地铁深基坑工程支护及监测方案设计

地铁深基坑工程支护及监测方案设计内容摘要：

监控报警值作了深入的分析。 10 广泛收集基坑工程有关规范、技术规程、类似工程施工专题资料，根据设计文件、现场条件，设计并编制逐步完善该基坑工程施工方案。 聘请有施工经验的专家或单位进行技术咨询或现场指导。 11 第二章 基坑支护方案类型 基坑支护设计中的首要任务就是选择合适的支护型式， 然后进行支护结构的计算分析。 根据计算分析进行结构的设计，包括结构截面、支撑或锚杆尺寸、入土深度等的设计。 同一个基坑若采用不同的支护型式，造价相差可能是巨大的。 深圳罗湖车站的支护型式的优化，节省造价 1000 多万元，其中最大的优化是在强风化岩层中，把桩 +锚杆的支护型式优化为土钉墙支护。 而在有些地方，如软土或砂层较厚而周遍民居又近的地方，当采用土钉支护时，又会造成危险。 因此，合理的选择基坑支护型式是很重要的。 基坑支护类型 放坡开挖 在基坑开挖施工过程中，往往可以通过选择并确定安全合理的基坑边 坡坡度，使基坑开挖后的土体在无加固及没有支撑的条件下，依靠土体自身的强度，在新的平衡状态下取得稳定的边坡并维持整个基坑的稳定状况，这类无支护措施下的基坑开挖方法通常称作放坡开挖。 放坡开挖适用于地基土质较好、开挖深度不深、施工现场有足够的放坡空间、地下水位低于基坑地面以及周围环境对基坑开挖工程要求不高的场所。 这种基坑形式在建筑密集的城区、开挖较深或地下水位较高的场地受到较大的限制。 在软土地区有时虽有足够的放坡空间，但存在挖土及回填土方量大，工程费用高的情况，也不宜采用放坡开挖。 一般情况下，放坡开挖所需的工 程费用较低，施工工期短，可以为结构施工提供比较宽敞的作业面，能采用放坡开挖的尽量采用。 放坡开挖基坑的施工，通常需要选择开挖土坡的坡度，验算基坑开挖各阶段的土坡稳定性，确定地面及基坑排水组织，选择土坡坡面的防护方法，以及土方开挖顺序等设计和施工组织工作。 在地下水位较高的地区，尚应进行施工降水设计并结合临近工程环境条件提出相应的控制措施和监测方法。 土钉墙围护结构 土钉墙围护结构 (图 )是由被加固土、放置于原位土体中的细长金属杆件 (土钉 )及附着于坡面的混凝土面板组成，形成一个类似重力式墙的挡土墙， 是近年来发展起来用于土体开挖和边坡稳定的一种新型的挡土结构。 土钉墙是一种边坡稳定式的支护，它起 12 主动嵌固作用，增加边坡的稳定性，使基坑开挖后坡面保持稳定 [9]。 图 土钉墙围护结构 土钉 喷射的混凝土面层 垫板 施工时每挖深 左右，挂细钢筋网，喷射细石混凝土面层厚 50～ 100mm，然后钻孔插入钢筋 (长 10～ 15m 左右，纵、横向的间距均 左右 )，加垫板并灌浆，依次进行直至坑底。 土钉墙主要用于土质较好地区，我国华北和华东北部一带应用 较多，目前我国南方地区亦有应用，有的己用于坑深 l0m 以下的基坑，效果较好。 土钉墙支护技术是一种先进的新型岩土加固技术，它充分利用原状土体自身的承载能力，通过密布土钉及压力注浆，尽可能改善加固区原状土体的力学性能，在边坡原状土体中形成加固区以抵抗开挖造成的侧向土压力：边坡加固施工紧随开挖进行，能迅速封闭开挖面，使得因开挖造成的土层应力释放及时得到控制，从而使边坡土体变形得到有效控制；用土钉将不稳定的土压力引入深层土体中，借助深层土体自身的承载力，提供有效的锚固力来平衡不稳定的土压力，从而形成一种先进的深层主 动支护体系，土钉与土体共同作用，充分发挥土体自身能力，提高边坡土层的整体性、自身强度和自稳定能力，使边坡得以稳定 [10]。 土钉墙优于传统的桩、板支护结构，其特点有：土钉墙支护造价相对较低；施工与开挖同时进行，边开挖边支护，从而大大缩短基坑施工工期；占用施工场地小；施工作业快速灵活，对于出现的局部边坡失稳处理和补强加固方便迅速；支护可靠，提供稳定边坡的能力及时，可以解决桩、板支档结构难以解决的特殊地层边坡的支护问题。 因土钉依靠它与土体接触面上的摩擦力，与其周围土体形成一个有自承能力的挡土墙体系， 13 整体刚度相对 较差，基坑坡顶的水平位移也会较大，故在场地有所限制的条件下，土钉墙的应用受到一定的限制。 土钉墙围护结构具有如下特点： 可以形成土钉墙复合体，合理利用了土体的自承能力，显著提高了边坡整体稳定性和承受坡顶超载的能力。 结构轻型，柔性大，有良好的抗震性和延性，本身的变形很小，对临近建筑的影响不大。 施工设备简单，土钉的制作与成孔不需复杂的技术和大型机具，土钉施工的所有作业对周围环境干扰小。 施工不需要单独占用场地，对于施工场地狭小，放坡困难，有相邻低层建筑或堆放材料，大型护坡施工机械不能进场时， 该技术尤其显示出优越性。 随着基坑开挖逐次分段施工作业，施工效率高，一旦开挖完成，土钉墙也就建好了。 工程造价低，土钉墙工程造价比其他类型的工程造价低二分之一到三分之一左右。 土钉是用低强度钢材制作，与永久锚杆相比，大大减少了防腐的麻烦。 悬臂式围护结构 未加任何内支撑或锚杆，仅靠插入基坑底下一定深度，以取得嵌固和稳定的围护结构称为悬臂式围护结构 (图 )。 悬臂式围护结构依靠足够的入土深度和结构的抗弯能力来维持整体稳定和结构的安全。 悬臂式围护结构所受土压力分布是开挖深度的一次函数 ，其剪力是开挖深度的二次函数，弯矩是开挖深度的三次函数，悬臂式围护结构对开挖深度很敏感，容易产生较大的变形，对相邻的建筑物产生不良影响。 悬臂式围护结构适用于土质较好、开挖深度较浅且周边环境对边坡唯一要求不严格的基坑工程。 基底以下的土质情况要好，有较大的 C 值，特别是在基坑底部及桩端处不是软弱土层。 如是软土区，对整个结构的稳定不利，因为这两处产生的反力较大，是杆件平衡的关键部位。 当基坑底下被动区土质不良时，可考虑采用人工加固的方法，以提高被动区的被动土压力。 悬臂式围护结构的优点是：结构简单、施工方便，有利于 基坑采用大型机械开挖；其缺点是相同开挖深度位移大、内力大，支护结构需要更大的截面和插入深度来满足刚度和稳定性的要求。 一般来说，一切没有支撑和锚固的围护结构均可归为悬臂式围护结 14 图 悬臂式支护（排桩） 构。 这里仅指没有支撑和锚固的板桩式结构、排桩式结构和地下连续墙结构。 其中，板桩式结构按材料分，大致可分为钢板桩、钢筋混凝土或劲性混凝土桩、木板桩、组合型板桩等；排桩事结构常用的桩型有：钢管桩、钢筋混凝土预制桩、沉管灌注桩、钻 (冲 )孔灌注桩、压浆桩和人工挖孔桩等。 锚拉式围护结构 锚拉式围护结 构 (图 2． 2)是由挡土结构与外拉系统组成，其挡土结构与悬臂式或内撑式围护结构的挡土结构相同。 锚拉式围护结构依其外拉系统设置方式及位置的不同分成两类：外拉系统的坑外地标设置的，称为地面式锚拉围护结构；外拉系统在坑内沿坑壁设置的，称为锚杆围护结构 [11]。 15 图 2． 2锚拉式围护结构 (钢板桩支护 ) 钢板桩 围檩 锚拉杆 锚拉式围护结构与内撑式围护结构相比，具有开挖工作面开阔、工期较短，工程结束后不必拆除 (因此也不会有回弹变形 )等优点。 锚拉式围护结构在同等结构尺寸条件下，因其挡土结构与外拉系统共同作用，并同时调动了地层的自稳能力，其整体刚度大，在适用中位移小。 拉锚式围护结构适用于较密实的砂土、粉土、硬塑至坚硬的粘性土地层或岩层中。 锚拉式围护结构近几年有了迅速的发展，随着扩孔技术和注浆技术以及优化设计的推广，它的应用范围也不断扩大。 但是，拉锚式围护结构也有一定的局限性：当地质条件太差，存在软弱土层是要慎重使用；当在锚杆范围内存在深基础、管沟等障碍物或因锚杆出红线可能引起周邻纠纷时，其使用也受到限制。 内撑式围护结构 内撑式围护结构由围护体系 (图 )和内撑体系 (图 )两部分组成，内撑体系可有效改善竖向围护结构的受力状态，并能有效地控制边坡位移。 围护结构体系常用钢筋混凝土排桩和地下连续墙形式，内支撑常采用钢筋混凝土支撑或钢管或型钢支撑，钢筋混凝土支撑体系的优点是刚度好、变形小，而钢管支撑的优点是钢管可以回收利用且加预应力方便。 根据基坑开挖深度，内支撑可以根据实际情况设置为单层或者多层。 内撑式围护结构的优点是：施工质量比较容易控制，成品的质量稳定性较高，能有效控制边坡位移，是一种安全可靠的深基坑支护方式；受力形式合理，能充分发挥材料在性质上的优点，达到经济的目的 ：与锚拉式结构相比，内撑式围护结构对地质条件适应性更广，尤其适合于在软土地基中采用。 内撑式围护结构的缺点是：形成内支撑并令其具备必要的强度，需要占用一定的工期，基坑工程工期较长，内支撑的存在对大规模的机械化开挖不利；内支撑影响地下结 16 构的施工，需要逐步拆除。 从地质条件上来看，内撑式围护结构形式可以适用于各种地质条件下的基坑工程，而最能发挥其优越性的是软弱地基中的基坑工程；从开挖深度来看，这种围护形式不受基坑深度的限制，尤其适合于安全等级要求较高的深基坑工程；从基坑平面尺寸来看，这种围护结构形式适用于平面尺 寸不太大的基坑，过大的基坑必然导致内支撑的长度和断面太大，以至于可能出现经济上的不合理；从围护的平面布置来看，内撑式一般适用于周圈围护或对边围护，这样才能在支撑杆件中形成对称的轴力。 图 2． 3 内支撑式围护结构 (钢板桩支护 ) l、钢板桩 围檩 角撑 立柱与支撑 支撑 图 2． 4内支撑式围护结构 (型钢横挡板支护 ) l、横挡板 围檩 角撑 型钢 立柱 支撑 横向支撑 17 水泥土重力式围护结构 水泥土重力式围护结构 (图 )是利用水泥系材料作为固化剂，通过特殊的拌和机械(深层搅拌机或高压旋喷机等 )在地基中就地将原状土和固化剂 (粉体、浆液 )强制拌和，经过土和固化剂或掺合料产生一系列物理化学反映，形成具有一定强度、整体性和水稳性的加固土圆柱体。 施工时将圆柱体相互搭接，连续成桩，形成具有一定强度和整体结构性的水泥土壁墙或格栅状墙，用以维持基坑边坡土体的稳定，保证地下室或地下工程的施工及周边环境的安全。 水泥土重力式围护结构的特点： 最大限度的利用了原地基土；搅拌时无侧向挤出。 无振动、无噪音、无污染，可在密集建筑群中进行施工， 对周围建筑物及地下管道影响很小；根据围护结构的需要，可灵活的采用柱状、壁状、格栅状和块状等结构形式；与钢筋混凝土桩相比，可节省钢材并降低造价；不需要内支撑，便于地下室施工；可同时起到止水的挡墙的双重作用。 水泥土重力式围护结构的适用范围：水泥土桩除适用于加固淤泥、淤泥质土和含水量高的粘土、粉质粘土、粉土外，对砂土及砂质粘土等较硬质的土质的适应性也已逐渐被挖掘出来，但水泥土抗拉强度低，水泥土重力式围护结构适用于较浅的基坑工程，其变形也较大，对泥炭土和有机质土应慎重对待。 水泥土重力式围护结构一般支护深度不大于 6m，基坑侧壁安全等级宜为二、三级。 图 水泥土围护墙 (a)砂石及碎石土 (b)粉土及粘性土 18 基坑支护选型原则 基坑支护型式的合理选择，是基坑支护设计的首要工作，应根据地质条件、环境的要求及不同支护型式的特点、造价等综合确定。 一般当地质条件较好的，周边环境要求较宽松时，可采用柔性支护，如土钉墙当周边环境要求高时，应采用较刚性的支护型式，以控制水平位移，如排桩或地续墙等。 同样，对于支撑的型式，当周边环境要求较高，地质条件较差时，采用易造成周边土体的扰动并影响周边环境的安全，可采用 内支撑型式较好；当地质特别差，基坑深度较深，周边环境要求高时，可采用地下连续墙加逆作法这种最支护型式。 基坑支护最重要的要保证周边环境的安全 [12]。 支护结构方案选择依据 基坑支护结构方案的选择主要依据以下几个方面： 基坑开挖的深度、基坑的面积及形状； 地下室的层数及结构状况，如地下室层高、底板及中楼板的厚度、地下板的厚度、内墙分布状况等； 地下室所在场地的工程地质与水文地质条件，主要是土层分布、各土层水量、重度、抗剪强度、 C、 φ 值渗透系数、压缩模量、基床系数及地下水位 等； 基坑 周围环境，包括临近建筑物、地下管线、其他恒荷载及活荷载； 挖土及降水方法及总的施工流向； 施工工期及工程造价。 基坑支护结构方案选择 支护结构可根据基坑周边环境、开挖深度、工程地质与水文地质、施工设备和施工季节等条件，按下表选用排桩、地下连续墙、水泥土墙、逆作拱墙、墙、原状土放坡。 支护结构选型应考虑结构的空间效应和受力特点，采用有利支护结构材力性状的形式。 软土场地可采用深层搅拌、注浆、间隔或全部加固等方法对局部或整个底土进行加固，或采用降水措施提高基坑内侧被动抗力 [13]。 19 表 支护结构选型表 结构形式 适用条件 排桩或地下连续墙 适用于基坑侧壁安全。