城市地下工程的基坑围护结构

城市地下工程的基坑围护结构

城市地下工程，是指在城市内部深入地面以下为开发利用地下空间资源所建造的地下土木工程；城市地下工程具有现场环境条件复杂、工期长、技术要求高、施工难度大、对环境影响控制要求高等特点, 是一项相当复杂的高风险性系统工程。

一、概述

基坑工程是由地面向下开挖一个地下空间，四周设置垂直的挡土围护结构以及支撑结构的工程。围护结构一般是在开挖面基底下有一定插入深度的板（桩）墙结构，主要承受基坑开挖卸荷所产生的土压力和水压力，并将此压力传递给支撑，是稳定基坑的一种挡墙结构；支撑结构分为内撑和外锚两种，主要是为了减小围护结构的变形，控制墙体的弯矩。

城市地下工程中，涉及到基坑围护结构的主要有两种土建工程：一种主要用于车站，地下仓库以及地下停车场；一种主要用于地铁区间线路修建。

二、基坑围护结构设计内容城市地下工程的基坑围护结构，由于其所处的特殊地理位置和功能，导致其具有环境效应，会引起周围地基地下水位的变化和应力场的改变，周围地基土体的变形，对周围建筑物和地下管线产生影响，因此在基坑围护工程设计和施工时首先要保护相邻建筑物和市政设施的安全。具体的基坑围护结构设计内容如下：

(1)环境调查及基坑安全等级：在围护设计中，首先应根据基坑的深度地质条件及周边环境条件确定基坑的安全等级，这是进行基坑围护结构设计的首要条件；

(2)围护结构的选择和布置：软粘土地基、黄土地基等工程地质和水文地质条件不同的地基中基坑工程差异性很大，同一城市不同区域也有差异，因此要根据工程规模、主体工程特点、场地条件等因素确定基坑围护结构的类型；

(3)围护结构设计计算：通过设计计算确定结构构件的内力和变形，据以验算截面承载力和基坑位移；

(4)围护结构稳定性验算：为防止因围护墙插入深度不够等原因产生过大变形，当围护结构计算完成后进行稳定性验算；

(5)节点设计：对基坑阶段构造进行设计，防止因节点构造不合理或施工问题导致基坑变形过大；

(6)井点降水：在地下水位较高的地区，在设计阶段要确定降水深度和采取的技术方案，在开挖深基坑时候注意加强排水防灌措施，风险较大应该提前做好应急预案；

(7)土方开挖：土方开挖的施工组织中不合理的土方开挖、步骤和速度可能导致主体结构桩基变位、支护结构过大的变形，甚至引起支护体系失稳而导致破坏，要求每阶段的开挖深度与相应设计工况的计算模型一致，强调先支撑后开挖的原则；

(8)监测：基坑工程施工过程中应进行监测，力求实行信息化施工，并应有应急措施，防止出现安全事故问题。

三、基坑围护结构类型在我国应用较多的基坑围护类型有工字

钢桩围护结构、钢板桩围护结构、钻孔灌注桩围护结构、SMW桩、高压旋喷桩以及

地下连续墙等。以下对各种结构类型的特点、优缺点以及适用范围做简述，为设计选择提供参考。

(1)工字钢桩围护结构作为基坑围护结构中的工字钢，一般采用

I50 号、I55 号和

160号大型工字钢。基坑开挖前，使用打桩机按 1.0〜1.2m的桩间距沿基坑设计边线打入地下。基坑开挖时，为了挡住桩间土体，在桩间插入50mm厚的水平木板。基坑开挖至一定深度后，设置腰梁和横撑或者锚索(杆)，横撑采用钢管或组合钢梁，腰梁多采用大型槽钢和工字钢。

工字钢桩围护结构适用于砂性土、黏性土、以及粒径不大于100mm的砂卵石地层；当地下水位较高时，必须配合人工降水措施。打桩时，施工噪声较大，一般都在l00dB 以上，超过了环境保护法规定的限值。因此，一般宜用于郊区距居民点较远的基坑施工中，或者对于基坑范围不大的地铁车站出入口，临时施工竖井也可以考虑采用工字钢围护结构。

(2)钢板桩围护结构

钢板桩常采用U形或Z形断面形式。我国地铁施工中多用U 形钢板桩，其构成方法分为双层钢板桩围堰、单层钢板桩围堰、以及屏幕等，其沉放、拔除方法、以及使用的机械均与工字钢桩相同。地铁施工时基坑较深，多采用帷幕式构造，可以保证其垂直度。

钢板桩，桩与桩之间的连接紧密，强度高，隔水效果好，可以重复使用。因此，上海、天津等沿海城市修建地下铁道时，在地下水位较高的基坑中经常采用钢板桩围护结构。

(3)钻孔灌注桩围护结构钻孔灌注桩系是指在工程现场通过机械钻孔在地基土中形成桩孔，并在其内放置钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩。地铁明挖基坑中多采用冲击式钻机、螺旋钻机和正反循环钻机等。其特点是墙身强度高，刚度大，支护稳定性好，变形小，无挤土现象，施工时无振动无噪声等环境污染，对周围环境影响小。

对正反循环钻机，由于其采用泥浆护壁成孔，故成孔时噪声低，适于城区施工，在地铁基坑和高层建筑深基坑施工中得到广泛应用。但是桩与桩之间主要是通过桩顶冠梁和围檩连成整体，因而相对整体性比较差，当在重要地区，特殊工程以及开挖深度很大的基坑中应用时需要特别慎重。

(4)深层搅拌桩挡土结构深层搅拌桩挡土结构是利用水泥石灰等材料作为固化剂通过深层搅拌机械，将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性水稳定性和一定强度的水泥土搅拌桩体，作为基坑的支护结构。简言之就是用搅拌机械将水泥、石灰等和地基土相拌合，从而达到加固地基的目的。作为挡土结构的搅拌桩一般布置成格栅形，深层搅拌桩也可连续搭接布置形成止水帷幕。

(5)SMW 桩

SMV桩挡土墙是利用搅拌设备就地切削土体，然后注入水泥类混

合液搅拌形成均匀的挡墙，然后在水泥土混合体硬结之前插入作为补强材料的H 型钢或钢板，即形成一种劲性复合围护结构。这种围护结构的特点主要表现在防水止水性好，整体刚度大强度高、构造简单，施工速度快，占用施工场地少，对周边环境影响小，同时型钢可以部分回收、重复利用，符合环保要求。目前杭州地铁一号线天津丰铁基坑南京地铁二号线等基坑围护中都成功应用了SMW S护结构。

(6)高压旋喷桩高压旋喷桩是利用高压旋转将水泥浆喷入土层与

土体混合

体，形成水泥土加固体，相互搭接形成的排桩。高压旋喷桩施工结构紧凑、体积小、机动性强、占地少，并且机具的振动很小，对周围建筑物带来的振动影响和噪音影响小，但施工中有大量泥浆排出，容易引起污染，但是其施工费用要高于深层搅拌水泥土桩。对于地下水流速过大的地层，由于喷射的浆液无法在注浆管周围凝固，也不宜采用此法。

(7)地下连续墙

地下连续墙是采用一种挖槽机械，沿着深开挖工程的周边轴线，在泥浆护壁条件下，开挖出一条狭长的深槽，清槽后，在槽内吊放钢筋笼，用导管法灌筑水下混凝土筑成的一道钢筋混凝土墙壁。

地下连续墙墙体刚度大，施工时振动小、噪声低，对周边地层扰动小；可适用于多种土层，除过孤石、大颗粒卵砾石等局部障碍物会影响成槽效率外，其他的对黏性土、无黏性土、卵砾石层等各种地层均能高效成槽。