深基坑工程设计案例

深基坑工程设计案例同济大学高大钊2013年9月方案设计在深基坑设计中的重要性深基坑工程的设计分为方案设计和施工图设计两个阶段方案设计是控制性的。这是由于深基坑设计需要处理各方面的关系，基坑与地下结构的施工，基坑与主体结构的施工，基坑与地质条件的适应性，基坑与周围建筑物或地下管线的相互影响。基坑工程设计不单纯是支护结构设计，而需要从开挖方案作为出发点，与地下水的处理与控制相协调。不同的开挖方案，就会形成不同的支护方案，不同的支护体系，设计计算的内容不同，安全性和经济性就会不同。所以，就从开挖方案开始讲起。开挖方案选择放坡开挖无支撑开挖重力式挡墙悬臂式挡墙锚固式挡墙有支撑的开挖组合型的开挖方案放坡开挖放坡开挖的直接费用最少，而且为主体工程创造了比较宽敞的施工作业空间，因而工作面宽，工期也比较短，如果场地条件允许，放坡开挖应该是首选的方案。制约采用放坡开挖的因素主要是周围场地和开挖深度的限制。放坡需要占用比较大的场地，在城市或建成区往往没有这个条件。由于坡体不可避免地会产生一定的位移，如果在场地附近有建筑物或市政管线不能承受较大的变形，亦常常限制了放坡开挖方法的采用；开挖深度也是一个制约条件，但开挖深度是相对于土质而言的，如土质比较好，坡度可以比较陡，占用场地也比较小，深度限制就不那么明显；在软土地区，由于土质软弱，放坡开挖深度就不能太深。如整体稳定性允许，可以采用放坡开挖方案时。但有时受场地的限制，只能取用较陡的坡度；如坡面的稳定性不能得到保证时，则可采用喷锚支护或土钉墙的方案。喷锚支护和土钉墙从受力机理上讲不同于无支撑的自立式挡墙，而是属于坡面加固处理的一种方法，通过加强土体共同受力的方式来保持坡面的稳定性，属于自承支护体系。如果坑底土质比较差，整体稳定性不足，则喷锚支护和土钉墙的方案就不能采用。无支撑开挖当不能采用放坡开挖方案时，必须选用围护结构以支承坑外的土体。在可能的条件下应尽可能采用无支撑开挖的方案，因为这种方案能提供比较开阔的坑内施工条件，便于挖土、运土以及地下室的施工；同时，也比较经济。重力式挡墙重力式挡墙是依靠自身的重力维持其稳定的围护结构，由于可以采用价格比较低廉的水泥土等材料制作，是一种比较经济的方案。在开挖深度不大（如软土地区不大于6～7m），环境对位移的要求可允许有50mm左右的条件下是首选方案，但重力式挡墙的宽度比较大，在地下室外墙与红线之间的距离过小时就很难放得下宽度较大的重力式挡墙。悬臂式挡墙悬臂式挡墙是依靠自身的刚度和强度就能维持其稳定的围护结构，由于围护结构承受比较大的弯矩，需要采用钢筋混凝土材料。当重力式挡墙因场地宽度不够而不能采用时，悬臂式挡墙就能克服这个缺点，可以在1.5～2m的狭窄范围内安置悬臂式挡墙。但悬臂式挡墙的位移比较大，难以满足周边环境的严格要求，同时在开挖深度较大时墙身弯矩很大，因此适用的开挖深度也不深。锚固式挡墙锚固式挡墙是依靠锚杆传递的拉力来维持其稳定的围护结构，对于深基坑可以采用多道锚杆来平衡土压力，因而可以适用于开挖得很深的基坑。锚固式挡墙分为拉锚式和土层锚杆式两种，拉锚常用于钢板桩顶部的锚固，或作为辅助的锚固措施；土层锚杆要求具有比较好的地质条件，同时还必须有足够开阔的场地条件或者容许锚杆可以伸入红线以外的土层中。自承支护体系的术语比较土钉支护土锚支护喷锚网支护锚钉支护术语土钉墙强度稳定型控制变形型锚杆支护锚索支护基本概念加固锚固、加固锚固预应力无无有边坡滑动面验算依据设计前提自由段无无有有效锚固段无有有有效锚固段埋深根据需要4m更深筋体面层定位不严格，允许有较大偏差严格更严格筋体拉力大小很小一般大更大筋体内力分布枣核形分布在自由段内相同基坑开挖深度12m20m适用土类良质土良质土或劣质土布置密度短而密长而密定点定点面层荷载表面崩落荷载滑移体施加荷载的一部分滑移体施加全部荷载面部结构多用喷锚混凝土面层多用墙、桩最佳倾角5~15水平15~35雨季敏感程度敏感不敏感影响很少稳定性外部稳定内部稳定有支撑的开挖在不具备采用土层锚杆条件的场地，深基坑只能采取有支撑开挖的方案，但是深基坑的平面尺寸一般都比较大，给支撑的设置带来了困难；由于支撑和挖土的工序互相交叉，形成许多各具特色的支护开挖方案。分层开挖分层支护法这是最基本的方法，按照结构受力分析和便于施工的原则布置每道支撑的位置，在深度方向分层挖土与支撑设置交替施工。挖第1层土浇筑第1道支撑挖第2层土浇筑第2道支撑挖第3层土浇筑底板。工况1工况2工况3工况4工况5工况6设计时要按照上述工况进行分别验算，施工时要严格按照设计规定的程序实施，才能保证围护结构的稳定性和控制变形。在平面上按设定的挖土与设置支撑流程由一侧向另一侧推进，也可以由中部向两侧推进，但每一层作业作为一个工况考虑进行计算，忽略平面上流程的时间差对围护结构受力的影响。中心岛法对于平面面积很大的基坑，采用分层开挖、分层支护的方法在技术和经济上都不太合理。由于支撑的长度很长，为了增大支撑刚度，需要加大支撑截面和侧向支撑，使支撑的造价很高，而且一层平面的挖土量也很大，前后延续的时间比较长，这就需要在平面上加以划分。中心岛法是平面划分的一种考虑，它结合将厚底板分设后浇带的划分，将平面分成两个部分，中心部分先施工，此时先施工的面积比较小，而且具有放坡的余地，可以在坑内按照放坡办法施工，在中心部分浇筑底板以及地下室的部分结构（如核心筒、剪力墙或柱）以后，再分层开挖四周的留土，分层将支撑连接到已建成的底板或地下室的构件上去。第一阶段，放坡，浇筑中间部分地下室第二阶段，对周围部分采用分层开挖分层支撑方法施工.底板地下室梁板支撑组合型的开挖方案在方案设计时，可以根据工程的具体情况将上述几种方法加以组合，以发挥各自的优点，形成最经济合理的方案。可以在立面上组合，也可以在平面上组合。立面组合主要是指为了减少围护结构支承的开挖深度，将围护结构顶面的标高压低后形成上部是放坡，下部是支锚的组合断面。围护结构顶面标高压低以后，可以减少围护结构的工程量，减少支锚的数量；上部的处理方法视标高降低的数量和土质条件而定，以保持上部开挖面的稳定为原则。如降低1m左右，可以不放坡，采用砖砌挡墙保护；如标高压低较多，则可采取放坡的办法，也可以采用喷锚护坡的办法。立面组合的方案可以有效地减少基坑工程的难度，明显降低造价。立面组合平面组合是指在基坑的几个侧面采用不同的方法，根据各个侧面场地宽余程度的不同，采取不同的方法。在场地比较宽敞的部位尽可能采用放坡的办法，场地能容纳重力式的地方尽量采用重力式挡墙，在实在放不下重力式挡墙的部位才采用排桩式。这样做的目的是为了节省造价，但在技术上带来了一定的困难，主要是在不同型式的结构连接处需要做好构造处理，这些部位往往是最薄弱的环节，也是最容易产生事故的地方。实例1组合型的开挖方案工程名称：上海东方明珠广播电视塔地点：上海浦东基坑尺寸：基底面积2700m2，开挖深度12.5m，局部电梯井部位深度19.5m围护结构：采用二次开挖，三级支护，二级降水的方案。先在地面设置第一级轻型井点，然后将基坑大开挖至－5.3m，放坡1:1.5，土坡采用细石混凝土护坡，在－5.3m基坑内进行沉桩和打设钢板桩；沿坡脚布置第二级轻型井点，进行第二阶段挖土，按先撑后挖原则设置二道内支撑，完成－12.5m的基坑开挖，最后对深坑进行第三级支护。支撑情况：二道钢支撑实测结果：边坡水平位移不大于50mm，钢板桩上口水平位移不大于50mm，下部位移较大，局部达400mm，立柱最大上拔量120mm比较造价：费用为常规深基坑施工的三分之一挖土速度：工期为常规深基坑施工的三分之一方案评述：对于场地周围环境要求不高的基坑工程，在立面上采取放坡和钢板桩支护相结合的方案，将深基坑转化为开挖深度相对较浅的基坑，技术难度和工程量都有降低，从而缩短了工期，大幅度降低造价，这个方案的思路是可取的。选择围护结构的类型确定了开挖方案以后，根据开挖方案的要求选择围护结构，从总体来说，围护结构按材料和施工方法大体分为三种类型，即水泥土搅拌桩、排桩式围护结构和地下连续墙。选择围护结构时应考虑开挖深度、地质条件、地下水条件、施工条件和工程要求等因素综合确定。各种围护结构的适宜性评价围护结构工程条件水泥土搅拌桩排桩式（灌注桩）地下连续墙开挖深度小于6~7m可以采用不经济不考虑开挖深度7~12m不能采用适宜于采用不经济开挖深度大于10m不能采用不合理适宜于采用地下水位高适宜于采用加止水帷幕适宜于采用孔隙比及液性指数均小于1的粘性土不适宜于采用适宜于采用分离式排桩适宜于采用软土适宜于采用适宜于采用连续式排桩适宜于采用围护结构兼作永久性结构的一部分不适宜于采用不适宜于采用适宜于采用场地特别狭窄且环境要求非常高不适宜于采用不一定适宜于采用适宜于采用围护结构的造价比较开挖深度m4.55101418围护结构搅拌桩排桩排桩连续墙连续墙单价（元/延米）730011100232005040080000围护结构的经济比较如按单方造价，连续墙每一立方米的费用明显地高于排桩，这是因为连续墙施工设备的费用比较高的缘故。根据上海市1990年代的建筑工程预算定额，地下连续墙施工时成槽机设备的费用相当于灌注桩施工钻机费用的2倍。可见在适宜于用排桩的场合采用地下连续墙是不经济的，只有在开挖深度很大，环境要求特别高，采用排桩式围护结构非常不合理时才采用地下连续墙作围护结构；为了充分发挥地下连续墙的作用，提高经济效益，将地下连续墙围护结构兼作永久性结构的一部分是比较合理的方案。12m左右深基坑围护方案比较围护类型SMW工法钻孔灌注桩加止水帷幕地下连续墙方案24m桩长，型钢700300，1200800围檩，3道609钢管支撑24m桩长，钻孔灌注桩800@1000，1200800围檩，3道609钢管支撑24m桩长，宽度800地下连续墙，1200800围檩，3道609钢管支撑围护费用17000/延米19000/延米32000/延米工期10延米/天3延米/天16延米/天SMW工法具有费用低、功效高的优势7～8m左右深基坑围护（桩长15m）方案比较综合造价造价比钢板桩拉森IV型，小咬口，31351.00SMW工法850三轴搅拌机，H70030063752.03钻孔桩600@70092402.95地下连续墙600mm厚度，长度14m126004.02灌注桩加强的搅拌桩墙体在水泥搅拌桩墙体的两侧或一侧加钻孔灌注桩，形成组合断面以实现对深度大于7m的深基坑采用无内支撑的重力式挡墙（改良的重力式挡墙）或简易支撑的挡墙方案。开始时，在水泥土中加筋作为一种技术措施采用，用廉价的毛竹插入水泥土中。发展至采用钻孔灌注桩加筋已经不是一种技术措施，而是一种组合结构，这种方案的最大优点是造价便宜。但这种复合型的结构内力计算方法尚需进一步研究，钻孔灌注桩的布置原则也需进一步明确。实例2水泥搅拌桩墙体加钻孔灌注桩工程名称：上海新亚汤臣大酒店地点：上海浦东基坑尺寸：基底面积6000m2，开挖深度8.6m，局部开挖深度11.2m；围护结构：宽度4.2~5.2m的重力式挡墙，墙身每隔3m设置一根直径600mm的钻孔灌注桩加强；支撑情况：在地面下2.5m处设置钢筋混凝土环形支撑。实测结果：实测最大水平位移32mm方案评述：在水泥搅拌桩重力式挡墙中采用钻孔灌注桩加强，并可以设置支撑以避免重力式挡墙位移过大的缺点；在8.6m开挖深度的基坑中，一般的排桩支护需要设置二道支撑，而在复合式的围护结构中只需一道支撑，可以节省造价，且水平位移也不大。组合型的重力式围护结构由地下连续墙构成的T字形断面或字形断面，成为自立式围护结构。如上海耀华皮尔金顿浮法玻璃熔窑无支撑格形地下连续墙工程。大型玻璃熔窑是浮法生产线的关键部位，平面尺寸为90m×50m，开挖深度为13m。围护结构采用由T字形槽段组成的格形结构，由内墙、外墙、剪力墙、墙顶圈梁和格内的土体共同承受水平荷载，成为重力式结构。实例3无