深基坑支护体系的设计与应用

贺 晗

(上海建科工程咨询有限公司， 上海 200032)



深基坑支护体系的设计与应用

贺 晗

(上海建科工程咨询有限公司， 上海 200032)

基坑工程主要包括土方开挖及基坑支护体系的设计与施工，是综合性很强的系统工程。随着基坑的开挖面积、深度越来越大，基坑支护结构的设计和施工也越来越复杂，远远超越了施工辅助措施的范畴，如果没有足够的措施来解决基坑稳定、变形和环境保护问题，往往导致基坑在施工过程中发生安全事故。文章阐述了深基坑工程的特点，重点讨论了地下连续墙和逆作法在深基坑工程中的应用。

深基坑； 基坑支护; 地下连续墙； 逆作法

基坑支护是为保护地下主体结构施工和基坑周边环境的安全，对基坑采用的临时支挡、加固、保护，以及地下水控制的措施。支护结构包括基坑围护结构和支挡结构，主要用来加固基坑侧壁。

围护结构常常设置在深基坑四周侧壁的竖向构件, 从基坑开挖面开始到嵌入基坑底面以下,例如板(桩)墙结构， 插入基底以下有一定深度。围护结构主要承受基坑开挖卸荷所产生的土压力和水压力，并将此压力传递到围护的支撑，是稳定基坑的一种施工临时挡墙结构。

支撑结构，用于支撑围护结构，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形式。

基坑支护工程施工周期长，从开挖到完成地面以下的全部隐蔽工程，常经历多次降雨、周边堆载、振动、施工不当等许多不利条件，其安全度的随机性较大，事故的发生往往具有突发性[1]。

1 支护体系的设计

基坑支护作为一个独立的结构体系，必须满足承载力和变形的要求，即承载能力极限状态和正常使用极限状态[2]。

1.1 承载能力极限状态

(1)支护结构构件或连接因超过材料强度而破坏，或因过度变形而不适于继续承受荷载，或出现压屈、局部失稳；

(2)坑底土体隆起而丧失稳定；

(3)支护结构及土体整体滑动；

(4)对支挡式结构，坑底土体丧失嵌固能力而使支护结构推移或倾覆；

(5)对锚拉式支挡结构或土钉墙，土体丧失对锚杆或土钉的锚固能力；

(6)重力式水泥土墙整体倾覆或滑移；

(7)重力式水泥土墙、支挡式结构因其持力土层丧失承载能力而破坏；

(8)地下水渗流引起的土体渗透破坏。

1.2 正常使用极限状态

指支护结构的变形或是由于基坑开挖引起周边土体产生的变形过大，影响正常使用，但未造成结构的失稳。

(1)因地下水位下降、地下水渗流或施工因素而造成基坑周边建(构)筑物、地下管线、道路等损坏，或影响其正常使用的土体变形；

(2)造成基坑周边建(构)筑物、地下管线、道路等损坏或影响其正常使用的支护结构位移；

(3)影响主体地下结构正常施工的支护结构位移；

(4)影响主体地下结构正常施工的地下水渗流。

基坑支护设计相对于承载力极限状态要有足够的安全系数，不允许出现这种强度或者稳定极限状态；而在保证不出现失稳的条件下，还要控制其位移量，不致影响周边建筑物的安全使用。

一般的支护结构是以水平位移为主。一级基坑的最大水平位移，一般宜不大于30 mm，对于较深的基坑, 还应小于0.3 %H,H为基坑开挖深度。对于一般的基坑，其最大水平位移也宜不大于50 mm。一般控制在30 mm内，地面不致有明显的裂缝，当最大水平位移达到40～50 mm范围时，会有可见的地面裂缝。因此，一般的基坑最大水平位移应不大于50 mm，否则会产生较明显的地面裂缝和沉降，感观上产生不安全的感觉[3]。

2 地下连续墙

目前常用的基坑支护方式主要有板桩墙、土钉墙、水泥土墙、排桩墙、地下连续墙支护等。其中地下连续墙的刚度大，止水效果好，是最强的支护型式，适用于地质条件差、地形复杂、基坑深度大以及对周边环境要求高的基坑支护。

地下连续墙就是用专用设备沿着深基础或地下构筑周边采用泥浆护壁开挖出一条具有一定宽度与深度的沟槽，在槽内设置钢筋笼，采用导管法在泥浆中浇筑混凝土，筑成一单元墙段；然后顺序施工，以某种接头方法连接成的一道连续的地下墙。地下连续墙可以在基坑开挖时防渗、挡土，作为邻近建筑物基础的支护，也可以成为承受直接荷载的基础结构的一部分。

在应用的初期，地下连续墙大多用作防渗墙或临时挡土墙。随着新技术、新材料的研发，现在越来越多地成为主体结构的一部分，广泛地用于大型深基坑工程，代替了很多传统的施工方法。

地下连续墙的主要优点如下：

(1)施工时振动小，噪音低，非常适于在城市施工。

(2)墙体刚度大。目前国内地下连续墙的厚度为0.6～1.3 m，用于基坑开挖时，可承受很大的土压力，极少发生地基沉降或塌方事故，已经成为深基坑支护工程中必不可少的挡土结构。

(3)防渗漏性能好。由于墙体接头形式和施工方法的改进，使地下连续墙几乎不透水。用地下连续墙作为土坝、尾矿坝和水闸等水工建筑物的垂直防渗结构，是非常安全和经济的。

(4)对地基的适用范围很广，适用于几乎所有地基条件，从软弱的冲积地层到中硬的地层、密实的砂砾层，各种软岩和硬岩等所有的地基都可以建造地下连续墙。

(5)可用作刚性基础。目前地下连续墙不再单纯作为防渗防水、深基坑维护墙，而且越来越多地用地下连续墙代替桩基础、沉井或沉箱基础，承受更大荷载。

(6)占地少，可以充分利用建筑红线以内有限的地面和空间。

(7)施工效率高，工期短；质量可靠，经济效益高。

(8)地下连续墙刚度大，易于设置预埋件，很适合于逆作法施工。

3 地下连续墙和逆作法的联合应用

逆作法，顾名思义，是将地下结构自上往下逐层施工，地下结构与上部结构同时施工，以缩短施工总工期。逆作法+连续墙是一种特殊的深基坑支护技术，在开挖深度很大的且土质条件较差的多层地下结构中采用是十分有效的，能够显著提高地下工程的安全性，缩短工期，防止周围地基出现下沉。

逆作法的施工原理是：第一步，沿建筑物地下室轴线(连续墙也是地下室结构的承重墙)或周围施工地下墙和其支护结构，同时在建筑物内部的有柱子位置(柱子或隔墙相交处等，根据计算确定)浇筑或打下中间支承柱和中间支撑桩，从而组成逆作法的竖向承重体系，作为底板封底之前承受上部结构自重和施工荷载的竖向支撑。第二步，施工±0层的梁板楼面结构，作为地下连续墙的刚度很大的水平支撑，同时为上部结构施工创造了条件。第三步，是在该楼板下挖土，直到地下二层楼板处，然后浇筑地下二层梁板结构，如此继续下去。以主体梁板结构作为水平支撑，同时也可减少基坑开挖时对周围建筑设施的影响，地面上、下同时进行施工，直至工程结束。

3.1 逆作法施工步骤

(1)在基础的外围四周，先施工地下连续墙或密排桩，作为地下室外墙或基坑的围护结构，基础若是桩基则采用上述排桩、钻孔桩等。

(2)按设计图设置中间支承柱和中间支撑桩，采用“一柱一桩”的基础，每根桩必须承受基础尚未完成前的上部和地下结构所有荷载，目前大部分采用临时钢管柱或型钢柱(宽翼面工字钢)支承，挖土完成后再作外包混凝土。当采用挖孔桩时可支摸采用钢筋混凝土柱。

(3)利用地下室一层的土方夯实修正后作地模，浇灌±0层的钢筋混凝土的梁和板，并在此层预留出挖土方的出土洞若干个。

(4)进行地下室一层的土方的推土、挖土和运土到室外卸土区。

(5)重复步骤(3)进行地下室二层顶板的梁板浇筑，同样要在楼板中预留出土洞。

(6)重复步骤(4)进行地下室二层的土方外运。

(7)重复步骤(3)、(5)进行地下三层顶板的梁板浇筑，同样要在楼板中预留出土洞。

(8)重复以上挖土和浇筑步骤，直到浇筑地下室底板, 作为最后一道水平支撑。

3.2 逆作法的主要类别

3.2.1 全逆作法

利用地下各层钢筋混凝土肋形楼板，对四周围护结构形成水平支撑。楼盖为整体浇筑，然后在其下掏土，通过楼盖中的预留孔洞向外运土并向下运入建筑材料。

3.2.2 半逆作法

利用地下各层钢筋混凝土肋形楼板中先期浇筑的交叉格形肋梁，对围护结构形成框格式水平支撑，待下面的土方开挖完成后再二次浇筑肋形楼板。

3.2.3 部分逆作法

用基坑内四周暂时保留的局部土方对四周围护结构形成水平抵挡，抵消侧向压力所产生的一部分位移。

3.2.4 分层逆作法

主要指四周围护结构，采用分层逆作，不是一次整体施工完成。分层逆作法中围护结构通常采用土钉墙。

3.3 逆作法的优点

(1)±0.000层梁板结构最先完成，可以作为围护结构的内支撑。由于楼板结构本身的侧向刚度是无限大的，且压缩变形值相对围护桩的变形要求来讲几乎等于零。因此，可以从根本上解决支护结构的侧向变形，从而使周围环境不至出现因变形值过大而导致路面沉陷、基础下沉等问题，对邻近建筑的影响很小。

(2)地下连续墙与土体之间粘结力和摩擦力不仅可利用来承受垂直荷载，而且还可充分利用它承受水平风力和地震作用所产生的建筑物底部巨大水平剪力和倾覆力矩，从而大大提高了抗震能力。

(3)采用逆作法， 利用连续墙作为基础围护墙，地下室楼盖结构兼作其水平支撑，节省材料。同时，地下室外墙与基坑围护墙两墙合一，可最大限度扩大地下室面积，增加使用面积。

而且楼盖结构作为支撑体系，还可以解决由于建筑的特殊平面形状或局部楼盖缺失所带来的布置支撑困难，并使受力更加合理。

(4)一层结构楼面可作为工作平台，不必另外架设开挖工作平台与内撑，大幅度削减了支撑和工作平台等大型临时设施，减少了相关的施工费用。同时建筑物上部结构的施工和地下基础结构施工同时进行，大大缩短总工期。

(5)由于基坑开挖和结构施工的交错进行，逆作结构的自身荷载由立柱直接承担并传递至地基，减少了大开挖时卸载对持力层的影响，降低了基坑内地基回弹量。

(6)由于先浇筑好一层楼面，再向下挖土施工，故施工中的噪音因表层楼面的阻隔而大大降低，从而避免了因夜间施工噪音问题而延误工期。

(7)如果地基处理采取开敞开挖，会产生大量的建筑扬尘。采用逆作法施工，由于其施工作业在封闭的地表下，可以最大限度的减少扬尘。

(8)因为一层楼面最先浇筑好，可以在地面道路继续通车的情况下，进行地下施工，从而避免了因施工带来的道路交通不畅。

3.4 逆作法的主要适用范围

(1)地下室深度最好是二层及二层以上，较深较大的地下工程；

(2) 基坑地下室面积较大，造型复杂，采用一般的支护结构难以完成地下室工程的施工；

(3)地质条件差，如软土地基等，一般的支护结构变形较大；

(4) 基坑四周的环境复杂，施工难度很大，并且对四周的环境保护要求特别严格或者对四周的变形控制严格；

(5)工期非常紧，缩短工期对工程有特别重要的意义或有巨大的经济效益；

(6)需最大限度利用城市规划红线内的地下空间，扩大地下室建筑面积，将围护墙作为地下室外墙正好符合这一目标。

4 逆作法的工程实例分析

4.1 项目简介

4.1.1 项目概况

成都春熙某高层公寓位于成都市锦江区春熙路附近；项目占地面积约5 029 m2; 建筑面积约 10×104m2; 拟建建筑高度为200～300 m; 基坑深度为33 m，地下7 层。

4.1.2 水文地质条件

场地内存在三种类型的地下水。

(1)上层滞水：存于场地东侧和南侧填土层中，水位埋藏浅，且水量较小。

(2)孔隙潜水：孔隙潜水是本场地主要的地下水类型，其水位埋藏较浅，水量丰富。

(3)基岩裂隙水：各地段富水性不一，无统一的自由水面。

4.1.3 项目周边环境

项目东北侧为 4～5 层民居，距离本基坑 7～8 m，按照桩基础考虑， 以卵石作为持力层，埋深 5.5 m。东北侧街道狭窄，为单行道。西南侧紧邻20 层某在建大厦，没有通行道路。该大厦采用地下室桩承筏板基础，埋深 12.9 m。

基坑东南侧为4 层民房和 30层假日酒店，酒店紧邻本项目红线，没有道路通行。假日酒店地下室2层，采用桩承筏板基础 , 埋深14 m。西北侧为某单位楼房及民宅，最高 8 层，基础按照桩基础考虑，埋深 5.5 m。

4.2 基坑工程的难点和施工方案

本工程基坑深度 33 m，地下水较丰富，属于危险性较大的分部工程；且处于繁华闹市区，周边紧邻道路，建筑物密集，对基坑的变形和地下水位的控制都有非常严格的要求。基坑支护体系既不能对周边建筑的基础造成影响，又要控制周边道路和地面的变形。

由于本项目周边仅有北侧和西侧有交通道路， 且北侧华兴上街为单行道，两侧道路均较狭窄，车流量大，进出场材料运输困难。

综合各种因素考虑，我们建议对本工程的基坑施工采用逆作法的方案，基坑支护为地下连续墙。

逆作法(地下连续墙)和传统的顺作法(桩锚支护)对比如下：

(1)支护结构自身的刚度。

桩锚结构：排桩，单桩均为细长的悬臂结构，基坑深度越大，其柔性越大，对基坑的稳定及变形控制十分不利，必须增加锚索和内支撑来协同受力。但是规范中明确规定对基坑要求较高时不得采用桩锚结构。

地下连续墙：地连墙结合地下室的楼板作为水平内支撑，刚度非常大，基坑变形非常小。

(2)对周边建筑的影响。

桩锚结构：锚索可能会改变周边土体的应力场，导致周围地基土体变形，从而影响周边建构筑物的基础。同时锚索施工将会造成周边地下水的水位下降，导致周边低层的无桩基建筑物发生沉降，风险特别大。

地下连续墙：对地下水位影响较小，对周边建构筑物的基础影响很小，也不会破坏周边市政管道，风险小。

(3)场内材料堆放。

顺作法：本工程占地面积仅 5 000 m2左右，外侧仅有两条道路可通行，且交通拥堵，基坑大开挖后场内没有材料堆放的地方。

逆作法：由于采用分层开挖的方法，先浇筑楼板，再挖下面一层的土方，因此地下每一层的楼板都可以放置材料。

(4)噪音影响。

顺作法：项目周边有大量民宅、酒店，夜间施工必然会扰民。但由于工期紧张，又位于市中心，在出土期间必须进行夜间施工。

逆作法：由于先浇筑好一层楼面，再逐层向下挖土，故施工中的噪音因楼板的阻隔而大大降低，从而避免噪音污染。

(5)施工进度。

顺作法：先进行基坑支护施工，然后挖除基坑内土方，紧接着开始施工结构的基础和地下室底板，逐层向上施工， 逐层拆除内支撑。由于地下部分有7层，地下结构的工程量巨大，上部结构的施工必须等地下结构全部完成后才能开始，因此施工周期很长。

逆作法：地下结构的施工相对顺作法较慢，但是不影响主楼地上结构的施工。首层楼板浇筑后，地上结构的施工便可以进行，地上、地下同时施工，施工速度将大大加快，可以比常规施工加快近 9 个月。

4.2.6 工程造价

逆作法的施工成本比顺作法大约增加 5 %，但是整个工程的工期大幅缩短，业主的资金成本将大大降低。同时方便业主和客户看楼，为房屋的精装预售创造有利条件。

4.3 逆作法施工的关键点和发展展望

4.3.1 逆作法施工的关键点

(1)逆作法中，挖土与结构施工同时进行，因此协同作业很重要，要求在施工前要编制出逆作法施工程序, 做好施工组织方案，遵循“分层、分块、限时”的原则。

(2)出土洞的预留。当肋形楼盖整体浇筑时，注意留出部分区格暂不施工当作出土洞。一般预留在电梯井位置 ,必要时在洞边四周加设临时钢支撑进行加固。

(3)如果钢筋混凝土肋形楼盖分2次浇筑，要求肋梁与后浇楼板结合形成叠合梁，以保证楼盖有足够的强度，刚度和整体稳定性。

(4)上下侧墙的连接。为了保证上下层侧墙的连接质量和受力合理，上下层侧墙必须对齐，侧墙与楼板连结处应设边梁或暗梁,截面中要预埋竖筋 ,加强上下层侧墙的连接。

(5)立柱的连接。必须保证地下室柱子与楼板之间连接的整体性，以确保竖向传力。当底板为筏基础时，应使柱子的轴力传给底板；当基础为一柱一桩础时,底板与立柱、桩应起固定拉结的传力作用;当设置临时立柱时,宜在与底板相交的钢管外围焊接多层钢板传力环。

(6)临时立柱。一般逆作法都需要设置临时立柱，常常采用钢管柱外包混凝土组合柱的方法。临时立柱及其基础需要进行施工期间的承载力及变形验算。

(7)竖向承重结构的垂直度。进行垂直度跟踪观测，严格做到随挖随测随纠正，要求地下连续墙的垂直度达到1/400，中间钢立柱的垂直度达到1/500，以保证水平楼板的正常受力工作。

(8)各种防水防漏。地下连续墙同时具备挡水挡土、围护、承重的多种功能，因此墙体的防水、泥浆配置很关键。必须选用优质泥浆，按照合适的泥浆配合比进行试成槽，并根据实验情况及时调整。保证地下墙与底板之间有良好的连接，保证其施工缝能够满足抗渗要求。

(9)基坑的降水施工必须及时，降水井点避开立柱桩及坑底加固区。

(10)逆作区挖土深度大，需做好通风和照明的设施。 逆作法中结构接头很多，较复杂；垂直构件的连接处理困难，特别在强度与止水性方面；钢柱需插入桩基，吊放钢柱比较困难; 对围护结构的施工精度要求很高;在城市施工时，废泥浆的处理比较麻烦。另外，在软土地基中支承桩与地下连续墙的沉降差异控制也是一个难点。

由于逆作法的施工复杂程度大于常规的正作法，因此需要有经验的施工单位进行操作。

4.3.2 逆作法的发展展望

随着各种大跨度、超高层的大型综合体建筑不断涌现，基坑工程也朝着更深更大更复杂的方向发展, 这都要求设计出更强更可靠的支护结构。地下连续墙和逆作法的配合使用恰好适应了这一需求，特别适合于受到环保、市政设施等各种限制，施工环境较差的复杂基坑。随着施工技术和施工设备的进步，地下墙和逆作法工艺会越来越成熟，在未来的深基坑中会得到越来越广泛的应用。

[1] 曾进群，杨光华，王文杰. 支撑体系对基坑支护结构变形和内力的影响分析[J]. 工业建筑，2004(增): 137-139.

[2] JGJ120-2012 建筑基坑支护技术规程[S].

[3] 任兴宇.钻孔灌注桩+锚索复合支护技术在深基坑工程中的应用[J].中外建筑，2012(1): 110-111.

[4] 程良奎,范景伦，韩军， 等.岩土锚固[M]. 北京:中国建筑工业出版社，2002.

贺晗，女，硕士，工程师，从事项目管理类工作。

TU94+2

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[定稿日期]2016-11-15