盐城凤凰国际书城深基坑（二层地下室，挖深11.5m）支护设计文献综述

文 献 综 述

1.1 研究背景及意义

21世纪将出现城市地下空间开发和利用的高潮^[1]。万丈高楼平地起，对于所有类型的高层建筑，基坑工程方面的问题都是重中之重。基坑工程是集地质工程、岩土工程、结构工程和岩土测试技术等于一体的系统工程，其中既涉及场地工程、水文地质条件和土体的强度与稳定，又涉及支护结构的内力、变形以及土与结构的共同作用，同时还涉及环境影响评价等系列问题。基坑支护技术是为了保证地下结构安全施工以及周围环境的稳定采取的一系列加固支护措施。高层建筑的出现与发展催生了深基坑技术，深基坑技术的价值可以体现在多个方面，比如基坑边坡中应用支护技术能够将发生坍塌、塌陷等问题的概率降低，有助于提升边坡土体的整体性和工程质量，避免对施工进度、安全等产生影响。在深基坑施工时为了保证作业安全还要充分做好排水、截水措施，避免水体影响基坑稳定^[2]。

随着我国城市高层建筑的大量兴建，建筑越来越呈现出向高空和地下发展的趋势，高层建筑的兴建和地下空间的开发利用，促进了基坑支护的发展。由于城市土地利用对提高容积率的需要，以及建筑结构和功能上的要求，地下工程已由过去的一层发展到三层、四层，开挖深度也由过去的4m左右发展到目前的十几米。

在进行城市地下空间工程建设过程中，由于基坑支护设计和质量对施工进度、安全具有较大影响，所以必须要加大对基坑支护设计的重视力度。第一，基坑支护自身具有良好的保护性能，能够保证基坑四周的土体始终处于稳定状态，同时还能够进一步满足地下环境施工保留充足的活动空间，换句话说，其也是地下空间施工的必要条件^［3］; 第二，基坑支护还能够保障四周相邻建筑物、地下管线等多种地下设施在施工期间不受损害，其中包括基坑坑壁土体变形、地表面及地下土体出现垂直或水平位移等情况，能够将以上情况控制在可接受范围内; 第三，基坑支护能够通过截水、降水和排水等措施，保证基坑工程施工作业面保持在地下水位以上，能够有效避免水量过多对地下施工造成消极影响。因此，必须在原有基础上对基坑支护进行优化设计，同时还要对诸多影响因素进行综合考量，比如建筑施工场地的周边环境、地质水文情况、人流密集程度等，切实突出基坑支护设计在城市地下工程中的重要意义。

1.2 基坑工程研究的历史和现状

基坑支护技术在岩土工程领域是一个实践性很强而又富有变化的课题，近些年来随着建设规模的扩大和地下空间资源的改造、利用，基坑支护技术在原有的基础上有了很大的发展和突破，并在工程实践中得以广泛应用^[4]。，以下将针对基坑工程中几个重要方面及其相关内容来阐述其研究的历史和现状。

1.2.1 支护类型

（1）排桩：一般而言，若房屋建筑的地下空间和现场地质条件具有复杂性，应优先选择灌注桩、钢板桩之类的排桩支护。对于城市房屋建筑来说，在施工过程中既要采用灌注桩还要同时搭配使用其他类型的深基坑支护技术。总体来看，排桩支护在城市房屋建筑中的使用率较高^［5］。

（2）地下连续墙：地下连续墙主要是在基坑四周修建的具备一定厚度的钢 筋混凝土封闭墙体结构，可将其当作建筑基础的外围结构，也可当作基础基坑临时性的维护墙体结构。地下连续墙的止水性较好，可以承担垂直方向所施加的荷载，刚性较大，可以承担土压力和水压力水平方向的荷载，因为其所具备的这些特点，所以地下连续墙具备挡土、承重和抗渗性，属于一种多功能深基坑支护结构，对相邻建筑的影响非常小。对于 施工形状没有明确要求，而且墙体深度也较好掌控，可建设刚度较大的墙体 ；所需机械设备非常多，造价较高；对于泥浆的配置有较高的要求，还需预先建设泥浆回收重复使用设施如把地下连续墙当作建筑物基础结构墙体那么造价相对会低一些 ；可与锚杆相配合使用，也可单独在基坑内当作支撑来使用。对地质有良好的适应性，各种土质都可使用，尤其是对于软土地质来说更适合施工过程中的噪音和振动相对薄弱，较适合在对环境要求较苛刻的地区使用，特别适合与建筑物相邻较近的工程^[6]。

（3）土钉墙：是20世纪70年代发展起来用于土体开挖和边坡稳定的一种支护结构，由随基坑开挖分层设置的、纵横向密布的土钉群、喷射混凝土面层及原位土体组成。土钉墙适用于地下水位较低或者因为水位下降之后存在大量粘性土以及一些土质较为松散的地区。土钉墙具有经济效益良好、耗时较短、占用场地小等优势，不过需要注意的是，分层开挖基坑时务必防止基坑边坡失去稳定性。在实际应用中，土钉墙一般和其他构件联合使用，形成复合土钉墙。

（4）重力式水泥土挡墙：重力式水泥土挡墙由水泥土桩相互搭接成格栅或实体的重力式支护结构，可单独使用，在受到某些限制时也可与灌注桩、预制桩和钢板桩等结合使用。水泥土挡墙依靠墙体自重、墙底摩阻力和墙前被动土压力来稳定墙体，以满足墙体整体稳定、隆起稳定、倾覆稳定、滑移稳定并控制墙体的变形。水泥土挡墙工艺无需设内支撑，便于挖土，但侧向变形较大，尤其是挖深超5 m的基坑，墙顶水平位移常常达到几十厘米，不适用于有外界环境控制要求的场地^[7]。

（5）双排桩：双排桩支护结构具有较大的侧向刚度,可有效限制支护结构的变形,其支护深度比一般支护结构深,同时有不设支撑、受力条件和整体稳定性好以及节约造价等优点,逐渐成为深基坑支护结构的优选方案之一^[8]。

1.2.2 地下水控制措施

（1）止水：①高压旋喷桩：高压旋喷桩止水帷幕是通过高压旋转喷嘴将水泥浆液转化为20MPa～40MPa 的高速流体通过预成孔注入至土层内部与土体混合，形成坚硬的柱状固结体。该法的优势主要在于施工占地小、噪音污染小，但其造价高且会对环境产生破坏。因此在实际工程中应结合具体情况进行综合考虑^[9]；②水泥土搅拌桩：水泥土搅拌桩止水帷幕是在基坑深处将水泥浆液与地基土按照特定的配比，通过工程机械强行搅拌所产生的固结体，其能起到预防地下水入渗和支护基坑的作用。该法的优势主要在于施工占地小、噪音污染小、成本低^[10];③地下连续墙：地下连续墙止水帷幕兼具支护效果好与防渗效果好等优势。传统施工工艺对止水效果、垂直度和质量较难控制，坚硬复杂地质条件下更加存在施工效率低的弊端。目前常采用CSM TRD地下连续墙技术，这能够较好地解决高水位地质条件下止水、抗渗和深基坑大粒径卵石层基坑支护连续成墙的难题。TRD工法是一种新型的地下水泥土连续墙施工方法， 即通过切割链具对原状土体进行竖向和横向切割，并将土体与水泥浆液搅拌均匀，从而形成一定厚度的水泥土连续墙^[11,12]。TRD 工法具有机架低、稳定性好、墙体止水性好以及深度大等优点。TRD工法自2005年引入我国以来，在基坑工程止水帷幕或支护结构中逐步开始推广应用。而CSM工艺将液压铣槽机和深层搅拌技术进行了有效的结合,是岩土工程施工工艺的一大进步。该设备通过两组铣轮旋转将泥浆与施工现场的土体进行搅动,形成矩形槽段的土体。对比深层搅拌技术，CSM工艺在施工中有以下5个优点:①设备占地较小，移动灵活，施工的速度较快；②削铣能力极强，最大削铣强度可达到140MPa，可以削铣坚硬的地层( 卵砾石地层、岩 层)，满足复杂环境施工需求；③削铣精度很高，在铣头内部安装垂直度的监测装置，通过信息化系统对其进行控制，可以保证施工的质量；④可满足大深度的施工，双轮铣的设备主要有导杆式和悬吊式，最大削铣深度分别可达45m和65m，远远优于传统的深层搅拌技术；⑤成墙质量高，墙体强度达1～5MPa，并可以灵活设定劲性材料插入间距^[13]。

（2）降水：有两种方法，重力式降水和强制式降水，重力式即排水沟和集水井排降水，强制式降水即井点降水。降水类型使用范围见表1-1

表1-1 降水类型及适用范围

1.2.3 土压力的计算 作用在支护结构上的荷载，主要有土压力和水压力，而土压力时主要荷载，它指的是支护结构后填土自重或外荷载对支护结构产生的侧向压力。土压力随着支护结构可能位移的方向、大小及填土所处的状态分为主动土压力、被动土压力和静止土压力。如果支护结构在土压力作用下，不发生变形和位移，墙后填土处于弹性平衡状态，则作用在结构上的土压力成为精致土压力。若支护结构在土压力作用下向强前发生位移，则随着位移增大，墙后土压力逐渐减少，当土体达到极限平衡时，作用在结构上的土压力成为主动土压力。若支护结构在外力作用下向墙后发生位移，则随着位移的增大，墙厚土压力逐渐增大，当土体达到极限平衡状态时，作用在结构上的土压力称为被动土压力。

土压力计算目前常使用的仍然是两个经典土压力理论，即朗肯土压力理论和库仑土压力理论。其中朗肯土压力理论由英国学者朗肯（W.Rankine）于1857年提出，其根据简单条件下半无限空间的应力状态和土体中一点的极限平衡条件导出了主动和被动极限状态下的土压力计算法。库伦土压力理论则是库伦（Charles-Augustin de Coulomb）于1776年根据研究挡土墙墙后滑动土楔体的静力平衡条件，提出了计算土压力的理论。他假定挡土墙是刚性的，墙后填土是无粘性土。当墙背移离或移向填土，墙后土体达到极限平衡状态时，墙后填土是以一个三角形滑动土楔体的形式，沿墙背和填土土体中某一滑裂平面通过墙踵同时向下发生滑动。根据三角形土楔的力系平衡条件，求出挡土墙对滑动土楔的支承反力，从而解出挡土墙墙背所受的总土压力。

当土体位于地下水位以下，计算中需要考虑地下水对土压力的影响，一般对如粘性土及粘质粉土的粘性较强的土采用总应力法，水压力、土压力合算；而对于碎石土、砂土、砂质粉土采用水压力、土压力分算。

1.2.4基坑工程监测

基坑监测是基坑工程施工中的一个重要环节，是指在基坑开挖及地下工程施工过程中，对基坑岩土性状、支护结构变位和周围环境条件的变化，进行各种观察及分析工作，并将监测结果及时反馈，预测进一步施工后将导致的变形及稳定状态的发展，根据预测判定施工对周围环境造成影响的程度，来指导设计与施工，实现所谓信息化施工^[12]。

基坑监测主要包括：支护结构、相关自然环境、施工工况、地下水状况、基坑底部及周围土体、周围建（构）筑物、周围地下管线及地下设施、周围重要的道路、其他应监测的对象。

目前在大多数建筑工程的深基坑项目作业中，人工监测方式仍然是深基坑项目监测的主流。从实际效果上看，传统人工监测方式存在着数据采集时间间隔过长、人力资源消耗过大、信息数据反馈速度慢、无法对基坑支护体系的力变形变形成连续监测等严重不足。而且深基坑监测本身就由于其工程危险性，受到了测量器材精度制约与场地气象环境制约等，无法很好地对工程内部情况进行精准测量。在这样的局面下，依靠现代化设备与信息化技术的深基坑自动化监测技术得到了广泛应用^[13]。目前深基坑自动化监测主要有以下发展方向：基坑支护体系自动化监测体系，利用密集点式和分布式光纤传感技术，来实施深基坑的自动化系统监测；光纤传感自动化监测体系，利用光纤传感信号的灵敏度与精确度 来对深基坑工程中出现的各类问题进行数据收集与反馈，在目前的建筑工程应用中已经形成了一定的规模；监测数据可视化处理技术，可以将独立的监测点进行串联，建立监测点（孔）的平面、 空间、时间、工况等综合因子的五维变化立体模型。这种监测方式更加直观地显示了深基坑工程的整体运行建设情况，也有效地克服了传统人工监测所导致的监测信息碎片化、零散化的缺陷，有效提高了监测信息分析的水平和效率^[14]。

1.4 基坑支护新技术

1.4.1施工新技术发展状况

我国建筑行业在社会经济发展的带动下得到进一步优化，当前建筑工程逐渐朝着大型化、多功能化方向发展，这就导致基础工程逐渐朝着更深层次发展，深基坑技术也应运而生。深基坑技术能够将土建基础工程施工安全性全面提升，能够进一步提高土建工程的整体可靠性。为此，应当在明确深基坑支护的类型基础上，加强深基坑支护技术管理，提升施工技术水平，确保土建工程施工整体质量安全^[15]。

对于深基坑支护技术而言，其在实际建筑工程施工阶段的应用较为广泛，并且是其中最为关键的辅助施工技术。深基坑支护技术在建筑工程中的应用，有助于进一步提高建筑自身的稳定性与可靠性，同时深基坑支护技术的应用质量，将直接与建筑整体的安全性有所关联。此外，对于传统深基坑支护技术来说，其主要由井点降水以及钢板桩所构成，并且施工作业也会显得更加便捷，有助于施工效率的提高。同时，随着我国对于高层建筑需求的进一步增加，对于深基坑支护技术也提出了更多、更严格的要求，所以积极的探究新的深基坑支护技术，对于我国建筑工程行业的发展有着重要意义。

(1)型钢水泥土搅拌墙技术（SMW工法）: SMW 工法桩是采用三轴搅拌桩机成桩，采用水泥浆液与地基土进行强制均匀搅拌，内插型钢作为主要受力构件，以具有一定强度的水泥土桩体作为截水帷幕的复合挡土截水结构，是基坑围护结构的一种支护形式。SMW工法桩能够使型钢得到循环使用，降低施工成本，提高资源利用率，符合国家建设节约型社会和发展循环经济的需要。SMW工法桩具有周边环境影响小、防渗性能 好、环保节能、运用范围广、工期短、成本节约等特点^[16]。

(2)旋喷搅拌加筋桩支护技术：通过水泥土搅拌斜桩，在坑壁四周土中形成三维空间梁系，支承上部土体荷载和水平土压力；由于高压水泥浆的渗透、压密和搅拌，对原土体改良和加固，大大提高了土体力学性能，减小了土体主动土压力；通过水泥土与加筋体的粘合，水泥土斜桩与桩周地层的咬合，从而将加筋体与地层牢牢地结合在一起，大大提高了土 体的自承载能力；对斜向加筋体施加预应力，可有效地控制土体和结构的变形及位移；垂直加筋搅拌桩面层和斜向加筋水泥 土斜锚桩形成土中三维空间梁系围护结构。其围护结构是集挡土、防水、承载于一体的重力式挡土墙结构，其稳定性将不再 需要内支撑来提供作用力，并为在深基坑中进行地下结构施工提供开敞的空间^[17]。

1.4.2施工新技术展望

在我国城市化进程飞速发展的今天，民众对于环境保护方面有着更高的关注，所以今后建筑工程将会逐渐朝着绿色、环保的方向发展。同时，对于深基坑支护技术来说，其也要与建 筑工程的发展方向一致，努力将深基坑支护技术变得更加适应社会发展需要，并且将与环境的影响降至最低，对于深基坑支护技术今后的发展是十分关键的。

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