴（四轴或五轴）搅拌桩机械；桩径650~1000mm，最大深度可达60m。

2）型钢拔出机械：液压式拔桩机

21 / 35

3）关于水泥土水灰比的讨论：我国规范建议水泥掺量高达20%左右；水灰比为1.5~2.0，砂砾土中为1.2~2.0。

高水灰比的不必要性：对水泥土强度并无益处；大量原土被置换，施工中难以实现（实际施工中往往出现涌土时便停止注浆）；置换排出的土为水泥含量较高的废土，造成污染。

22 / 35

基于水泥土强度0.5MPa可满足要求的前提

1）建议：水泥掺量取15%~18%； 水灰比取0.8~1.0。改用震动插入型钢的方法。

2）日本有关资料：水泥掺量15%左右，水灰比0.8~1.0之间。

型钢插入

23 / 35

型钢插入时间

1）规范规定：水泥土搅拌后30min内插入；

2）工程经验；水泥土搅拌后1~2h内插入，并无影响。

3）振动插入对型钢及水泥土的粘结力的影响：在搅拌桩施工后1~2h内（水泥初凝前），振动插入型钢不会影响粘结力。

水泥土搅拌连续墙

日本称TRD工法（Trench Cutting Re-mixing Deep Wall）

24 / 35

特点：及多轴柱列式水泥土搅拌墙相比：成墙连续；表面平整；深度大。

搅拌连续墙施工机械

1）成墙：采用链锯式搅拌刀具。

2）成墙深：刀具用销栓连接，深度可达数十米。

3）高度小：整体高低仅10m左右。

25 / 35

4）施工工艺：主机所带的链锯式搅拌刀具沉入地基土中并沿刀架移动，作往复运动，并在深度方向灌入水泥浆液，及土体搅拌、混合成墙。

26 / 35

四、逆作法和利用“时空效应”的开挖技术

1、地下结构的逆作法建造

1）逆作法：地下工程由上向下施工的方法。

2）特别适用：超深地下结构、环境保护要求高。

3）优点：①以主体结构作为“支撑”，刚度大，基坑变形较小；②无需支撑，大大节约资源、降低能耗；③可实现上、下结构同步施工，不同程度缩短工期；④地下结构顶板较早形成，施工现场布置方便。

逆作的几种方法

27 / 35

1)上下结构是否同步施工

28 / 35

2）平面区域是否全部逆作施工

29 / 35

3）顶板以下结构是否采用逆作

4）围护结构是否兼作主体结构外墙

30 / 35

逆作法的土方开挖

31 / 35

2、软土地区利用“时空效应”的开挖技术

1）软土地区土的特点：含水率高、强度低，在开挖时有很大的流变性。开挖易引起基

32 / 35

坑过大变形，甚至危及周边环境。

2）基坑工程的“时空效应”：基坑支护结构的变形和周边地层的变形：随时间推移而发展；因开挖的空间尺度、坑底暴露面积而不同。这在软土地基的条件下尤为突出。

3）利用“时空效应”的开挖技术：“分层、分块、对称、平衡、限时”。

超大深基坑中，分块开挖是最基本的措施。

1）分块开挖典型方式之一 ：超长线性基坑

采用分段分层开挖方法，及时设置支撑、施工垫层。在前区段的基础底板完成后进行后续区段的开挖。形成线性的流水作业。

2）分块开挖典型方式之二：无内支撑的大面积基坑

利用后浇带进行分块施工，在前一区块基础底板施工完成后进行后一区块的土方开挖。各块之间可采用跳仓施工法以加快进度。

3）分块开挖典型方式之三：大面积采用内支撑的深基坑

采用分层盆式开挖或分层岛式开挖的方式。

分层盆式开挖示例

33 / 35

分层盆式开挖示例——竖向分层盆式开挖

34 / 35

分层盆式开挖示例——平面分块开挖

五、结语

1、我国基坑工程的新技术、新工艺、新设备不断涌现。

2、地下工程规模将向大面积、超深度方向发展：需要基坑工程技术的不断提升和创新。

3、基坑工程地域性、复杂性、综合性和不可预见性的特点：需要在设计及施工中给予加倍重视和精心。

35 / 35