深基坑支護體系的設計與應用

賀 晗

(上海建科工程咨詢有限公司， 上海 200032)

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深基坑支護體系的設計與應用

賀 晗

(上海建科工程咨詢有限公司， 上海 200032)

基坑工程主要包括土方開挖及基坑支護體系的設計與施工，是綜合性很強的系統工程。隨著基坑的開挖面積、深度越來越大，基坑支護結構的設計和施工也越來越復雜，遠遠超越了施工輔助措施的范疇，如果沒有足夠的措施來解決基坑穩定、變形和環境保護問題，往往導致基坑在施工過程中發生安全事故。文章闡述了深基坑工程的特點，重點討論了地下連續墻和逆作法在深基坑工程中的應用。

深基坑； 基坑支護; 地下連續墻； 逆作法

基坑支護是為保護地下主體結構施工和基坑周邊環境的安全，對基坑采用的臨時支擋、加固、保護，以及地下水控制的措施。支護結構包括基坑圍護結構和支擋結構，主要用來加固基坑側壁。

圍護結構常常設置在深基坑四周側壁的豎向構件, 從基坑開挖面開始到嵌入基坑底面以下,例如板(樁)墻結構， 插入基底以下有一定深度。圍護結構主要承受基坑開挖卸荷所產生的土壓力和水壓力，并將此壓力傳遞到圍護的支撐，是穩定基坑的一種施工臨時擋墻結構。

支撐結構，用于支撐圍護結構，為了減小圍護結構的變形，控制墻體的彎矩。分為內撐和外錨兩種形式。

基坑支護工程施工周期長，從開挖到完成地面以下的全部隱蔽工程，常經歷多次降雨、周邊堆載、振動、施工不當等許多不利條件，其安全度的隨機性較大，事故的發生往往具有突發性[1]。

1 支護體系的設計

基坑支護作為一個獨立的結構體系，必須滿足承載力和變形的要求，即承載能力極限狀態和正常使用極限狀態[2]。

1.1 承載能力極限狀態

(1)支護結構構件或連接因超過材料強度而破壞，或因過度變形而不適于繼續承受荷載，或出現壓屈、局部失穩；

(2)坑底土體隆起而喪失穩定；

(3)支護結構及土體整體滑動；

(4)對支擋式結構，坑底土體喪失嵌固能力而使支護結構推移或傾覆；

(5)對錨拉式支擋結構或土釘墻，土體喪失對錨桿或土釘的錨固能力；

(6)重力式水泥土墻整體傾覆或滑移；

(7)重力式水泥土墻、支擋式結構因其持力土層喪失承載能力而破壞；

(8)地下水滲流引起的土體滲透破壞。

1.2 正常使用極限狀態

指支護結構的變形或是由于基坑開挖引起周邊土體產生的變形過大，影響正常使用，但未造成結構的失穩。

(1)因地下水位下降、地下水滲流或施工因素而造成基坑周邊建(構)筑物、地下管線、道路等損壞，或影響其正常使用的土體變形；

(2)造成基坑周邊建(構)筑物、地下管線、道路等損壞或影響其正常使用的支護結構位移；

(3)影響主體地下結構正常施工的支護結構位移；

(4)影響主體地下結構正常施工的地下水滲流。

基坑支護設計相對于承載力極限狀態要有足夠的安全系數，不允許出現這種強度或者穩定極限狀態；而在保證不出現失穩的條件下，還要控制其位移量，不致影響周邊建筑物的安全使用。

一般的支護結構是以水平位移為主。一級基坑的最大水平位移，一般宜不大于30 mm，對于較深的基坑, 還應小于0.3 %H,H為基坑開挖深度。對于一般的基坑，其最大水平位移也宜不大于50 mm。一般控制在30 mm內，地面不致有明顯的裂縫，當最大水平位移達到40～50 mm范圍時，會有可見的地面裂縫。因此，一般的基坑最大水平位移應不大于50 mm，否則會產生較明顯的地面裂縫和沉降，感觀上產生不安全的感覺[3]。

2 地下連續墻

目前常用的基坑支護方式主要有板樁墻、土釘墻、水泥土墻、排樁墻、地下連續墻支護等。其中地下連續墻的剛度大，止水效果好，是最強的支護型式，適用于地質條件差、地形復雜、基坑深度大以及對周邊環境要求高的基坑支護。

地下連續墻就是用專用設備沿著深基礎或地下構筑周邊采用泥漿護壁開挖出一條具有一定寬度與深度的溝槽，在槽內設置鋼筋籠，采用導管法在泥漿中澆筑混凝土，筑成一單元墻段；然后順序施工，以某種接頭方法連接成的一道連續的地下墻。地下連續墻可以在基坑開挖時防滲、擋土，作為鄰近建筑物基礎的支護，也可以成為承受直接荷載的基礎結構的一部分。

在應用的初期，地下連續墻大多用作防滲墻或臨時擋土墻。隨著新技術、新材料的研發，現在越來越多地成為主體結構的一部分，廣泛地用于大型深基坑工程，代替了很多傳統的施工方法。

地下連續墻的主要優點如下：

(1)施工時振動小，噪音低，非常適于在城市施工。

(2)墻體剛度大。目前國內地下連續墻的厚度為0.6～1.3 m，用于基坑開挖時，可承受很大的土壓力，極少發生地基沉降或塌方事故，已經成為深基坑支護工程中必不可少的擋土結構。

(3)防滲漏性能好。由于墻體接頭形式和施工方法的改進，使地下連續墻幾乎不透水。用地下連續墻作為土壩、尾礦壩和水閘等水工建筑物的垂直防滲結構，是非常安全和經濟的。

(4)對地基的適用范圍很廣，適用于幾乎所有地基條件，從軟弱的沖積地層到中硬的地層、密實的砂礫層，各種軟巖和硬巖等所有的地基都可以建造地下連續墻。

(5)可用作剛性基礎。目前地下連續墻不再單純作為防滲防水、深基坑維護墻，而且越來越多地用地下連續墻代替樁基礎、沉井或沉箱基礎，承受更大荷載。

(6)占地少，可以充分利用建筑紅線以內有限的地面和空間。

(7)施工效率高，工期短；質量可靠，經濟效益高。

(8)地下連續墻剛度大，易于設置預埋件，很適合于逆作法施工。

3 地下連續墻和逆作法的聯合應用

逆作法，顧名思義，是將地下結構自上往下逐層施工，地下結構與上部結構同時施工，以縮短施工總工期。逆作法+連續墻是一種特殊的深基坑支護技術，在開挖深度很大的且土質條件較差的多層地下結構中采用是十分有效的，能夠顯著提高地下工程的安全性，縮短工期，防止周圍地基出現下沉。

逆作法的施工原理是：第一步，沿建筑物地下室軸線(連續墻也是地下室結構的承重墻)或周圍施工地下墻和其支護結構，同時在建筑物內部的有柱子位置(柱子或隔墻相交處等，根據計算確定)澆筑或打下中間支承柱和中間支撐樁，從而組成逆作法的豎向承重體系，作為底板封底之前承受上部結構自重和施工荷載的豎向支撐。第二步，施工±0層的梁板樓面結構，作為地下連續墻的剛度很大的水平支撐，同時為上部結構施工創造了條件。第三步，是在該樓板下挖土，直到地下二層樓板處，然后澆筑地下二層梁板結構，如此繼續下去。以主體梁板結構作為水平支撐，同時也可減少基坑開挖時對周圍建筑設施的影響，地面上、下同時進行施工，直至工程結束。

3.1 逆作法施工步驟

(1)在基礎的外圍四周，先施工地下連續墻或密排樁，作為地下室外墻或基坑的圍護結構，基礎若是樁基則采用上述排樁、鉆孔樁等。

(2)按設計圖設置中間支承柱和中間支撐樁，采用“一柱一樁”的基礎，每根樁必須承受基礎尚未完成前的上部和地下結構所有荷載，目前大部分采用臨時鋼管柱或型鋼柱(寬翼面工字鋼)支承，挖土完成后再作外包混凝土。當采用挖孔樁時可支摸采用鋼筋混凝土柱。

(3)利用地下室一層的土方夯實修正后作地模，澆灌±0層的鋼筋混凝土的梁和板，并在此層預留出挖土方的出土洞若干個。

(4)進行地下室一層的土方的推土、挖土和運土到室外卸土區。

(5)重復步驟(3)進行地下室二層頂板的梁板澆筑，同樣要在樓板中預留出土洞。

(6)重復步驟(4)進行地下室二層的土方外運。

(7)重復步驟(3)、(5)進行地下三層頂板的梁板澆筑，同樣要在樓板中預留出土洞。

(8)重復以上挖土和澆筑步驟，直到澆筑地下室底板, 作為最后一道水平支撐。

3.2 逆作法的主要類別

3.2.1 全逆作法

利用地下各層鋼筋混凝土肋形樓板，對四周圍護結構形成水平支撐。樓蓋為整體澆筑，然后在其下掏土，通過樓蓋中的預留孔洞向外運土并向下運入建筑材料。

3.2.2 半逆作法

利用地下各層鋼筋混凝土肋形樓板中先期澆筑的交叉格形肋梁，對圍護結構形成框格式水平支撐，待下面的土方開挖完成后再二次澆筑肋形樓板。

3.2.3 部分逆作法

用基坑內四周暫時保留的局部土方對四周圍護結構形成水平抵擋，抵消側向壓力所產生的一部分位移。

3.2.4 分層逆作法

主要指四周圍護結構，采用分層逆作，不是一次整體施工完成。分層逆作法中圍護結構通常采用土釘墻。

3.3 逆作法的優點

(1)±0.000層梁板結構最先完成，可以作為圍護結構的內支撐。由于樓板結構本身的側向剛度是無限大的，且壓縮變形值相對圍護樁的變形要求來講幾乎等于零。因此，可以從根本上解決支護結構的側向變形，從而使周圍環境不至出現因變形值過大而導致路面沉陷、基礎下沉等問題，對鄰近建筑的影響很小。

(2)地下連續墻與土體之間粘結力和摩擦力不僅可利用來承受垂直荷載，而且還可充分利用它承受水平風力和地震作用所產生的建筑物底部巨大水平剪力和傾覆力矩，從而大大提高了抗震能力。

(3)采用逆作法， 利用連續墻作為基礎圍護墻，地下室樓蓋結構兼作其水平支撐，節省材料。同時，地下室外墻與基坑圍護墻兩墻合一，可最大限度擴大地下室面積，增加使用面積。

而且樓蓋結構作為支撐體系，還可以解決由于建筑的特殊平面形狀或局部樓蓋缺失所帶來的布置支撐困難，并使受力更加合理。

(4)一層結構樓面可作為工作平臺，不必另外架設開挖工作平臺與內撐，大幅度削減了支撐和工作平臺等大型臨時設施，減少了相關的施工費用。同時建筑物上部結構的施工和地下基礎結構施工同時進行，大大縮短總工期。

(5)由于基坑開挖和結構施工的交錯進行，逆作結構的自身荷載由立柱直接承擔并傳遞至地基，減少了大開挖時卸載對持力層的影響，降低了基坑內地基回彈量。

(6)由于先澆筑好一層樓面，再向下挖土施工，故施工中的噪音因表層樓面的阻隔而大大降低，從而避免了因夜間施工噪音問題而延誤工期。

(7)如果地基處理采取開敞開挖，會產生大量的建筑揚塵。采用逆作法施工，由于其施工作業在封閉的地表下，可以最大限度的減少揚塵。

(8)因為一層樓面最先澆筑好，可以在地面道路繼續通車的情況下，進行地下施工，從而避免了因施工帶來的道路交通不暢。

3.4 逆作法的主要適用范圍

(1)地下室深度最好是二層及二層以上，較深較大的地下工程；

(2) 基坑地下室面積較大，造型復雜，采用一般的支護結構難以完成地下室工程的施工；

(3)地質條件差，如軟土地基等，一般的支護結構變形較大；

(4) 基坑四周的環境復雜，施工難度很大，并且對四周的環境保護要求特別嚴格或者對四周的變形控制嚴格；

(5)工期非常緊，縮短工期對工程有特別重要的意義或有巨大的經濟效益；

(6)需最大限度利用城市規劃紅線內的地下空間，擴大地下室建筑面積，將圍護墻作為地下室外墻正好符合這一目標。

4 逆作法的工程實例分析

4.1 項目簡介

4.1.1 項目概況

成都春熙某高層公寓位于成都市錦江區春熙路附近；項目占地面積約5 029 m2; 建筑面積約 10×104m2; 擬建建筑高度為200～300 m; 基坑深度為33 m，地下7 層。

4.1.2 水文地質條件

場地內存在三種類型的地下水。

(1)上層滯水：存于場地東側和南側填土層中，水位埋藏淺，且水量較小。

(2)孔隙潛水：孔隙潛水是本場地主要的地下水類型，其水位埋藏較淺，水量豐富。

(3)基巖裂隙水：各地段富水性不一，無統一的自由水面。

4.1.3 項目周邊環境

項目東北側為 4～5 層民居，距離本基坑 7～8 m，按照樁基礎考慮， 以卵石作為持力層，埋深 5.5 m。東北側街道狹窄，為單行道。西南側緊鄰20 層某在建大廈，沒有通行道路。該大廈采用地下室樁承筏板基礎，埋深 12.9 m。

基坑東南側為4 層民房和 30層假日酒店，酒店緊鄰本項目紅線，沒有道路通行。假日酒店地下室2層，采用樁承筏板基礎 , 埋深14 m。西北側為某單位樓房及民宅，最高 8 層，基礎按照樁基礎考慮，埋深 5.5 m。

4.2 基坑工程的難點和施工方案

本工程基坑深度 33 m，地下水較豐富，屬于危險性較大的分部工程；且處于繁華鬧市區，周邊緊鄰道路，建筑物密集，對基坑的變形和地下水位的控制都有非常嚴格的要求。基坑支護體系既不能對周邊建筑的基礎造成影響，又要控制周邊道路和地面的變形。

由于本項目周邊僅有北側和西側有交通道路， 且北側華興上街為單行道，兩側道路均較狹窄，車流量大，進出場材料運輸困難。

綜合各種因素考慮，我們建議對本工程的基坑施工采用逆作法的方案，基坑支護為地下連續墻。

逆作法(地下連續墻)和傳統的順作法(樁錨支護)對比如下：

(1)支護結構自身的剛度。

樁錨結構：排樁，單樁均為細長的懸臂結構，基坑深度越大，其柔性越大，對基坑的穩定及變形控制十分不利，必須增加錨索和內支撐來協同受力。但是規范中明確規定對基坑要求較高時不得采用樁錨結構。

地下連續墻：地連墻結合地下室的樓板作為水平內支撐，剛度非常大，基坑變形非常小。

(2)對周邊建筑的影響。

樁錨結構：錨索可能會改變周邊土體的應力場，導致周圍地基土體變形，從而影響周邊建構筑物的基礎。同時錨索施工將會造成周邊地下水的水位下降，導致周邊低層的無樁基建筑物發生沉降，風險特別大。

地下連續墻：對地下水位影響較小，對周邊建構筑物的基礎影響很小，也不會破壞周邊市政管道，風險小。

(3)場內材料堆放。

順作法：本工程占地面積僅 5 000 m2左右，外側僅有兩條道路可通行，且交通擁堵，基坑大開挖后場內沒有材料堆放的地方。

逆作法：由于采用分層開挖的方法，先澆筑樓板，再挖下面一層的土方，因此地下每一層的樓板都可以放置材料。

(4)噪音影響。

順作法：項目周邊有大量民宅、酒店，夜間施工必然會擾民。但由于工期緊張，又位于市中心，在出土期間必須進行夜間施工。

逆作法：由于先澆筑好一層樓面，再逐層向下挖土，故施工中的噪音因樓板的阻隔而大大降低，從而避免噪音污染。

(5)施工進度。

順作法：先進行基坑支護施工，然后挖除基坑內土方，緊接著開始施工結構的基礎和地下室底板，逐層向上施工， 逐層拆除內支撐。由于地下部分有7層，地下結構的工程量巨大，上部結構的施工必須等地下結構全部完成后才能開始，因此施工周期很長。

逆作法：地下結構的施工相對順作法較慢，但是不影響主樓地上結構的施工。首層樓板澆筑后，地上結構的施工便可以進行，地上、地下同時施工，施工速度將大大加快，可以比常規施工加快近 9 個月。

4.2.6 工程造價

逆作法的施工成本比順作法大約增加 5 %，但是整個工程的工期大幅縮短，業主的資金成本將大大降低。同時方便業主和客戶看樓，為房屋的精裝預售創造有利條件。

4.3 逆作法施工的關鍵點和發展展望

4.3.1 逆作法施工的關鍵點

(1)逆作法中，挖土與結構施工同時進行，因此協同作業很重要，要求在施工前要編制出逆作法施工程序, 做好施工組織方案，遵循“分層、分塊、限時”的原則。

(2)出土洞的預留。當肋形樓蓋整體澆筑時，注意留出部分區格暫不施工當作出土洞。一般預留在電梯井位置 ,必要時在洞邊四周加設臨時鋼支撐進行加固。

(3)如果鋼筋混凝土肋形樓蓋分2次澆筑，要求肋梁與后澆樓板結合形成疊合梁，以保證樓蓋有足夠的強度，剛度和整體穩定性。

(4)上下側墻的連接。為了保證上下層側墻的連接質量和受力合理，上下層側墻必須對齊，側墻與樓板連結處應設邊梁或暗梁,截面中要預埋豎筋 ,加強上下層側墻的連接。

(5)立柱的連接。必須保證地下室柱子與樓板之間連接的整體性，以確保豎向傳力。當底板為筏基礎時，應使柱子的軸力傳給底板；當基礎為一柱一樁礎時,底板與立柱、樁應起固定拉結的傳力作用;當設置臨時立柱時,宜在與底板相交的鋼管外圍焊接多層鋼板傳力環。

(6)臨時立柱。一般逆作法都需要設置臨時立柱，常常采用鋼管柱外包混凝土組合柱的方法。臨時立柱及其基礎需要進行施工期間的承載力及變形驗算。

(7)豎向承重結構的垂直度。進行垂直度跟蹤觀測，嚴格做到隨挖隨測隨糾正，要求地下連續墻的垂直度達到1/400，中間鋼立柱的垂直度達到1/500，以保證水平樓板的正常受力工作。

(8)各種防水防漏。地下連續墻同時具備擋水擋土、圍護、承重的多種功能，因此墻體的防水、泥漿配置很關鍵。必須選用優質泥漿，按照合適的泥漿配合比進行試成槽，并根據實驗情況及時調整。保證地下墻與底板之間有良好的連接，保證其施工縫能夠滿足抗滲要求。

(9)基坑的降水施工必須及時，降水井點避開立柱樁及坑底加固區。

(10)逆作區挖土深度大，需做好通風和照明的設施。 逆作法中結構接頭很多，較復雜；垂直構件的連接處理困難，特別在強度與止水性方面；鋼柱需插入樁基，吊放鋼柱比較困難; 對圍護結構的施工精度要求很高;在城市施工時，廢泥漿的處理比較麻煩。另外，在軟土地基中支承樁與地下連續墻的沉降差異控制也是一個難點。

由于逆作法的施工復雜程度大于常規的正作法，因此需要有經驗的施工單位進行操作。

4.3.2 逆作法的發展展望

隨著各種大跨度、超高層的大型綜合體建筑不斷涌現，基坑工程也朝著更深更大更復雜的方向發展, 這都要求設計出更強更可靠的支護結構。地下連續墻和逆作法的配合使用恰好適應了這一需求，特別適合于受到環保、市政設施等各種限制，施工環境較差的復雜基坑。隨著施工技術和施工設備的進步，地下墻和逆作法工藝會越來越成熟，在未來的深基坑中會得到越來越廣泛的應用。

[1] 曾進群，楊光華，王文杰. 支撐體系對基坑支護結構變形和內力的影響分析[J]. 工業建筑，2004(增): 137-139.

[2] JGJ120-2012 建筑基坑支護技術規程[S].

[3] 任興宇.鉆孔灌注樁+錨索復合支護技術在深基坑工程中的應用[J].中外建筑，2012(1): 110-111.

[4] 程良奎,范景倫，韓軍， 等.巖土錨固[M]. 北京:中國建筑工業出版社，2002.

賀晗，女，碩士，工程師，從事項目管理類工作。

TU94+2

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[定稿日期]2016-11-15