建筑施工技术基础教案2——深基坑支护工程

第二章深基坑支护工程
第一节概述
高层建筑施工都要开挖较深较大的基坑，施工比较困难，尤其在软土地区、城市建筑物密集地区。

工地邻近已有建筑物、道路、地下管线等对沉降和位移很敏感，不能用较经济的放坡开挖，而只能在人工支护条件下进行基坑开挖。

1、基坑支护的目的
（1）确保基坑开挖和基础结构施工安全、顺利；
（2）确保基坑临近建筑物或地下管道正常使用；
（3）防止地面出现塌陷、坑底管涌发生。

2、基坑支护的作用
挡土、挡水、控制边坡变形。

3、基坑工程的基本技术要求
（1）安全可靠性；
（2）经济合理性；
（3）施工便利性和工期保证性。

基坑支护通常经过选型、布置、计算、设计、施工、监测等工作程序
深基坑支护设计和施工因影响的因素：如土层种类及物理力学性能、地下水情况、周围环境、施工条件和施工方法、气候等。

荷载取样的准确性和计算理论方面存在问题。

目前还不可能使支护结构的设计完全符合客观实际。

为此如施工过程中未严格按设计规定的工况进行施工，都易产生恶性事故，造成巨大的经济损失和社会影响。

深基坑支护结构虽然多数是属施工期间的挡土、挡水、保护环境等所用的临时结构，但其设计和施工都要采取极其慎重的态度，在保证施工安全的前提下，尽力做到经济合理和施工方便。

第二节基坑支护体系的类型及特点
当地质条件和周围环境允放坡时使用时不做围护。

当地质条件和周围环境不允许放坡时使用如下特殊支护结构：
1.重力式水泥挡墙式，挡土又挡水。

软土地基可用深搅桩、旋喷桩、树根桩等形成重力式的挡土结构。

2.排桩与板墙式：它由桩墙结构及支护结构两部分组成，桩墙结构有钢板桩、板桩墙、灌注桩排、地下连续墙；
3.边坡稳定式，有土钉墙和锚杆支护。

由土钉（锚杆）、钢丝网喷射混凝土面板和加固后的原位土体三部分组成。

槽钢
一字型锁口钢板桩
合形式如见右图
U型锁口钢板桩
H型钢支柱木板桩挡墙
钻孔灌注桩、人工挖孔桩挡墙
一、支护墙板的类型及特点
1、钢板桩
1）槽钢钢板桩
这是一种简易的钢板桩围护墙,由槽钢正反扣搭接或并排组成。

槽钢长6～8m,型号由计算确定。

其特点为:槽钢具有良好的耐久性,基坑施工完毕回填土后可将槽钢拔出回收再次使用;施工方便,工期短;不能挡水和土中的细小颗粒,在地下水位高的地区需采取隔水或降水措施;抗弯能力较弱,多用于深度≤4m的较浅基坑或沟槽,顶部宜设置一道支撑或拉锚;支护刚度小,开挖后变形较大。

（2）锁口钢板桩：有U形、H形和一字型。

我国常用是U形钢板桩。

有一定的挡水能力，打设后就可开挖。

适用于基坑深度（5~10m）不太大，周边环境要求不太严格的工况。

一字型一般不用。

基坑较深时支撑工程量大，给基坑开挖带来不便。

拨桩时会带土，处理不当会引起土层移动，给施工的结构或周边的设置带来破坏。

2、钢筋混凝土板桩
钢筋混凝土板桩
钢筋混凝土板桩具有施工简单、现场作业周期短等特点，曾在基坑中广泛应用，但由于钢筋混凝土板桩的施打一般采用锤击方法，振动与噪音大，同时沉桩过程中挤土也较为严重，在城市工程中受到一定限制。

此外，其制作一般在工厂预制，再运至工地，成本较灌注桩等略高。

因此支护结构目前应用较少。

3、H形钢支柱木挡板按一定间距打入支柱面设木挡板或其它挡土设施，用后可拨出回收。

但由于其一次投资较大，应于不多。

4、钻孔灌注桩围护墙是排桩式中应用最多的一种，在我国得到广泛的应用。

其多用于坑深7～15m 的基坑工程，在我国北方土质较好地区已有8～9m 的悬臂桩围护墙。

钻孔灌注桩支护墙体的特点有：施工时无振动、无噪音等环境公害，无挤土现象，对周围环境影响小；墙身强度高，刚度大，支护稳定性好，变形小；当工程桩也为灌注桩时，可以同步施工，从而施工有利于组织、方便、工期短；桩间缝隙易造成水土流失，特别时在高水位软粘土质地区，需根据工程条件采取注浆、水泥搅拌桩、旋喷桩等施工措施以解决挡水问题，如图2-4中水泥搅拌桩和图2-5图后面一道钻孔灌注桩都起挡水作用。

对于在砂砾层和卵石中施工困难应该慎用；桩与桩之间主要通过桩顶冠梁和围檩连成整体，因而相对整体性较差，当在重要地区，特殊工程及开挖深度很大的基坑中应用时需要特别慎重。

土钉墙支护
作用：土钉与土体形成复合体，提高边坡稳定性和超载能力；
特点：土体稳定性好，位移小，施工简便，费用低，对邻近建筑物影响小。

分层分段施工。

适用于：地下水位以上的杂填土、粘性土、非松散砂土。

边坡坡度70～90 °。

工艺过程：挖土→喷射混凝土→打孔→插筋、注浆→铺放、压固钢筋网→喷射混凝土→挖下层土。

6．地下连续墙
作用：防渗、挡土，地下室外墙的一部分；
适用于：基坑深大，土质差，地下水位高；邻近有建(构)筑物，采用逆作法施工。

工艺过程：作导槽→钻槽孔→放钢筋笼→水下灌注混凝土→基坑开挖与支撑
7、深层搅拌水泥土围护墙（放动画）
深层搅拌水泥土围护墙是采用深层搅拌机就地将土和输入的水泥浆强行搅拌,形成连续搭接的水泥土柱状加固体挡墙。

开挖深度一般不超过6m，水泥掺入比多用12%。

水泥土围护墙优点:由于一般基坑内无支撑,便于机械化快速挖土;具有挡土、止水的双重功能;一般情况下较经济;施工中无振动、无噪音、污染少、挤土轻微,因此在闹市区内施工更显出优越性。

水泥土围护墙的缺点:首先是位移相对较大,尤其在基坑长度大时,为此可采取中间加墩、起拱等措施以限制过大的位移;其次是厚度较大,只有在红线位置和周围环境允许时才能采用,而且在水泥土搅拌桩施工时要注意防止影响周围环境。

7、SMW工法
SMW工法亦称加筋水泥土搅拌桩法,即在水泥土桩内插入H型钢等(多数为H型钢,亦有插入拉森式钢板桩、钢管等),将承受荷载与防渗挡水结合起来,使之成为同时具有受力与抗渗两种功能的支护结构的围护墙。

SMW支护结构的支护特点主要为:施工时基本无噪音,对周围环境影响小;结构强度可靠,凡是适合应用水泥土搅拌桩的场合都可使用,特别适合于以粘土和粉细砂为主的松软地层;挡水防渗性能好,不必另设挡水帷幕;可以配合多道支撑应用于较深的基坑;此工法在一定条件下可代替作为地下围护的地下连续墙,在费用上，如果能够采取一定施工措施成功回收H型钢等受拉材料;则大大低于地下连续墙,因而具有较大发展前景。

二、支撑（拉锚）系统的形式及特点
当基坑深度较大，悬臂的挡墙在强度和变形方面不能满足要求时，需要增设支撑系统。

支撑系统分两类：基坑内支撑和基坑外拉锚。

基坑外拉锚又分为顶部
拉锚与土层锚杆拉锚，前者用于不太深的基坑，多为钢板桩，在基坑顶部将钢板桩挡墙用钢筋或钢丝等拉结锚固在一定距离之外的锚桩上；土层锚杆拉锚多用于较深的基坑。

目前支护结构的内支撑常用的有钢结构支撑和钢筋混凝土结构支撑两类。

钢结构支撑多用圆钢管和H型钢。

为减少挡墙的变形，用钢结构支撑时可用液压千斤顶加预顶力。

1、内支撑
（1）钢支撑
钢结构支撑拼装和拆除方便、迅速，为工具式支撑，可多次重复使用，而且可根据控制变形的需要施加预顶力，有一定的优点。

但与钢筋混凝土结构支撑相比，它的变形相结较大，且由于圆钢管和型钢的承载力不如钢筋混凝土结构支撑的承载能力大，因而支撑水平向的间距不能很大，对于机械挖土不太方便。

在大城市建筑密集地区开挖基坑，支护结构多以变形控制。

在减少变形方面钢结构支撑不如钢筋混凝土结构支撑，但如果分阶段根据变形多次施加预顶力也能控制。

（1）、钢管支撑。

钢管支撑一般采用φ钢管，用不同壁厚的钢管来适应不同的荷载，常用的壁厚为12mm、14mm，有时用16mm。

除φ609钢管外，也可用较小直径钢管，如φ580、φ406钢管等。

钢管的刚度大，单根钢管有较大的承载能力，不足时还可两根钢管并用。

钢管支撑的形式多为对撑或角撑。

对撑时，为增大间距在端部可加设琵琶撑，以减少腰梁的内力。

角撑时，如间距较大、长度较长，可增设腹杆形成桁架式支撑。

对撑纵横钢管交叉处可以上下叠交；也可增设特制的十字接头，纵横钢管处于同一平面内，这时钢管支撑形成一平面框架，刚度大，受力性能好。

采用钢管支撑时，挡墙的腰梁有钢筋混凝土腰梁和型钢腰梁。

前者钢度大，承载能力高，可增大支撑的间距。

（2）H型钢支撑。

H型钢支撑用螺栓连接，为工具钢支撑，现场组装方便，构件标准化，对不同的基坑能按照设计要求进行组合和连接，可重复使用，有推广价值。

H型钢分为焊接H型钢和轧制H型钢两种。

（2）、钢筋混凝土支撑
钢筋混凝土支撑是近年来在深基坑支护结构中常用的一种支撑形式，大多利用土模或模板随着挖土逐层现浇，截面尺寸和配筋根据支撑布置和杆件内力大小而定。

它的刚度大，变形小，能有效地控制挡墙变形和周围地面的变形，宜用于较深基坑和周围环境要求较高的地区。

但在施工中要尽快形成支撑，减少土壤蠕变变形，减少时间效应。

由于钢筋混凝土支撑为现场浇筑，形式可随基坑形状而变化，因而有多种形式，如对撑、角撑、桁架式支撑、圆形、拱形、椭圆形等形式支撑。

钢筋混凝土支撑的混凝土强度等级多为C30，截面尺寸由计算确定。

腰梁截面尺寸有600mm×800mm（高×宽）、800mm×1000mm和1000mm×1200mm；支撑的截面尺寸常为600mm×800mm（高×宽）、800mm×1000mm、800mm ×1200mm和1000mm×1200mm。

支撑的截面尺寸在高度方向要与腰梁相匹配，配筋由计算确定。

对平面尺寸大的基坑，在支撑交叉点处需设立柱，在垂直方向支承水平支承。

立柱可为四个角钢组成的格构式柱、圆钢管或型钢。

考虑到承台施工时便于穿钢筋，格构式柱，应用较多。

立柱的下端插入作为工程桩使用的灌注桩内，插入深度不宜小于2m，否则立柱就要设置专用的灌注桩基础，因此格构式立柱的平面尺寸要与灌注桩的直径相匹配。

2、内支撑的布置和形式
内支撑布置不应妨碍主体工程地下室施工，同时应尽可能便于土方开挖，尤其是机械下坑开挖。

相邻支撑之间水平距离，在结构合理的前提下，尽可能大，方便机械开挖。

布置形式如右图所示。

（1）角撑适用平面形状接近方形且尺寸不大。

基坑中间空间较大。

方便开挖。

（2）环形、桁架式、框架式适用于形状接近于方形，但尺寸较大的基坑。

其受力性能好，能提供较大的空间，便于开挖。

（3）对撑、对撑加角撑。

适用长方形的基坑。

其结构安全可靠，便于控制变形。

（4）混合形式：如环梁加角撑、环梁加边框架、角撑加对撑。

钢支撑多为角撑、对撑等直线杆件的支撑。

混凝土内支撑是现浇结构，其任何形式支撑都便于开挖。

支撑的竖向布置
如右图所示。

主要取决于基坑深度、挖土方式、地下室结构各层楼盖和底板的位置等。

基坑越深，支撑数越多。

使围护墙受力合理，不产生过大的弯矩和变形。

支撑位置要错开楼板的位置，便于支模浇筑地下室结构时换撑。

布置在楼板上下600mm位置最好，还与开挖方式有关。

3、拉锚系统
一端与支护结构连接，另一端固定在土层或岩层中，以承受挡土墙侧的土压力、水压力及其它压力。

并利用地层的锚固力维持挡土支护结构物的稳定。

（1）锚杆的类型如下图所示。

①由钻孔机钻孔，以一般压力注浆与钢筋或钢索组成。

如图2-12（a）所示。

孔内注水泥浆、水泥砂浆或化学浆液，适用于接拨力较低的锚杆工程。

②用旋转钻机或回转钻机成孔。

成孔后用高压注浆，形成钢索、浆液与土层结合较好的锚杆，高压注浆部分能扩大头，一般可扩2~4倍，适用于抗拨力较大的工程。

如图2-12 （b)
③采用特殊的扩孔装置，在轴线方向形成一个或几个圆拉体，如图2-12(c)图所示。

注入压力浆与钢筋或钢索构成，在黏土和砂土中均适用，可以达到较高的抗拨力。

（2）锚杆抗拨原理：当锚固段锚杆受力时，先通过钢筋可锚索与周边的水泥砂浆的握裹力传到到砂浆中，然后再通过砂浆与周边土的摩擦力传到整个锚固锚段，如右图所示。

试验证明当抗拨力不大时，锚杆的位移变形很小；拨力增大，锚杆位移增大；当拨力到一定程度时变形不稳定了，就认为抗拨破坏了。

图2-13中的6是指破裂面。

（3）锚杆的构造
如下图所示。

锚杆是由锚头、钢拉杆（钢索）、塑料套管、定位分隔器以及水泥砂浆等组成，它与挡土桩、墙、连接构成支护结构。

第三节基坑支护体系的施工
（一）、钢板桩的施工
钢板桩施工前的准备工作：
(1)钢板桩的检验与矫正：对钢板桩进行材质检验与外观检验，对焊接钢板桩，尚需进行焊接部位的检验。

进行外观检验时，对不符合要求的钢板桩进行矫正，以减少打桩过程中的困难。

其中，外观检验包括表面缺陷，长度，宽度，高度，厚度，端头矩开比，平直度和锁口形状等内容，钢板桩矫正包括表面缺陷修补，端部平面矫正，桩体挠曲与扭曲矫正，桩体局部主变形矫正和锁口变形矫正等。

(2)选择打桩机，安装导架：为保证沉桩轴线位置的正确和桩的竖直，控制桩的打入精度，防止板桩的屈曲变形和提高桩的贯入能力，一般都需要设置一定刚度的、坚固的导架，亦称“施工围檩”。

导架通常由导桩等组成，它的形式，在平面上有单面和双面之分，在高度上有单层和双层之分，一般常用的是单层双面导架。

围檩桩间距2.5m~3.5m,双面围檩的间距比板桩墙壁厚8~15mm。

（二）打桩方式的选择
打桩方式及施工要点和优缺点
详见有下表所示几种。

对于钢板桩，通常有三种打桩方法：
（a）单独打入法
此法是从一角开始逐块插打，每块钢板桩自起打到结束中途不停顿。

因此，桩机行走路线短，施工简便，打设速度快。

但是，由于单块打入，易向一边倾斜，累计误差不易纠正，墙面平直度难以控制。

一般在钢板桩长度不大(小于10m)、工程要求不高时可采用此法。

（b）围檩插桩法
要用围檩支架作板桩打设导向装置如下图所示。

围檩支架由围檩和围檩桩组成，在平面上分单面围檩和双面围檩，高度方向有单层和双层之分。

在打设板桩时起导向作用。

双面围檩之间的距离，比两块板桩组合宽度大8～15 mm。

围檩插桩法施工中可以采用封闭打入法和分段复打法。

封闭打入法是在地面上，离板桩墙轴线一定距离先筑起双层围檩支架，而
后将钢板桩依次在双层围檩中全部插好，成为一个高大的钢板桩墙，待四角实现封闭合拢后，再按阶梯形逐渐将板桩一块块打入设计标高。

此法的优点是可以保证平面尺寸准确和钢板桩垂直度，但施工速度较慢。

分段复打法又称屏风法如下图所示，是将10~20块钢板桩组成的施工段沿围檩插入土中一定深度形成较短的屏风墙，先将其两端的两块打入，严格控制其垂直度，打好后用电焊固定在围檩上，然后将其他的板桩按顺序以1/2或1/3板桩高度打入。

此法可以防止板桩过大的倾斜和扭转，防止误差积累，有利实现封闭合拢，且分段打设，不会影响邻近板桩施工。

打桩锤根据板桩打入阻力确定，该阻力包括板桩端部阻力，侧面摩阻力和锁口阻力。

桩锤不宜过重，以防因过大锤击而产生板桩顶部纵向弯曲，一般情况下，桩锤重量约为钢板桩重量的2倍。

此外，选择桩锤时还应考虑锤体外形尺寸，其宽度不能大于组合打入板桩块数的宽度之和。

钢板桩的打设
1．打设前的准备工作
(1)钢板桩准备
(2)围檩支架安装
(3)转角桩的制作
2、钢板桩打设
先用吊车将钢板桩吊至插桩点进行插桩，插桩时锁口对准，每插入一块即套上桩帽上端加硬木垫，轻轻锤击数下，为保证桩的垂直度，应用两台经纬仪加以控制。

为防止锁口中心线平面位移，可在打桩行进方向的钢板桩锁口处设卡板，阻止板桩位移，同时在围檩上预先标出每块钢板桩的位置，以便随时检查纠正。

打桩开始的一、二块钢板桩的打设位置和方向要确保精度，以起导向样板的作用，故每人土1m测量一次，打至预定深度后立即用钢筋或钢板与围檩支架临时电焊固定。

钢板桩打人时如出现倾斜和锁口结合部有空隙，到最后封闭合拢时有偏差，一般用异形桩(上宽下窄或宽度大于或小于标准宽度的板桩)，当异形桩加工困难时，则用轴线修正法进行而不用异形桩。

（三）钢板桩的拨除
对封闭的钢板桩墙，拨桩开始点要离开角桩五块以上，必要时要跳块拨，拨桩的顺序要与打桩顺序相反。

采用振动锤或振动锤与起重机共同拨桩。

单桩拨不起时要在钢板桩设吊架，起重机在振动锤的同时向上拨。

回填土可在边振边拨灌水并填砂。

二、土锚施工
土锚施工包括钻孔、安放锚杆、灌浆、养护、张拉锚固和验收
（一）钻孔
钻孔工艺影响锚杆的承载力、效率和成本。

要求不振扰土体，减少对原来土体内的应力场的变化。

1、钻孔机械一类是国外进口的锚杆专用钻机，另一类是国产钻机和工程钻机改装的锚杆钻机。

2、钻孔方法
按钻孔方法的不同，一可分为干作业法和湿作业法(压水钻进法)。

A．干作业法
当土层锚杆处于地下水位以上时，可选用干作业法成孔。

该法适用于粘土、粉质粘土和密实性、稳定性较好的砂土等土层，一般多用螺旋式钻机等施工。

干作业法有两种施工方法：
(a)通过螺旋钻杆直接钻进取土，形成锚杆孔；然后安放锚杆。

(b)采用空心螺旋（锚杆放在空心孔）一次成孔.。

采用干作业法钻孔时，应注意钻进速度，防止卡钻，并应将孔内土充分取出后再拔出钻杆，以减小拔钻阻力，并可减少孔内虚土。

B．湿作业法
湿作业法即压水钻进成孔法，它将在成孔时将压力水从钻杆中心注入孔底，压力水携带钻削下的土渣从钻杆与孔壁间的孔隙处排出，使钻进、出渣、清孔等工序一次完成。

由于孔内有压力水存在，故可防止塌孔，减少沉渣及虚土。

其缺点是排出泥浆较多，需搞好排水系统，否则施工现场污染会很严重。

湿作业法采用回转达式钻机施工。

水压力控制在0．15～0．30MPa，注水应保持连续钻进速度300～400mm／min为宜，每节钻杆钻进后在进行接钻前及钻至规定深度后，均应彻底清孔，至出水清彻为止。

在松软土层中钻孔，可采用套管钻进，以防坍孔。

清孔是否彻底对土层锚杆的承载力影响很大。

为改善土层锚杆的承载力，还可采用水泥浆清孔，有资料报导，它可提高锚固力150％，但成本较高。

(3)潜钻成孔法：
是利用风动冲击式潜孔冲击器成孔。

是压缩空气驱动，，内装配气阀、气缸和活塞组成。

利用活塞往复运动定向冲击，挤压土层向前成孔。

具有效率高、噪声低特点。

风动冲击式潜孔冲击器安装在钻机上，可以控制角度。

如右图所示。

（二）安放拉杆
（1）按设计要求制作锚杆，为使锚杆处于钻孔中心，应在锚杆杆件上安设定位器或撑筋环（粗钢筋杆体沿轴线方向每隔2～2.5m设置一个定位器，用细钢筋制作，在钢筋拉杆轴心按1200夹角布置，保证锚固体段拉杆与锚固体的握裹力如左下图所示，；钢绞线或钢丝束每隔0.5-1.0m设置一个撑筋环,钢丝束的外层钢丝绑轧在撑筋环上，内层钢丝则从撑筋环的中间穿过，如右下图所示，这样形成一连串的菱形，使钢丝束与锚固体砂浆的接触面积增大，增强了黏结力）。

（2）锚杆钢筋或钢丝束平直、顺直、除油除绣。

杆体自由段应用塑料布或塑料管包扎，与锚固体连接处用铅丝绑扎。

（3）安放锚杆杆体时，应防止杆体扭曲、压弯，注浆管宜随锚杆一同放入孔内，管端距孔底为50-100mm，杆体放入角度与钻孔倾角保持一致，安好后使杆体始终处于钻孔中心。

（4）若发现孔壁坍塌，应重新透孔、清孔，直至能顺利送入锚杆为止。

（三）灌浆
灌浆料采用水泥净浆。

灌浆施工采用二次重复灌浆法施工。

第一次灌浆时灌浆管管端离锚杆末端500mm，第二次灌浆用灌浆管的管端距离锚杆末端1000mm左右，管底出口处用黑胶布封口，从管端500mm处开始向上每隔2m作出1m长的花管，花管的孔眼为φ8，花管的段数视锚固段长度而定。

如右图所示。

灌浆时先灌锚固段，待浆液初凝再对锚固段进行张拉，然后再灌注自由段，使锚固段与自由段界限分明。

第一次灌浆压力0.3～0.5MPa，流量控制在100L／min。

在压力作用下，浆液冲出封口流向钻孔，并将水及泥浆置换出来。

第一段灌浆量可根据孔径及锚固段长度而定。

第一次灌浆后将注浆管拔出，可重复使用。

待第一次灌注的浆液初凝后，进行第二次灌浆。

二次注浆时间可根据注浆工艺试验确定或在第一次灌浆锚固体强度达到5MPa后进行。

压力控制在2．5～5．0MPa，并稳压2min，浆液冲破第一次灌浆体，向锚固体与土的接触面之间扩散，使锚固体直径扩大，增加径向压应力。

由于挤压作用，使锚固体周围的土受到压缩，孔隙比减小，含水量减少，也提高了土的内磨擦角。

由此，提高土层锚杆的承载能力。

（5）张拉与锚固
A．锚头及张拉设备
土层锚杆的锚头与张拉设备，应根据锚杆材料配套。

单根粗钢筋拉杆，可采用螺丝端杆，或直接在钢筋端部加工螺纹，但后者应注意截面的损失。

张拉设备则可选用拉杆式千斤顶，如YL一60型等。

拉杆为钢束者，锚具可选取用夹片式锚头或锥形螺杆锚头，前者可配以锥锚式千斤顶，后者则可用拉杆式千斤顶，亦可用穿心式千斤顶，如YC一60YC一90等。