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深基坑设计之支护方法要点分析

271 2020-10-16 09:49:52

内容提要

深基坑设计交流——支护方法介绍

1. 施工方法介绍及资料准备

(1)施工方法介绍

1)明挖顺作法

2)盖挖顺作法

3)盖挖逆作法


(2)基坑设计所需资料

1)地勘报告

2)稳定的建筑设计平剖面图

3)周边建筑物基础资料

4)周边管线资料

5)交通疏解情况


2. 支护结构形式介绍

(1)土钉墙

(2)水泥土重力式挡土墙

(3)地下连续墙

(4)钻孔灌注桩

(5)型钢水泥土搅拌桩

(6)钢板桩


正文内容


1.

施工方法介绍及资料准备


(1)施工方法介绍


1)明挖顺作法


明挖就是先挖土方,边挖边撑,挖到底从下往上边拆除支撑边依次做底板、墙体、中板、墙体和顶板。


该方法是基坑工程的传统开挖施工方法,施工工艺成熟,支护结构体系与主体结构相对独立,对施工单位的管理和技术水平的要求相对较低,施工单位的选择面较广。


常用的明挖顺做法包括放坡开挖、直立式围护体系和板式支护体系三大类;其中直立式围护体系又可分为水泥土重力式围护、土钉支护和悬臂板式支护;板式支护又包括围护墙结合内支撑系统和围护墙结合锚杆系统两种形式。

明挖顺作法


2)盖挖顺作法


盖挖顺作法是指在车站顶部施做临时铺盖,在铺盖上方进行交通导改,然后在铺盖下方进行基坑开挖、架设支撑、依次施做车站底板中板。


优点:

1)对于场地狭小、交通导改困难的区域可实现对交通的疏通,也可为施工提供场地。

2)由于主体结构施工与明挖顺做法基本相同,可以很好地控制施工质量。


不足:

1)施工条件差,盖挖条件下架设支撑较为困难,且风险较大。

2)与逆作法相比,支撑的刚度较小,基坑对周边环境的影响较大。


适用条件:

交通导改困难,施工场地紧张。

盖挖顺作法


3)盖挖逆作法


盖挖逆作法每开挖一定深度的土体后,即支设模板浇筑永久的结构梁板,用以代替常规顺作法的临时支撑,以平衡作用在围护墙上的土压力。当开挖结束时,车站即已施工完成。这种车站的施工方式是自上而下浇筑。


由于逆作法的梁板重量较常规顺作法的临时支撑要大得多,因此必须考虑立柱和立柱桩的承载能力问题。


优点: 

1)车站板刚度高于常规顺作法的临时支撑,基坑开挖的安全度得到提高,对基坑周边环境的影响较小。 

2)顶板施工完成后,可以作为施工作业空间,可以解决施工场地狭小的问题。 

3)可以节省常规顺作法中大量临时支撑的设置和拆除,经济性好,且有利于降低能耗、节约资源


不足:

1)技术复杂,接头施工复杂。 

2)对施工技术要求高,立柱之间及立柱与连续墙之间的差异沉降控制要求高。 

3)作业环境差,结构施工质量易受影响。

4)盖挖逆作法设计与主体结构设计的关联度大,受主体结构设计进度的制约。 


适用条件: 

1)基坑周边环境条件复杂,且对变形敏感,采用逆作法有利于控制基坑的变形。 

2)交通导改困难,施工场地紧张,利用逆作的顶板作为交通导改场地或施工平台。 

盖挖逆作法

盖挖逆作法


(2)基坑设计所需资料


1)地勘报告,核实钻孔间距是否满足规范要求,参数是否满足设计需要,选择合适的围护结构形式和支护方案;

2)稳定的建筑设计平剖面图,确定基坑的平面位置及深度;

3)周边建筑物基础资料,正确选取超载值和制定合适的建筑物保护方案;

4)周边管线资料,制定管线迁改方案或者保护方案;

5)交通疏解情况,选择合适工法(明挖、盖挖或者半盖挖)。


2.

支护结构形式介绍


(1)土钉墙


土钉墙是用于土体开挖时保持基坑侧壁或边坡稳定的一种挡土结构,主要由密布于原位土体中的细长杆件-土钉、粘附于土体表面的钢筋混凝土面层及土钉之间的被加固土体组成,是具有自稳能力的原位挡土墙。

土钉墙的基本形式

土钉墙的基本形式

特点:

1)施工设备及工艺简单,对基坑形状适应性强,经济性较好;

2)坑内无支撑体系,可实现敞开式开挖;

3)柔性大,有良好的抗震性和延性,破坏前有变形发展过程;

4)密封性好,完全将土坡表面覆盖,阻止或限制了地下水从边坡表面渗出,防止了水土流失及雨水、地下水对坑壁的侵蚀;

5)土钉墙靠群体作用保持坑壁稳定,当某条土钉失效时,周边土钉会分担其荷载;

6)施工所需场地小,移动灵活,支护结构基本不单独占用场地内的空间;

7)由于孔径小,与桩等施工工艺相比,穿透卵石、漂石及填石层的能力更强;

8)边开挖边支护便于信息化施工,能够根据现场监测数据及开挖暴露的地质条件及时调整土钉参数;

9)需占用坑外地下空间;

10)土钉施工与土方开挖交叉进行,对现场施工组织要求较高。

 

适用条件:

1)开挖深度小于12m(淤泥质土小于6m)、周边环境保护要求不高的基坑工程;

2)地下水位以上或经人工降水后的人工填土、黏性土和弱胶结砂土的基坑支护;

3)不适用于以下土层:

A.含水丰富的粉细砂、中细砂及含水丰富且较为松散的中粗砂、砾砂及卵石层等;

B.黏聚力很小、过于干燥的砂层及相对密度较小的均匀度较好的砂层;

C.有深厚新近填土、淤泥质土、淤泥等软弱土层的地层及膨胀土地层;

D.周边环境敏感,对基坑变形要求较为严格的工程,以及不允许支护结构超越红线或邻近地下建构筑物,在可实施范围内土钉长度无法满足要求的工程。



(2)水泥土重力式围护墙


水泥土重力式围护墙是以水泥系材料为固化剂,通过搅拌机械采用喷浆施工将固化剂和地基土强行搅拌,形成具有一定厚度的连续搭接的水泥土柱状加固体挡墙。

水泥土重力式围护墙

双轴搅拌桩常见平面布置形式

三轴搅拌桩常见平面布置形式

高压旋喷桩常见平面布置形式

特点:

1)可结合重力式挡墙的水泥土桩形成封闭隔水帷幕,止水性能可靠;

2)使用后遗留的地下障碍物相对比较容易处理;

3)围护结构占用空间较大;

4)围护结构位移控制能力较弱,变形较大。

5)当墙体厚度较大时,采用水泥土搅拌桩或高压喷射注浆对周边环境影响较大。

 

适用条件:

1)适用于软土地层中开挖深度不超过7.0m、周边环境保护要求不高的基坑工程。

2)周边环境有保护要求时,采用水泥土重力式挡墙围护的基坑不宜超过5.0m;

3)对基坑周边距离1~2倍开挖深度范围内存在对沉降和变形敏感的建构筑物时,应慎重选用。

 

水泥土重力式围护墙坑底以下的插入深度D一般可取开挖深度h0的0.8~1.4倍,挡墙的宽度为0.7~0.8倍基坑开挖深度,断面布置有等断面布置、台阶形布置等,常见的布置形式为台阶形布置。

台阶形布置形式


(3)地下连续墙


地下连续墙的槽段形式主要有壁板式、T型、П形、Z形等,并可通过将各种形式槽段组合,形成格形、圆筒形等结构形式。

地下连续墙的槽段形式

地下连续墙的槽段形式


特点:

1)施工具有低噪音、低震动等优点,工程施工对环境的影响小;

2)刚度大、整体性好,基坑开挖过程中安全性高,支护结构变形较小;

3)墙身具有良好的抗渗能力,坑内降水时对坑外的影响较小;

4)可作为车站结构的外墙,可配合逆作法施工,降低工程造价。

5)受到条件限制墙厚无法增加的情况下,可采用加肋的方式形成T型槽段或Π型槽段增加墙体的抗弯刚度。

6)存在弃土和废泥浆处理、粉砂地层易引起槽壁坍塌及渗漏等问题,需采取相关的措施来保证连续墙施工的质量(槽壁加固)。

7)由于地下连续墙水下浇筑、槽段之间存在接缝的施工工艺特点,地墙墙身以及接缝位置存在防水的薄弱环节,易产生渗漏水现象。

8)由于两墙合一地下连续墙作为永久使用阶段的地下室外墙,需结合主体结构设计,在地下连续墙内为主体结构留设预埋件。

 

适用条件:

1)深度较大的基坑工程,一般开挖深度大于10m才有较好的经济性;

2)邻近存在保护要求较高的建、构筑物,对基坑本身的变形和防水要求较高的工程;

3)基地内空间有限,地下室外墙与红线距离极近,采用其它围护形式无法满足留设施工操作空间要求的工程;

4)围护结构亦作为主体结构的一部分,且对防水、抗渗有较严格要求的工程;

5)采用逆作法施工,地上和地下同步施工时,一般采用地下连续墙作为围护墙;

6)在超深基坑中,例如30m~50m的深基坑工程,采用其它围护体无法满足要求时,常采用地下连续墙作为围护体。


工程中连续墙常用的接头主要锁口管和工字钢接口:

地下连续墙施工程序示意:

地下连续墙施工程序示意

(以液压抓斗式成槽机为例)

液压抓斗

铣槽机

铣轮刀

铣轮刀

某工程连续墙钢筋笼吊装

海珠广场站地下连续墙

海珠广场站地下连续墙

三号线厦滘站地下连续墙

三号线厦滘站地下连续墙


(4)钻孔灌注桩


特点:

1)施工工艺简单、工艺成熟、质量易控制、造价经济。

2)噪声小、无振动,施工时对周边环境影响小。

3)可根据基坑变形控制要求灵活调整围护桩刚度。

4)在基坑开挖阶段仅用作临时围护体,在主体结构结构平面位置、埋置深度确定后即有条件设计、实施。

5)在有隔水要求的工程中需另行设置隔水帷幕。

 

适用条件:

1)软土地层中一般适用于开挖深度不大于20m的深基坑工程。

2)地层适用性广,对于从软粘土到粉砂性土、卵砾石、岩层中的基坑均适用。

钻孔灌注桩平面布置形式


常见的止水帷幕是采用水泥搅拌桩(单轴、双轴或多轴)相互搭接、咬合形成一排或多排连续的水泥土搅拌桩墙,由于搅拌均匀的水泥土渗透系数很小,可作为基坑施工期间的止水帷幕。目前国内深层搅拌桩成桩深度一般不超过15~18m,止水帷幕质量是保证基坑安全的重要措施。

排桩围护体的止水措施

排桩围护体的止水措施

某钻孔桩支护基坑

某钻孔桩支护基坑

钻孔桩钢筋笼吊装

冠梁施工前破除桩头

冠梁施工前破除桩头

某基坑桩撑支护基坑侧壁漏水

某闲置基坑基雨季

某闲置基坑基雨季

某基坑桩间漏泥

某基坑桩间漏泥


(5)型钢水泥土搅拌桩


型钢水泥土搅拌桩是一种在连续套接的三轴水泥土搅拌桩内插入型钢形成的复合挡土隔水结构,通常称为SMW工法。

 

特点:

1)受力结构与隔水帷幕合一,围护体占用空间小。

2)围护体施工对周围环境影响小。

3)采用套接一孔施工,实现了相邻桩体完全无缝衔接,墙体防渗性能好。

4)三轴水泥土搅拌桩施工过程无需回收处理泥浆,且基坑施工完毕后型钢可回收,环保节能。

5)适用土层范围较广,还可以用于较硬质地层。

6)工艺简单、成桩速度快,围护体施工工期短。

7)在主体结构施工完毕后型钢可拔除,实现型钢的重复利用,经济性较好。

8)仅在基坑开挖阶段用作临时围护体,在主体结构平面位置、埋置深度确定后即有条件设计、实施。

9)由于型钢拔除后在搅拌桩中留下的孔隙需采取注浆等措施进行回填,特别是邻近变形敏感的建构筑物时,对回填质量要求较高。

 

适用条件:

1)从黏性土到砂性土,从软弱的淤泥和淤泥质土到较硬、较密实的砂性土,甚至在含有砂卵石的地层中经过适当的处理都能够进行施工。

2)软土地区一般用于开挖深度不大于13.0m的基坑工程。

3)适用于施工场地狭小,或距离用地红线、建筑物等较近时,采用排桩结合隔水帷幕体系无法满足空间要求的基坑工程。

4)型钢水泥土搅拌墙的刚度相对较小,变形较大,在对周边环境保护要求较高的工程中,例如基坑紧邻运营中的地铁隧道、历史保护建筑、重要地下管线时,应慎重选用。

5)当基坑周边环境对地下水位变化较为敏感,搅拌桩桩身范围内大部分为砂(粉)性土等透水性较强的土层时,应慎重选用。

型钢混凝土搅拌桩平面布置形式

型钢与钢腰梁及支撑连接示意图

型钢与混凝土腰梁连接示意图

SMW工法桩施工

型钢拔除专用顶升支座

型钢拔出液压顶升支座

型钢拔除液压顶升支座


(6)钢板桩


钢板桩是一种带锁口或钳口的热轧(或冷弯)型钢,钢板桩打入后靠锁口或钳口相互连接咬合,形成连续的钢板桩围护墙,用来挡土和挡水。

 

特点:

1)轻型、施工快捷。

2)基坑施工结束后钢板桩可拔除,循环利用,经济性较好。

3)在防水要求不高的工程中,可采用自身防水。在防水要求高的工程中,可另行设置隔水帷幕。

4)钢板桩抗侧刚度相对较小,变形较大。

5)钢板桩打入和拔除对土体扰动较大。钢板桩拔除后需对土体中留下的孔隙进行回填处理。

 

适用条件:

1)由于其刚度小,变形较大,一般适用于开挖深度不大于7m,周边环境保护要求不高的基坑工程。

2)由于钢板桩打入和拔除对周边环境影响较大,邻近对变形敏感建构筑物的基坑工程不宜采用。

常用钢板桩截面形式 

钢板桩

钢板桩基坑支护

钢板桩围堰支护