为保证地面向下开挖形成的地下空间在地下结构施工期间的安全稳定所需的挡土结构及地下水控制、环境保护等措施称为基坑工程。随着20世纪以来城市化和全球化的不断发展，建筑物的高度也越来越高，可用土地面积的减少，造成建筑物的基础也越买越深，基坑工程的设计和施工也越来越复杂。 1776年法国学者Coulomb根据墙后土楔体处于极限平衡状态时的力系平衡条件提出了Coulomb土压力理论。1857年，Rankine也提出了一种古典土压力理论，用以计算土体作用于挡土墙上的主动或被动土压力。在20世纪30年代国外开始了对于深基坑的理论研究，Terzaghi和Peck通过对刚性挡土墙的分布规律的研究，提出了预估挖方稳定程度和支持荷载大小的总应力法，这一理论一直沿用至今。20世纪50年代，L.Bjirrum和O.Eide推导出了验算基坑基底隆起的方法。20世纪70年代后，很多国家开始制定关于基坑设计、开挖、施工的规范。 我国的基坑工程的发展可以追溯到改革开放之后。20世纪80年代，随着我国经济建设和城市的发展，城市的土地资源逐渐紧张，地下空间引起了人们的注意，由此基坑工程开始逐渐发展起来。20世纪90年代，高层建筑发展迅猛，深基坑工程逐渐成为常态。21世纪后，许多城市开始兴建自己的地标性建筑，我国的深基坑工程技术便在这样的背景之下得到了高速发展。 通过前人们研究和实践，发展出了如下的深基坑支护结构类型：
每种支护结构类型在使用条件、工程经济性和工期方面各有侧重，周边围护结构形式 的选用也直接与工程的安全性、工期、造价息息相关。因此在基坑围护结构设计中需要根据每个工程的特性与不同围护结构的特点相结合，综合考虑，得到最佳方案。 当然，目前深基坑支护存在的问题有：
在目前土压力的计算中，依然在采用库伦公式或者朗肯公式，在深基坑开挖后，含水率、内摩擦角以及黏聚力三个参数是可变值，很难准确算出结构的实际受力情况。如果对于地基土体的物理力学参数取值不准，对于设计的结果将产生很大的影响。
深基坑支护设计前，所取得的土样具有一定的随机性和不完全性，支护结构的设计也就不一定完全符合实际的地质情况。
实测资料表明，基坑周边向坑内发生的水平位移是中间大两边小，边坡失稳常常发生在基坑长边的居中位置。传统的平面应变假设对于长方形深基坑差别比较大。
目前深基坑支护结构的设计计算基于极限平衡理论，是一种静态设计，但实际上开挖后的土体是一种动态平衡状态，在设计中应当考虑这一点。 从国内外来看，深基坑支护技术的发展有着如下的趋势：
高层建筑的大量兴起和城市地下空间的开发利用，必然带来一系列基坑开挖和支护的问题。大量地下空间的开挖位于建筑密集的区域，虽然使得深基坑开挖与支护难度日益增大，也促进了深基坑工程分析方法和施工工艺的发展，基坑工程的重要性和复杂性日益突出。 |
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基坑的总体方案设计应当首先对基坑工程在安全性、周边环境保护以及技术经济方面的要求进行充分考虑，同时基坑的支护方案也应该有利于节约资源，符合可持续发展的要求，实现综合的社会效益和经济效益。 本工程的基坑支护方案拟用钻孔灌注桩围护墙结合钢筋混凝土内支撑体系，并在灌注桩后设置隔水帷幕，降水方式采用深井井点降水，施工方法将采用顺作法。 顺作法指的是先施工周边围护结构，从上往下分层开挖，依次设置水平支撑，挖到坑底时，再由下而上地施工主体结构，并依次拆除水平支撑系统。而逆作法则是开挖到一定深度后，支设模板浇筑结构梁板，代替相对应的顺作法的临时支撑，开挖结束时，地下结构就已经施工完成。但逆作法技术复杂，对于施工的要求比较高，作业环境差，容易影响施工质量。顺作法作为传统开挖施工方法，施工工艺成熟，设计施工便捷。综合考虑，本工程将采用顺作法的方案。 目前工程中常用的基坑周边围护结构有土钉墙、水泥土重力式围护墙、地下连续墙、灌注桩排桩围护墙、型钢混凝土搅拌墙、钢板桩和混凝土钢板桩几种。 土钉墙设备以及工艺比较简单，对于不同形状基坑的适应力强，坑内无支撑体系，开发空间大，柔性大，价格比较经济。但土钉墙适用于开挖深度不大于12m，周围环境要求不高的工程。本工程的土含有较厚深度的淤泥质土，且对于坑底变形要比较严格，土钉墙并不适合本工程。 水泥土重力式围护墙是通过搅拌机械采用喷浆施工将固化剂和地基土强行搅拌，形成一道水泥土状加固体挡墙。但水泥土重力式围护墙适用于开挖深度不超过7m且对周围环境保护不高的基坑，因此本工程也不适合采用此方案。 型钢水泥土搅拌墙将受力结构和隔水帷幕合一，墙体防身性能好，型钢可回收，经济性好，适合于各种土层。但型钢水泥土搅拌墙的刚度小，变形大，且设计比较复杂。 钢板桩围护墙具有轻型、施工便捷的特点，并且使用的支护构件钢板桩可以在施工完毕后拔出重复使用，符合绿色环保的理念。但钢板桩抗侧刚度小，变形较大，适合开挖深度不大于7m的工程。 近年来，有越来越多的工程采用了地下连续墙作为支护方案。地下连续墙具有很多优点，例如其墙体刚度大，整体性好，对环境影响小，具有挡土和隔水的双重作用，在基坑内部降水时对坑外的影响比较小。地下连续墙适用于开挖深度大于10m，对基坑本身变形和防水较高的深基坑工程。总体而言，本工程以采用地下连续墙，但是地下连续墙的设计复杂，造价相比排桩更高，出于经济性的考量，还是采用排桩作为围护结构比较合理。 灌注桩排桩围护墙是采用连续的柱列式排列的灌注桩形成的围护结构。排桩根据围护体形式可以分为分离式、相切式、交错式、咬合式、双排式和格栅式，可以根据具体的工程地质条件和水文条件进行选择。排桩与地下连续墙相比，优点在于施工工艺简单，成本低，布置灵活。但是排桩的防渗性能和整体性比较差，可以用于开挖20m以内的基坑。为了解决隔水的问题，需要在排桩后布置隔水帷幕，这是排桩围护体的另一个特点。参考其他类似的工程案例，在经过与其他支护方案的必选，本工程认为采用排桩作为围护结构是比较合理的。 内支撑系统由水平支撑和竖向支承两部分组成，能够改善竖向支护的内力分布，提高基坑整体支护刚度，有效控制基坑变形。目前常用的有钢支撑体系和钢筋混凝土支撑体系以及钢与混凝土混合支撑。钢支撑架设和拆除的速度快，并且可以重复使用，尤其适合地铁基坑工程。但是钢支撑的节点复杂，并且造价比较高。钢筋混凝土支撑刚度大，整体性好，平面布置灵活，支撑形式有正交支撑、对撑、角撑、圆环支撑等，能够满足大部分工程的要求。考虑到本基坑工程的开挖面积达40000㎡，使用钢支撑价格昂贵，钢结构的计算复杂，因此拟采用钢筋混凝土支撑，设置2层。立柱采用钢格构柱，根据《钢结构设计规范》验算，并且立柱应插入立柱桩长度。立柱桩应符合《建筑桩基技术规范》的要求。 在地下水控制方面，主要有隔水、降水两种处理方式。隔水一般通过设置隔水帷幕实现。隔水帷幕既可以与基坑周围维护墙体结合设置（如地下连续墙，型钢水泥土搅拌墙），也可以单独设置（如水泥土搅拌桩，高压旋喷桩，注浆）。降水方式有轻型井点、真空井点、喷射井点、管井等，不同的方法适用条件也不同。但深基坑降水总会引起地面一定的沉降，需要特别注意。本工程拟采用隔水帷幕与降水井结合的控制地下水的方式。 作用在支护结构上的水平荷载主要是土压力，土压力的计算理论种类繁多，代表性的 经典理论有朗肯土压力理论和库仑土压力理论。朗肯土压力理论概念简单明确，能够直接得出土压力的分补，适合结构计算。因此，规范中土压力的计算采用了朗肯土压力的相关公式。作用在支护结构上的水平荷载和抗力取值，本工程将按照JGJ120-2012的规定进行计算。 对于排桩的设计计算，依据支护结构的种类和实际情况也有不同的计算方法。悬臂式排桩就有极限平衡法和布鲁姆计算方法等；单支点排桩依据排桩的入土深度，在土体内受否形成嵌固作用也有不同的计算方法。当排桩入土深度比较深时，手算可以采用古典的等值梁法进行计算。对于多支点排桩，也有古典的等值梁法、二分之一分担法，目前规范建议的是弹性支点法。考虑到弹性支点法手算计算非常复杂，本设计还是会用古典的等值梁法进行排桩的内力计算。 支护桩的稳定验算有整体稳定性分析、抗倾覆或踢脚稳定性分析、基底抗隆起稳定性分析和抗管用分析等方面。完成上述的验算之后，将对截水帷幕设计以及排桩的截面设计。混凝土灌注桩的平面设计、竖向设计、材料强度应满足相关的构造要求。按照等值梁法计算的出来的单桩截面内力标准值应该换算成设计值后，对支护桩进行正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力的计算，并配置相应的纵筋和箍筋。使用等值梁法计算的出来的支点力作为荷载反向加到内支撑的冠梁或腰梁上。支点反力化为均布荷载作用在腰梁上，内支撑的端点视为支座，相邻内支撑的距离就是跨度，按照连续梁的计算方法算出最大弯矩和剪力，然后完成腰梁的设计。立柱将采用缀板连接的格构式钢柱，所承受荷载可以查JGJ120-2012,钢柱的设计应遵循《钢结构设计规范》。 完成上述的设计之后，选择合适的降水方案，设置降水井，至此完成手算部分。电算部分将采用理正深基坑设计软件进行计算，计算结果将与手算结果进行比较。计算部分完成之后进行施工方案、监测方案的编制，由此完成本工程的设计。 |
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