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源自 | 豆丁施工
一、基坑工程技术的发展历程
第一阶段：上一世纪80年代末到90年代末，研究、探索阶段。
第二阶段：新世纪初的十多年，发展阶段。
1、两个阶段的标志
1）第一阶段：2000年前后基坑工程的国家行业标准和地方标准的颁布。
2）第二阶段：2009年《建筑基坑工程监测技术规范》GB50497）的颁布、一批相关的规范全面修订。
2、基坑工程设计理念的改变
1）早期：设计往往以满足地下工程施工为主。或以经验为主；或以理论为主。
2）现今：满足环境保护已成为设计施工的基本出发点。理论和经验相结合。
3、基坑设计方法
1）极限平衡法:卜鲁姆法、盾恩法、相当梁法等 ；
2）弹性支点法:解决变形分析问题；
3）有限元法:平面、空间；土体与结构共同作用；考虑土的弹塑性等
4、对基坑稳定性的认识
基坑事故主要是岩土类型的破坏形式。整体滑动稳定性、抗隆起稳定性等在软土中尤其重视。
二、基坑工程的新型支护结构
常用的基坑支护结构
1）土体加固类:放坡、土钉墙、重力式水泥土墙等。
2）支挡、拉锚式围护墙：排桩、地下连续墙。
3）支锚体系：拉锚式，内支撑。
围护墙
支锚体系：拉锚和锚杆
1、复合土钉墙
1）土钉支护结构的优点:施工方便、设备简单、经济效益显著等。
2）土钉支护结构的主要问题:适用有一定限制，仅适用于非软土场地。
土钉支护结构的主要问题
1）软土地区：稳定性
2）复合土钉墙：采用水泥土搅拌桩、预应力锚杆、微型桩等的一类或几类结构与土钉墙复合而成的支护结构。
3）软土地区的应用：以水泥土搅拌桩、微型桩等“超前支护”，
4）解决：隔水性；土体的自立性（加大自立高度和持续时间、提高稳定性）。
5）非软土地区的应用：通过微型桩、预应力锚杆等对限制土体的位移。预应力锚杆复合土钉墙，加大预应力可使位移减少40%~50%。使其适应的基坑开挖深度有所增加。复合土钉墙使开挖深度有所增加（12~15m）。
6）复合土钉墙结构设计中应注意的问题：可计入复合体的共同作用，但复合体的作用不可过高估计。
7）原位土层、土钉对结构稳定性的贡献：应占有主要的份额。
2、双排桩结构
双排桩结构：由前、后两排支护桩和梁连接成的刚架及冠梁组成的支挡式结构。
双排桩结构的特点
1）结构：有较大的侧向刚度，无需支撑或拉锚
2）施工：适应性广、工艺简单、与土方开挖无交叉作业、施工工期短等。
双排桩的设计
嵌固稳定性验算：以结构前后排桩与桩间土的整体分析，但嵌固段被动土的抗力作用在总抵抗力矩中占主要部分。
刚架结构受力分析
1）前、后排桩的受力前排受压；后排受拉，并引起前、后排桩竖向位移和桩身弯矩。
2）前、后排桩之间土体：考虑其的反力与变形关系（桩间土看作水平向单向压缩体，按压缩模量确定刚度系数）
考虑开挖后应力释放引起的初始压力（按桩间土自重占滑动体自重的比值确定）
3）桩顶梁
3、型钢水泥土搅拌墙
1）型钢水泥土搅拌墙：由水泥土墙和内插的型钢组成的复合支护结构。
2）特点：支护性能好、造价低、环保（型钢可回收）等。我国于2010年颁布了《型钢水泥土搅拌墙技术规程》JGJ/T199 ，标志了该技术已较为成熟。
型钢和水泥土作用
1）型钢：作为挡土结构。
2）水泥土：作为截水帷幕。
型钢水泥土搅拌墙的工作特性
1）墙体变位较小时：水泥土对提高墙体的刚度有相当贡献。
2）墙体的抗弯承载力验算：不应考虑水泥土的作用。
3）型钢间水泥土的受剪：包括型钢间水泥土的错动受剪和最弱截面处的局部受剪。
4）型钢水泥土搅拌墙的桩身强度是目前工程中矛盾比较集中的问题。
5）设计要求：一般强度为1.0MPa左右，甚至更高。
6）实际情况：往往难以达到设计要求。
7）取芯检测：28d强度值一般在0.4MPa左右。
如何确定水泥土搅拌墙的桩身强度？
1）工程实际：鲜有因强度较低而造成破坏的事例；
2）理论分析：要求水泥土28d抗压强度为0.5MPa左右；
3）规范建议：采用不小于0.5MPa较为适宜。
三、深基坑工程施工新设备和新工艺
施工中新设备和新工艺：地下连续墙、混凝土咬合桩排桩、超深多轴水泥土搅拌桩（SMW工法）、水泥土搅拌连续墙（TRD工法）、超大型环形支撑体系、十字钢支撑双向复加预应力技术、混凝土支撑的绳（链）锯切割法、锚杆的回收 技术等。
1、地下连续墙成槽机械和工艺
常用的成槽机械
铣削式成槽机——最大成槽深度可达150m，墙体厚度可达2.5m。
槽壁稳定
粉土、粉砂土等易坍塌土层的技术措施：① “夹心”地下连续墙（水泥土搅拌桩保护槽壁）；② 改良泥浆性能。
2、灌注桩施工新技术
旋挖钻孔灌注桩
1）旋挖成孔：通过桶状斗式钻头回转切削土体。
2）装土外运：直接将土装入钻斗，提升卸土。
3）泥浆护壁：易坍塌土层——采用静态泥浆护壁泥浆排量仅传统工艺的1/4~1/5）。
4）不易坍塌土层：可采用干式或清水钻进工艺（无需泥浆护壁）。
钻孔咬合灌注桩
由间隔布置的混凝土素桩和配筋桩相互咬合，形成的 “桩墙”。
1）咬合方法：旋挖钻机成孔、冲抓钻成孔、全套管成孔等。
2）性能：与间隔式灌注桩排桩相比：截水性能良好、不需附加的截水帷幕。与地下连续墙相比：功能基本相同，但施工简便、造价低廉。
素桩和配筋桩
1）素桩的混凝土：（超缓凝）初凝时间不小于40~70h；3d强度不大于3MPa；8d强度不小于C15。
2）配筋灌注桩：素桩混凝土初凝阶段施工，咬合素桩。
全套管成孔
1）适用：除用于咬合桩外，还可用于：淤泥、流砂、地下水富集等。
2）不良地层；城市建筑物密集或有地下障碍的地区。
3、型钢水泥土搅拌墙施工工艺
多轴柱列式水泥土搅拌墙：SMW工法（Soil Mixing Wall）
1）搅拌桩施工机械：三轴（四轴或五轴）搅拌桩机械；桩径650~1000mm，最大深度可达60m。
2）型钢拔出机械：液压式拔桩机
3）关于水泥土水灰比的讨论：我国规范建议水泥掺量高达20%左右；水灰比为1.5~2.0，砂砾土中为1.2~2.0。
高水灰比的不必要性：对水泥土强度并无益处；大量原土被置换，施工中难以实现（实际施工中往往出现涌土时便停止注浆）；置换排出的土为水泥含量较高的废土，造成污染。
基于水泥土强度0.5MPa可满足要求的前提
1）建议：水泥掺量取15%~18%；水灰比取0.8~1.0。改用震动插入型钢的方法。
2）日本有关资料：水泥掺量15%左右，水灰比0.8~1.0之间。型钢插入
型钢插入时间
1）规范规定：水泥土搅拌后30min内插入；
2）工程经验；水泥土搅拌后1~2h内插入，并无影响。
3）振动插入对型钢与水泥土的粘结力的影响：在搅拌桩施工后1~2h内（水泥初凝前），振动插入型钢不会影响粘结力。
水泥土搅拌连续墙
日本称TRD工法（Trench Cutting Re-mixing Deep Wall）
特点：与多轴柱列式水泥土搅拌墙相比：成墙连续；表面平整；深度大。
搅拌连续墙施工机械
1）成墙：采用链锯式搅拌刀具。
2）成墙深：刀具用销栓连接，深度可达数十米。
3）高度小：整体高低仅10m左右。
4）施工工艺：主机所带的链锯式搅拌刀具沉入地基土中并沿刀架移动，作往复运动，并在深度方向灌入水泥浆液，与土体搅拌、混合成墙。
四、逆作法和利用“时空效应”的开挖技术
1、地下结构的逆作法建造
1）逆作法：地下工程由上向下施工的方法。
2）特别适用：超深地下结构、环境保护要求高。
3）优点：①以主体结构作为“支撑”，刚度大，基坑变形较小；②无需支撑，大大节约资源、降低能耗；③可实现上、下结构同步施工，不同程度缩短工期；④地下结构顶板较早形成，施工现场布置方便。
逆作的几种方法
1)上下结构是否同步施工
2）平面区域是否全部逆作施工
3）顶板以下结构是否采用逆作
4）围护结构是否兼作主体结构外墙
逆作法的土方开挖
2、软土地区利用“时空效应”的开挖技术
1）软土地区土的特点：含水率高、强度低，在开挖时有很大的流变性。开挖易引起基坑过大变形，甚至危及周边环境。
2）基坑工程的“时空效应”：基坑支护结构的变形和周边地层的变形：随时间推移而发展；因开挖的空间尺度、坑底暴露面积而不同。这在软土地基的条件下尤为突出。
3）利用“时空效应”的开挖技术：“分层、分块、对称、平衡、限时”。
超大深基坑中，分块开挖是最基本的措施。
1）分块开挖典型方式之一 ：超长线性基坑
采用分段分层开挖方法，及时设置支撑、施工垫层。在前区段的基础底板完成后进行后续区段的开挖。形成线性的流水作业。
2）分块开挖典型方式之二：无内支撑的大面积基坑
利用后浇带进行分块施工，在前一区块基础底板施工完成后进行后一区块的土方开挖。各块之间可采用跳仓施工法以加快进度。
3）分块开挖典型方式之三：大面积采用内支撑的深基坑
采用分层盆式开挖或分层岛式开挖的方式。
分层盆式开挖示例
分层盆式开挖示例——竖向分层盆式开挖
分层盆式开挖示例——平面分块开挖
五、深基坑优秀案例分享
案例1：北京财源国际中心基坑支护工程
北京财源国际中心位于朝阳区东长安街延长线，原北京第一机床厂院内。基坑北侧距居民楼最近距离为3.36m，西侧距丽晶苑（24）层为6.9m。工程占地面积9444.8m²，总建筑面积23.96万m²。该工程基坑开挖长279m，宽47-67m，开挖深度为24.86-26.56m。
基坑北侧：砖砌挡墙+灌注桩+5层锚杆支护体系。
西侧、南侧：连续墙+5层锚杆支护体系。
基坑的东侧、南侧东段：采用土钉墙+灌注桩＋锚杆支护体系。
连续墙厚度600-800mm，深度20.24-34.1m；管棚采用φ108钢花管，水平间距1.5m，竖向间距1.5m；护坡桩采用φ800钢筋混凝土灌注桩，桩间距均为1.4m；锚杆长度21-30m。
降水方式：采用大口管、渗井抽渗结合的闭合降水方案。
西侧支护形式：连续墙+锚杆桩
北面支护形式：挡土墙+灌注桩+锚杆桩
案例2：北京银泰中心基坑支护工程
银泰中心位于北京建国门外大街国贸桥西南角原第一机床厂院内。北侧紧邻地铁变电站，基坑围护与其结构外墙净距仅1.95m～2.13m。该工程由三栋塔楼及裙房组成，总建筑面积35.75万m² 。基坑开挖长219.4ｍ，宽100.4ｍ，最深部位22.95m。
基坑围护形式：采用10m土钉墙＋灌注桩＋2层锚杆。灌注桩为φ800mm，桩间距为1.5m，桩深15.6-19.5m，共计407根。锚杆为φ150预应力锚杆，第一道长度为15-18m，第二道长度为16-23m，间距为1.5m，共779根。
北侧支护形式：土钉墙＋灌注桩＋锚杆桩
案例3：央视TVCC基坑支护、降水、土方及基础桩工程
CCTV新台址建设工程位于北京市朝阳区东三环中路32号，地处东三环路东侧、光华路以北、朝阳路以南，地处北京市中央商务区（CBD）规划范围内。该工程建筑用地面积总计17800m²，总建筑面积56.6万m²，高度234m。基坑开挖深度12-22m。
支护形式：采取土钉墙、土钉墙+灌注桩、土钉墙+灌注桩+1（2、3）锚杆等综合支护形式，土钉直径φ120mm，水平间距1.5m，竖向间距1.5m，灌注桩采用φ800、φ600钢筋混凝土灌注桩，桩长4.6m-19.7m，嵌固深度2.5m-4.0m，桩间距1.2-1.6m，灌注桩数量280余根。锚杆长度13-29m，间距1.6m。
降水方式：采用抽取和疏干基坑范围内层间潜水，降低承压水。
支护形式：采取挡土墙、土钉墙、灌注桩、锚杆桩等综合支护形式
案例4：国家大剧院基坑支护工程
国家大剧院位于人民大会堂西侧，建筑面积149500平方米。该工程基坑属超深、超大基坑工程，基础平均埋深26米，局部埋深32.6米。
基坑支护形式：采用灌注桩、地下连续墙和隔水帷幕等多种支护形式联合并用，其中连续墙周长610米，厚度800mm；采用了“两钻一抓”施工工艺，解决了深厚卵石地层条件下地下连续墙的垂直度控制和成槽速度的施工难题；解决了深大基坑富含高承压水砂卵石地层锚索成孔与注浆难题。
基坑降水：采用疏干、抽渗、隔离、减压等多种降、排水并用的地下水控制方法。
支护形式：挡土墙、灌注桩、地下连续墙和隔水帷幕
案例5：中国国家博物馆改扩建基坑支护工程
本工程位于天安门东侧，长安街南侧，国家公安部西侧，为天安门地区标志性建筑，在中国革命博物馆和中国历史博物馆原址上进行改建。本工程东侧结构紧邻建筑红线，新馆建筑镶嵌于老馆之中，且南北两侧局部紧靠老馆基础，基坑周边存在各种地下管线，基坑开挖深度14.65m。
支护形式：采用挡土墙＋灌注桩＋1（2、3）道锚杆，南、北汽车坡道处局部采用土钉墙支护形式。挡土墙高度2m，护坡桩直径800mm，间距1600mm，桩长19.45m，共5148根。第一道锚杆长25m，第二道锚杆长22m。第三道锚杆18m，锚杆间距1.6m，一桩一锚。
降水方式：采用坑内设渗水井，抽排结合。
支护形式：采用挡土墙＋灌注桩＋锚杆桩
案例6：世纪财富中心基坑支护工程
世纪财富中心基坑支护工程位于大北窑国贸北，嘉里中心与汉威大厦之间。基坑长160米，宽140米，基坑深20.6米。
支护形式：土钉墙+灌注桩+锚杆桩支护形式。
支护形式：采用土钉墙+灌注桩+锚杆桩
支护形式：采用土钉墙+护坡桩+锚杆桩
案例7：太原万达基坑支护工程
太原万达广场B1区位于太原市新建北路以东，焊西门街以北，东侧紧邻龙潭湖。该工程基坑开挖深度11.2m。
支护形式：主要采用钢筋混凝土灌注桩+两层锚杆的支护形式，四角部位采用钢筋砼灌注桩+内支撑+一层锚杆的支护形式，混凝土灌注桩桩径800mm，桩长18.5m（一期施工桩长19.2m），桩间距1.3m，共计484根。第一道锚杆间距1.3m，长度18m；第二道锚杆间距2.6m，长度22.5m，共计678根。基坑内降水采用管井降水，基坑西侧设置回灌井。帷幕桩均采用三层水泥深层搅拌桩，φ500@350mm，有效桩长为18m，止水帷幕桩共计约5500根。
支护形式：灌注桩+内支撑+锚杆桩
案例8：轨道交通亦庄线肖村桥车站支护工程
肖村桥站位于宋家庄站与小红门站之间，南四环与成寿寺路交叉口的北侧，城外诚家具城广场上，地下多种管线交错复杂。基坑开挖深度16.7m，基坑长192.4，宽19.7，总建筑面积10200平方米。
支护形式：为挡土墙+钻孔灌注桩+3道锚杆，为一桩一锚，东端大里程处及盾构井段围护结构形式为钻孔灌注桩+3道钢支撑（斜撑）。挡土墙高2.3m，护坡桩直径800mm，间距1.3m，桩长19.661m，嵌固长度为5m，护坡桩共计342根。锚杆为一桩一锚，长度为27-30m。
降水方式：采用大口径管井降水。
支护形式：挡土墙+钻孔灌注桩+锚杆桩
支护形式：挡土墙+钻孔灌注桩+锚杆桩
支护形式：挡土墙+钻孔灌注桩+锚杆桩
案例9：杭州地铁1号线滨康路车站基坑支护工程
杭州地铁1号线工程滨康路站位于滨安路、滨康路及西兴路间的三角地块内，与滨康路成60º夹角，施工条件良好。该工程基坑开挖长170m，宽21.7-25.8m，
支护形式：采用800mm厚地下连续墙，标准段采用1道混凝土支撑加3道钢支撑，端头井采用1道混凝土支撑加4道钢支撑。连续墙共87槽。钢支撑采用φ609壁厚16mm钢管，支撑间距1.7～4.5m，一般为3m；混凝土支撑为八字形撑，支撑间距8.4～9.5m，一般为9.0m。出入口采用SMW桩施工，桩径φ850mm，共136根。
降水形式：采用大口径无砂管降水。承压气体排气井，施工期间进行坑外排气，在排气井外设置回灌井。
支护形式：地下连续墙+钢支撑+混凝土支撑
支护形式：地下连续墙+钢支撑+混凝土支撑
案例10：深圳地铁翠竹车站基坑支护工程
翠竹站位于东门北路与翠竹路、华丽路交叉路口地下，东南侧紧邻银汉大厦（原海洋大厦）、翠竹小学，西北角与深圳市人民医院相临。车站建筑总面积10053.9m²。基坑开挖深度16.4-17.8m，基坑开挖长度192m，宽约18.5-23m。
支护形式：采用连续墙+3道钢管支撑。连续墙厚度800mm，槽深21.4-22.83m，共74槽，总长433.4m钢支撑三道，第一道钢支撑设在地连墙冠梁上，间距6m，采用直径609mm钢管，壁厚12mm；以下两道支钢撑水平间距为3m，采用直径609mm钢管，壁厚16mm。
降水方式：采用集水井明排降水。基坑内井点延纵向方向分一 排布置，间距20m左右。
支护形式：地下连续墙+钢管支撑
支护形式：地下连续墙+钢管支撑
案例11：北京地铁房山线世界公园站～郭公庄站区间基坑支护工程
北京轨道交通房山线工程世界公园站～郭公庄站地下区间位于葆台北路与丰葆路交叉口，区间横穿丰葆路及郭公庄路。明挖段区间总长268.222m，宽度为11m～15.7m，基坑深度8.712m ～14.626m。
支护形式：采用挡土墙+围护桩+2（3、4）内支撑的支护形式。挡土墙为砖砌，高1.1m；围护桩直径800mm，间距1.6m，桩长11.4-21.4m；内支撑采用工字钢488双拼，间距5m，桩间采用100mm厚C20喷射混凝土支护。
支护形式：挡土墙+围护桩+内支撑
支护形式：挡土墙+围护桩+内支撑
案例12：北京地铁五号线刘家窑车站基坑支护工程
刘家窑站位于南三环路与蒲黄榆路交叉口，车站位置横越南三环（刘家窑桥），呈南北向布置。北侧为现状蒲黄榆路，南侧为规划的蒲黄榆南路，是南三环重要的交通枢纽。现状为大量1～2层平房，周围地势平坦。该车站总建筑面积11426.26m²。基坑开挖分南侧和北侧，南侧基坑开挖深度为16.7m～20.0m，开挖宽度为20.3m，开挖长度为75.7m；北侧基坑开挖深度为17.5m～20.6m，开挖宽度为22.35m，开挖长度为49.8m。
支护形式：采用灌注桩+3道钢支撑+1道一桩一锚杆（仅北侧基坑北侧），围护桩直径600mm，间距800-1100mm，桩长为19.54m～23.82m，共385根；锚杆长20m，竖向设三道钢围檩及φ609X14mm的钢支撑。
降水方式：采用管井降水，抽渗结合。
支护形式：灌注桩+钢支撑+锚杆桩
支护形式：灌注桩+钢支撑+锚杆桩
六、结语
1、我国基坑工程的新技术、新工艺、新设备不断涌现。
2、地下工程规模将向大面积、超深度方向发展：需要基坑工程技术的不断提升和创新。
3、基坑工程地域性、复杂性、综合性和不可预见性的特点：需要在设计与施工中给予加倍重视和精心。
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