某高层住宅楼基坑工程设计

1 前言

1.1总述

近年来我国随着经济和城市建设的迅速发展，特别是我国的大中型城市，高层和超高层建筑发展迅速。与此同时，地下工程愈来愈多。而高层建筑多有较深的地下室，所以高层住宅楼基坑工程的设计和要求日趋重要。

基坑工程是指建筑物或构筑物地下部分施工时，需开挖基坑，进行施工降水和周边的围挡，同时要对基坑四周的建筑物、构筑物、道路和地下管线进行监测和维护。确保正常、安全施工的综合性工程。

基坑工程面对各种各样的地基土和复杂的环境条件进行施工作业，存在以下一些不确定因素[1]

1、外力的不确定性作用在支护结构上的外力不是一成不变的，而是随着环境条件、施工方法和施工步骤等因素的变化而改变。

2、变形的不确定性变形控制是支护结构设计的关键。但影响变形的因素很多，围护墙体的刚度、支撑(或锚杆)体系的布置和构件的截面特性、地基土的性质、地下水的变化、潜蚀和管涌以及施工质量和现场管理水平等等均为产生变形的原因。

3、土性的不确定性地基土的非均质性(成层)和地基土的特性不是常量，在基坑的不同部位、不同施工阶段土压力是变化的，地基土对支护结构的作用或提供的抗力也随之变化。

4、一些偶然因素变化所引起的不确定性施工场地内土压力分布的意外变化、事先没有掌握的地下障碍物或地下管线的发现以及周围环境的改变等等，这些事前未曾预料的因素均会影响基坑的正常施工和使用。

目前，在基坑工程中发生事故的概率，往往高于主体工程。由于存在以上四大不确定因素，很难对基坑工程的设计与施工制订一套标准模式，或用一套严密的理论和计算方法，把握施工中可能发生的各种变化。只能采用理论计算与地区经验相结合的半经验、半理论的方法进行设计。

1.2基坑工程的内涵

基坑工程，为保证基坑施工，主体地下结构的安全和周围环境不受损害而采取的支护结

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构、降水、土方开挖和回填，包括勘察、设计、施工和检测等，称为基坑工程。基坑工程是土力学基础工程中一个古老的传统课题，同时又是一个综合性的岩土工程问题，既涉及到土力学中典型的强度、稳定与变形问题，同时还涉及土体和支护结构的共同作用问题。

基坑工程具有以下特点：

（1）建筑趋向高层化，基坑趋向深度化发展。

（2）基坑开挖面积大，长度和宽度超过百米甚至数百米，给支撑布置带来较大难度。 （3）在软弱地层中，基坑开挖会产生较大的位移和沉降，对周围建筑物、市政设施和地下管线造成影响。

（4）深基坑施工工期长，场地狭窄，降雨、重物堆放等对基坑稳定不利。

（5）在相邻场地施工中，打桩、降水、挖土及基础浇筑混凝土等工序会互相制约与影响，增加协调工作的难度。

基坑工程所包括的内容可以用下图大概的表示出来。

基坑工程 围护结构 土方开挖施工 施工监测与控制 土方开挖施工 土体加固 土体加固 降水技术 降水技术 撑支锚体系 撑锚体系 支护结构 基坑支护工程 施工监测与控制

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基坑开挖根据场地条件、地质情况，施工开挖方法可采用无支护的放坡开挖和有支护的垂直开挖。放坡开挖时，开挖坡面不需任何支护，而用放坡方法开挖保持土体稳定，其优点是不必设置支护结构。主体结构施工时，场地较大，便于施工布置，而其缺点是开挖工程量相对较大，而且占用场地较大，适用在旷野采用明挖修建地下工程的情况。在场地受限的情况下，采用有支护的垂直开挖，这必须对基坑边壁设置支护，这样的基坑工程在城市大型工程中常可见到。为了保持基坑侧壁稳定及邻近建筑物的安全，需采用基坑边壁的支护加固措施，包括围护墙、支撑系统、围檩、防渗帷幕等总称为支护结构。

基坑工程是建筑工程的辅助工程，基坑支护结构的主要功能是挡土和防水，以使主体结构顺利施工，且不影响或减少一些周边环境。从挡土功能考虑，基坑支护可分为两大类，即支护型和加固型。支护型是将支护结构作为主要受力构件支挡坑壁可能形成的水土压力；加固型则是加固土体强度，维持坑壁稳定。支护型包括板桩墙、排桩、地下连续墙等结构形式，加固型包括水泥土搅拌桩、高压旋喷桩、土工锚杆支护、土钉支护等。实际工程中，常将它们结合起来而形成混合结构。

目前经常采用的支护类型及其特点概括如下：

（1）水泥搅拌桩围护结构 其优点是形成重力式挡土墙，不需要支撑，基坑内挖土方便，搅拌桩施工时无环境污染（无噪声、无振动、无排污）、造价低、防渗性好，但这种围护结构往往要求基坑周围有一定空间布置搅拌机，且只宜用于开挖深度不大的基坑工程。

（2）排桩围护加内支撑（或土锚） 外侧加一排水泥土桩，形成抗渗帷幕，这种排桩支护适用于较深的基坑，但造价较高。

（3）地下连续墙围护加内支撑（或土锚） 这种支护结构施工时对周围环境影响较小，对土层条件适应性强，墙体抗弯强度、防渗性能和整体性均较好，可做整体结构的一部分，但其造价更高，施工技术要求更高。

（4）土钉墙支护 基坑周围不具备放坡条件，地下水位较低，邻近无重要建筑或地下管线，基坑外地下空间允许土钉占用时可采用土钉墙支护。

基坑工程的设计涉及的内容包括围护结构、支撑系统、挖土方案、换撑措施、降水方案、地基加固等，这些方面常常是互相关联的，在基坑工程设计时必须综合考虑。目前，基坑支护结构设计一般是在主体结构施工前进行。值得注意的是一些场地狭小、主体结构与围护结构互相影响。围护结构兼作主体结构的一部分时，基坑支护结构设计应在主体结构方案中给予考虑，基坑支护结构的设计原则为八个字：安全经济、施工简便。

（1）安全可靠 满足支护结构强度、稳定及变形的要求，确保周围环境的安全。

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（2）经济合理 在安全可靠的前提下，要从工期、材料、设备、人工及环境保护等方面综合确定具有明显经济效果的方案。

（3）施工便利并保证工期 在安全可靠、经济合理的原则下，最大限度的满足方便施工（如合理的支撑布置，便于挖土施工），缩短工期。

根据国家标准《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-1999）的规定，基坑支护结构应采用分项系数表示的极限状态设计方法进行设计。基坑支护结构的极限状态，可以分为下列两类：

（1）承载能力极限状态 对应于支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大变形导致支护结构或基坑周边环境破坏。

（2）正常使用极限状态 对应于支护结构的变形已妨碍地下结构的施工或影响周边环境的正常使用功能。

基坑支护结构均应进行承载能力极限状态的计算，对于安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，尚应对基坑周边环境及支护结构变形进行计算。《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-1999）规定，基坑侧壁的安全等级及重要性系数γ0，见表 1-1 。

表 1-1 基坑侧壁安全等级及重要性系数

安全系数 一级

破坏后果

支护结构破坏，土体失稳或过大变形对基 坑周边环境及地下结构施工影响很严重 支护结构破坏，土体失稳或过大变形对基 坑周边环境及地下结构施工影响一般 支护结构破坏，土体失稳或过大变形对基 坑周边环境及地下结构施工影响不严重

重要性系数γ0

1.10

二级 1.00

三级

0.90

近年来，武汉、深圳和上海等地陆续制定了基坑工程方面的地方标准，总结了基坑工程的设计、施工经验，用以指导工程实践。例如根据上海市标准《基坑工程设计规范》（DBJ 08-61-1997）,可把基坑按重要性分为以下3级：

（1） 符合下列情况之一时，属于一级基坑工程： 1）支护结构作为主体结构的一部分时； 2）基坑开挖深度大于等于10m时；

3）距基坑边两侧开挖深度范围内有历史文物、近代优秀建筑、重要管线等需要严加保

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护时。

（2）开挖深度小于7m，且周围环境无特别要求时，属于三级基坑工程。 （3）除一级和三级基坑工程以外的，均属于二级基坑工程。

1.3基坑工程设计，施工现状

基坑工程是设计与施工、理论与实践密切相关的一门学科。基坑工程的成败，当然 与计算理论有关，但亦与施工方案的正确与否、是否严格按计算采用的施工工况进行施 工、施工质量的好坏等密不可分。

基坑工程施工，是否严格遵照设计要求，是很关键的问题。回顾过去基坑工程施工 中产生的事故，除设计错误或考虑不周者外，绝大多数皆与此有关。

对水泥围护结构，施工过程中搅拌是否均匀，搭接长度是否足够，水泥掺入量是否 符合设计要求，相邻桩的施工间歇时间是否超过规定，土方开挖前的养护时间是否达到 设计要求，土方开挖是否分层开挖等一系列的问题，皆影响水泥围护结构的强度、稳定 和抗渗透能力。该围护结构的成败，在很大程度上取决十施工质量。

板式支护体系由围护墙、围镖与支撑体系、防渗与止水结构等组成。围护墙结构常 用形式有桩排式围护墙和板墙式围护墙。对十这类支护体系，同样，施工质量产生巨大 的影响。如钢板桩的施工，打设的垂直度如何，相互咬合是否紧密，支撑是否顶紧等， 都影响板桩墙的变形和抗渗能力。

如目前应用较多的钻孔灌注桩围护墙，其桩位偏差和桩身垂直度偏差，桩孔成孔的 质量，钢筋笼加工质量和下放位置、混凝土的强度等级，防渗帷幕水泥土搅拌桩的施 工质量，支撑和围镖的施工质量和形成时间等，皆影响这种支护体系的强度、稳定、变 形和抗渗能力。一旦某个环节的施工质量不保证，土方开挖后会带来一些麻烦，须及时 补救，严重者则会带来后果严重的事故。地下连续墙围护结构是一种整体性较强、受力 性能和抗渗能力较好的围护结构。但如果接头不好，墙身浇筑质量不保证，混凝土强度 等级达不到要求，亦会削弱其受力性能和抗渗能力，给基坑工程带来不利影响。 为此，基坑工程施工是基坑工程的重要组成部分，要严格按照设计要求和有关施工 规范规程进行施工。

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2基坑支护的形式和合理选型[2]

2.1常用基坑支护的形式

2.1.1放坡开挖

无支护式放坡开挖的基坑工程是指不需要采用支护结构的基坑开挖工程，开挖深度可深可浅，主要取决于工程要求和地质条件及周边场地环境条件。根据地下水条件及排水方式可分为无地下水的一般放坡开挖、明沟排水放坡式开挖及井点排水放坡式开挖等。放坡基坑工程可以为地下结构主体的施工创造最大限度的工作场地，方便现场工程布置，因此在场地 环境条件和地质条件允许的情况下，应优先选择放坡开挖。见图 1 。

坡顶坡角坡脚 图 1 放坡开挖

50年代初，轻型井点试验成功后，在放坡开挖基坑周围用井点降水法疏干地层，提高边坡和基坑底的稳定性。随着井点降水技术的不断发展，使开挖深度得以不断加深，放坡角度逐渐加大。1973年，上海石化总厂排水泵站工程的基坑深度达7～8米。1979年，在宝钢总厂排水泵站工程中采用多层井点，使放坡开挖的基坑深度达8.5米，边坡坡角超过60；在宝钢总厂砂性土层的7米深排管沟槽开挖中，沟槽两侧采用喷射井点降水，使边坡坡角增大至65°。1985年，在上海真北路下立交箱涵顶进基坑中，对很软弱的流塑粘土层采用电渗井点降水法加固基坑边坡，使6米深，45°边坡的基坑得以稳定。

适用于周围场地开阔，周围无重要建筑物，只要求稳定，位移控制无严格要求，价钱最便宜，回填土方较大；但是在城市建筑物日益密度化的今天，放坡开挖已经逐渐不能体现当年的优势。

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2.1.2深层搅拌水泥土围护墙支护

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。它是近年来发展起来的一种重力式支护结构。它是通过搅拌桩机将水泥与土进行搅拌，形成柱状的水泥加固土（搅拌桩），见图 2 。

图 2 水泥土墙 1—搅拌桩 2—插筋 3—面板

用于支护结构的水泥土其水泥掺量通常为12%～15%（单位土体的水泥掺量与土的重量之比），水泥土的强度可达0.8～1.2MPa，其渗透系数很小，一般不大于10.6cm/s。由水泥土搅拌桩搭接而形成水泥土墙，它既具有挡土作用，又兼有隔水作用。它适用于4m～6m深的基坑，最大可达7m～8m。水泥土围护墙优点：由于一般坑内无支撑，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，而且在水泥搅拌桩施工时要注意防止影响周围环境。

2.1.3高压旋喷桩支护

高压旋喷桩所用的材料亦为水泥浆，它是利用高压经过旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与

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土体混合形成水泥土加固体，相互搭接形成排桩，用来挡土和止水。高压旋喷桩的使用费用要高于深层搅拌水泥土桩，但其施工设备结构紧凑、体积小、机动性强、占地少，并且施工机具的震动很小，噪音也很低，不会对周围建筑物带来震动的影响和产生噪音等公害，它可用于空间较小处，但施工中有大量泥浆排除，容易引起污染。对于地下水流速过大的地层，无填充物的岩溶地段永冻土和对水泥有严重腐蚀的土质，由于喷射的浆液无法再注浆管周围凝固，均不宜采用该法。见图 3 。

1121910126513（a）单管法 11239101210423911101275135813（）二重管法（）三重管法

图 3 高压旋喷桩

1—钻机 2—高压注浆泵 3—空压机 4—高压水泵 5—喷嘴 6—单管 7—双重管 8—三重管 9—储浆桶 10—灰浆搅拌机 11—水箱 12—水泥库 13—喷射注浆加固体 2.1.4锚喷网支护

锚喷网支护技术是一种新兴的边坡支护技术，与普通的桩及桩加锚杆支护相比，具有施工工艺灵活，无噪音，无污染，工程造价低等特点。与传统支护方法相比，其支护造价可节

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省50%～60%。具有明显的经济效益和社会效益，推广应用前景良好。喷锚网支护是靠锚杆、钢筋网和混凝土层共同作用来提高边坡岩土的结构强度和抗变形刚度，减小岩（土）体侧向变形，增强边坡的整体稳定性。见图 4 。主要适用于岩性较差、强度较低、易于风化的岩石边坡；或虽为坚硬岩层，但风化严重、节理发育、易受自然应力影响、导致大面积碎落，以及局部小型崩塌、落石的岩质边坡；或岩质边坡因爆破施工，造成大量超爆、破坏范围深入边坡内部，边坡岩石破碎松散、极易发生落石、崩塌的边坡防护。

喷射砼钢筋网角度锚杆 图 4 普通锚杆与喷射砼面层连接大样

2.1.5槽钢钢板桩支护

50～60年代初，对开挖深度大于3米的沟槽和基坑，基本上都采用槽钢板桩作支护结构，但因其接头不密封而且刚度较小，开挖深度限于6米左右。60年始，在下水道开槽施工中，采用在沟槽外侧或内侧设置轻型井点或喷射井点疏干地层的措施，使饱和含水砂性土和软弱粘性土加砂层中的钢板桩支护开槽深度可达8米。

1966年，为上海打黄浦路隧道工程引进20米长的赖森5型钢板桩，用以完成黄浦江两岸矩形暗埋隧道段的12米深大基坑的施工。

70年代，在上海军工路下立交工程中，采用上部放坡开挖与下部钢板桩支护开挖相结合的施工方法，并辅以井点降水措施，满足了基坑开挖深度的要求。80年代初，在建设宝钢的排水工程中，采取同样方法，使基坑开挖深度达12米。80年代中期，开始在控制地面变形要求不高的大型基坑工程中，采用锚杆做拉撑的钢板桩支护体系，解决钢板桩支护基坑的稳定。为解决拔钢板桩所引起的土层移动问题，1991及1992年，上海浦西和浦东两个紧靠多层建筑的钢板桩支护的基坑拔桩时，跟踪打设布袋桩或压注粘土、粉煤灰及水泥拌制的浆体，充填拔桩所形成的地层空隙，有效的控制地面沉降和地下结构沉降。

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其特点为：钢槽具有良好的耐久性，基坑施工完毕回填土后可将钢槽拔出回收再次使用；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，多用于深度小于等于4米的较浅基坑或沟槽，顶部宜设置一道支撑和拉锚；支护刚度小，开挖后变形较大。见图 5 。

图 5 板式支护结构

1—板桩墙 2—围檩 3—钢支撑 4—斜撑 5—拉锚 6—土锚杆

7—先施工的基础 8—竖杆

2.1.6钢筋混凝土板桩支护

70年代末，上海宝钢厂区排水工程施工中，采用企口式钢筋混凝土板桩，作为大型管道开挖沟槽的支护结构，而且又与内衬管道的边墙相结合，成为永久性结构的一部分，具有施工简洁和将板桩用于结构的优点。80年代建造的上海龙吴路立交和延安东路隧道浦西引道段，均采用这种支护方法。

钢筋混凝土板桩具有施工简便、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，震动与噪音大，同时沉桩过程中挤土也较为严重，在城市工程中受到一定。此外，其制作一般在工厂预制，在运至工地，成本较灌注桩等略高。但由于其截面形状及配筋对板桩受力较为合理并且可根据需要设计，目前已可制作厚度较大（如厚度达500mm以上）的板桩，并有液压静力沉桩设备，故在基坑工程中仍是支护板墙的一种使用形式。 2.1.7钻孔灌注桩支护

钻孔灌注桩是按沉桩方法分类而定义的一种桩型。灌注桩由最早的100多年前的13

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年，因为工业的发展以及人口的增长，高层建筑不断增加，但是好多城市的地基条件比较差，不能直接承受由高层建筑所传来的压力，地表以下存在着厚度很大的软土或中等强度的粘土层，建造高程建筑如仍沿用当时通用的摩擦桩，必然产生很大的沉降。于是，工程师们借鉴了掘井技术发明了在人工挖孔中浇筑钢筋混凝土而成桩。于是在随后的50年之后，即20世纪40年代初随着大功率钻孔机具的研制成功首先在美国问世，二战后，世界各地特别是欧美发达国家经济复苏与发展，钻孔灌注桩在高层、超高层的建筑物和重型构筑物中北广泛应用。当然，在我国，钻孔灌注桩设计及施工水平也得到了长足的发展。其多用于坑深7～15米的基坑工程，在我国北方土质较好地区已有8～9米的臂桩围护墙。施工顺序见图 6 。

967113810（a）钻孔（b）下钢筋笼及导管（）灌注混凝土（）成桩 图 6 泥浆护壁钻孔灌注桩施工顺序图 1—泥浆泵 2—钻机 3—护筒 4—钻头 5—钻杆

6—泥浆 7—沉淀泥浆 8—导管 9—钢筋笼 10—隔水塞 11—混凝土

钻孔灌注桩具有以下技术特点：

（1）施工时基本无噪音、无振动、无地面隆起或侧移，因此对环境和周边建筑物危害小；

（2）大直径钻孔灌注桩直径大、入土深；

（3）对于桩穿透的土层可以在空中做原位测试，以检测土层的性质； （4）扩底钻孔灌注桩能更好的发挥桩端承载力；

（5）经常设计成一柱一桩，无需桩顶承台，简化了基础结构形式； （6）钻孔灌注桩通常布桩间距大，群桩效应小；

（7）某些利用“挤扩支盘”钻孔灌注桩可以有效减少桩径和桩长，提高桩的承载力，

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减少沉降量；

（8）可以穿越各种土层，更可以嵌入基岩，这是别的桩型很难做到的； （9）施工设备简单轻便，能在较低的净空条件下设桩；

（10）钻孔灌注桩在施工中，影响沉桩质量的因素较多，质量不够稳定，有时候会发生缩径、桩身局部夹泥等现象，桩側阻力和桩端阻力的发挥会随着工艺而变化，且在较大程度上受施工操作影响；

（11）因钻孔灌注桩的承载力非常高，所以进行常规的静载试验一般难以测定其极限荷载，对于各种工艺条件下的桩受力，变形记破坏机理现在尚未完全被人们掌控。设计理论有待进一步完善。

2.1.8地下连续墙支护（支护结构中最强的支护形式）

虽然地下连续墙已经有了50多年的历史，但是要严格分类，仍是很难得。 （1）按成墙方式可分为：1）桩排式；2）槽板式；3）组合式。

（2）按墙的用途可分为：1）防渗墙；2）临时挡土墙；3）永久挡土（承重）墙；4）作为基础用的地下连续墙。

（3）按墙体材料可分为：1）钢筋混凝土墙；2）塑性混凝土墙；3）固化灰浆墙；4）自硬泥浆墙；5）预制墙；6）泥浆槽墙（回填砾石、粘土和水泥三合土）；7）后张预应力地下连续墙；8）钢制地下连续墙。

（4）按开挖情况可分为：1）地下连续墙（开挖）；2）地下防渗墙（不开挖）。 地下连续墙是在地面以下为截水防渗、挡土、承重而构筑的连续墙壁。1951年，意大利用连锁冲孔法，在那不勒斯水库及米兰地下汽车道施工中，构筑帷幕墙取得成功。19年起在欧洲广泛使用。1956年，墨西哥、巴西、加拿大开始采用。1963年，美国开始采用。1958年，中国在山东月子口水库，开始采用冲孔桩排式地下连续墙作为坝体防渗帷幕墙。70年代初，在工业与民用建筑及矿山建设中推广。

适用范围：地下连续墙施工震动小、噪声低、墙体刚度大、防渗性能好，对周围地基无扰动，可以组成具有很大承载力的任意多边形连续墙代替桩基础、沉井基础或沉箱基础。对土壤的适应范围很广，在软弱的冲积层、中硬地层、密实的砂砾层以及岩石的地基中都可施工。初期用于坝体防渗，水库地下截流，后发展为挡土墙、地下结构的一部分或全部。房屋的深层地下室、地下停车场、地下街、地下铁道、地下仓库、矿井等均可应用。

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施工工艺：在挖基槽前先做保护基槽上口的导墙，用泥浆护壁，按设计的墙宽与深，分段挖槽，放置钢筋骨架，用导管灌注混凝土置换出护壁泥浆，形成一段钢筋混凝土墙。逐段连续施工成为连续墙。工序示意图见图 7 。

12435（a）成槽（b）放入接头管（）放入钢筋笼（）浇注混凝土图 7 地下连续墙施工工序示意图

1—成槽机 2—接头管 3—钢筋笼 4—导管 5—混凝土

地下连续墙之所以能得到广泛的应用，是因为其具有两个突出的优点：一是对邻近已有建筑物和地下管线的影响较小，二是施工时无噪声、无振动，属于低公害的施工方法。对于一些新建或扩建地下工程因四周临街或与现有建筑物紧相连接；有的由于地基比较松软而打桩会影响邻近建筑物的安全和施工产生噪声；还有的工程由于受环境条件的或由于水文质地和工程地质条件复杂，很难放置排水井点等；这些情况下，采用地下连续墙支护具有明显优越性。除此之外，地下连续墙施工工艺也较其它施工方法具有其优越性，如施工振动小。无噪声，能在建筑物、构筑物密集地区施工，而不影响邻近建筑物安全；地下连续墙能兼作基坑支护和地下主体结构的一部分；可结合逆作法施工，加快工程进度，缩短工期等。地下连续墙也存在一定得局限性和不足，这些主要体现在，在坚硬地层中成槽困难，施工管理不当时可能造成泥浆污染施工现场，需要有大型专用施工机械设备。 2.1.9土钉墙支护

“土钉”源自法文Clouage de Sol,英文翻译为Soil Nailing,在国外又被称为原位加筋横向支撑系统。国内使用土钉时常将其称为砂浆锚杆，土钉支护也被称为锚钉支护或喷锚网支护。

土钉时国外先发展起来的边坡支护技术，由于土钉一般是通过钻孔、插筋、注浆来完成

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的，因此也被国内岩土工程界称为砂浆锚杆，近年来，我国沿海地区又提出复合土钉支护技术。

“复合土钉”是今年来在我国沿海地区发展起来的复合型土钉支护。其背景是我国沿海地区经济建设活跃但多数城市地层条件差，而普通土钉支护不能适用于不良地层。在工程实践中，我国广大科技人员在土钉支护的基础上因地制宜的采用多种支护形式共同作用，以弥补普通土钉支护在防水、变形、强度等方面的不足。施工简图见图 8 。

砼面层钢筋网图 8 土钉墙施工简图

土钉是一种边坡稳定式的支护，其作用与被动的具备挡土作用的上述围护墙不同，它是起主动嵌固作用，增加边坡的稳定性，使基坑开挖后坡面保持稳定。土钉墙主要用于土质较好的地区，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，有的已用于坑深10米以上的基坑，稳定可靠、施工简便且工期短、效果好、经济性好，在土质较好的地区应积极推广。

2.2基坑支护的选型

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。 2. 2. 1基坑支护选型的原则

要合理选择基坑支护的型式，一方面要深刻了解各种支护型式的特点，包括其合理性、优点和缺点，另一方面要结合地质条件和周边的环境和工程造价进行综合考虑。因此，大的

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原则主要考虑三个方面:

1）、不同基坑支护型式的特点; 2）、地质条件和周边的环境; 3）、工程造价;

而对不同基坑支护型式的特点的认识是很重要的。 2. 2.2基坑支护选型的建议

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、周边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，如土钉墙等;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，如排桩或地下连续墙等。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，采用锚杆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;当地质条件特别差，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强的支护型式。基坑支护最重要的要保证周边环境的安全。 2. 2. 3支护结构方案选择的依据

基坑支护结构方案的选择主要依据以下几个方面: 1、基坑开挖的深度、基坑的面积及形状;

2、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、地下室墙板的厚度、内墙分布状况等;

3、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、各土层的含水量、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; 4、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; 5、挖土及降水方法及总的施工流向;

6、施工工期及工程造价。 2. 2. 4基坑支护结构方案选择的建议

1、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、施工作业设备

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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、土钉墙、原状土放坡。

2、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料受力性状的形式。

3、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基坑底土进行加固，或采用降水措施提高基坑内侧被动抗力。

2.3设计依据及设计原则

2.3.1设计依据

（1）国家行业标准《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）； （2）国家行业标准《建筑基坑工程技术规范》（YB9258-97）； （3）国家行业标准《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）； （4）上海市标准《建筑基坑支护技术规程》（DBJ08-61-97）； （5）国家标准《建筑地基基础施工规范》（GB50007-2002）； （6）上海市标准《地基基础设计规范》（DGJ08-11-97）； （7）国家标准《混凝土结构设计规程》（GB50010-2010）；

（8）国家标准《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）； （9）国家标准《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）； （10）其他相关规范和规程。 2.3.2设计原则

（1）施工过程中确保基坑内工程桩的完好。

（2）在确保基坑安全施工的情况下，使工程施工尽可能方便、快速及造价低廉。 （3）保证基坑支护结构安全可靠及土体的整体稳定性，同时确保支护结构在施工期的安全。

3工程实况

本工程是位于武汉市江夏区的某高层住宅楼，拟建工程地上为16层，地下为2层，占

16

地面积约为8600m2。本基坑东侧、北侧和西侧已用围墙围好，东侧围墙以外为二层砖房。北侧围墙外为环城公路，公路已北为6层框架结构办公大楼（桩基础）。西、南面为高速公路。

基坑平面形状为规则长条形，本工程+0.000相对于黄海高程6.15m,场地平整后的绝对地面高程4.350m（相对高程-1.800m）。基坑尺寸约112×55m,平均开挖深度为13m,开挖深度范围内下部土质条件比较差。根据岩土工程勘察报告，本工程无地下管网，基坑开挖影响范围内底层主要为细中砂、砂质粘土和粉质粘土。本基坑可定为II级基坑工程。

4工程地质条件及周围环境条件

4.1工程地质条件

根据岩土工程勘察报告，在基坑开挖影响范围内土层情况如下： 1层 杂填土

黄色、灰色，干湿，松散，由混凝土块、块石、碎石混少量粘性土组成，均一性差。 本层全场分布，平均厚度2.0m。 2层 粉质粘土

灰色、黄灰色，饱和，软塑（稍密），似层状，粉粒含量较高，局部为粉质粘土。切面粗糙，韧性、干强度低，摇震反应迅速。

本层全场地分布，具中压缩性，平均层厚3.8m。 3层 砂质粘土层

灰色、饱和，流塑，厚层状，局部含有机质及泥炭，干强度、韧性高，摇震无反应。 本层全场地分布，层厚6.80m。 4层 细中砂土层

灰绿色、灰黄色，含铁、锰质斑。本层全场分布，平均厚度4.8m。 5层 中粗砂土层

砖红色，上部呈硬塑粘性土状，下部碎块状，节理发育。平均厚度9.2m。 基坑开挖影响范围内底层物理力学参数见下表： 表4-1 各土层物理力学

17

土层厚度

序号 1层 2层 3层 4层

土体名称 杂填土 粉质粘土 砂质粘土 细中砂土

（m） 2 3.8 6.8 4.8

重度γ（KNM3）

18.3 19 18 18.8

粘聚力C（KPa）

0 28 26 0

内摩擦角（度） 10 25 26 34

4.2地下水条件

地下水位在地面以下4.5m处，含水层平均渗透系数为：K1.6md。

5基坑支护结构形式选择

基坑支护结构形式必须综合考虑地下室特点、周围环境和工程地质条件等因素，才能得到安全可靠、经济合理、施工方便的基坑支护方案。

5.1土钉与加筋土挡墙、土层锚杆的比较

5.1.1土钉与加筋土挡墙比较

尽管土钉技术与前述加筋土挡墙技术有一定得类同之处，但仍有一些根本的区别。 （1）主要相同之处：1）加筋体（拉筋或土钉）均处于无应力状态，只有在土体产生位移后，才能发挥其作用。2）加筋体抗力都是由加筋体与土之间产生的界面摩阻力提供的，加筋土内部本身处于稳定状态，它们承受着其后外部土体的推力类似于重力式挡土墙的作用。3）面层（加筋土挡墙面板为预制构件，土钉面层是现场喷射混凝土）都较薄，在支挡结构的整体稳定中不起主要作用。

（2）主要不同之处：1）虽然竣工后两种结构的外观相似，但其施工程序却截然不同。土钉施工是“自上而下”，分步施工。加筋挡土墙的施工则是“自下而上”。这对筋体应力分布有重大影响，施工期间尤为明显。2）土钉是一种原位加筋技术，主要是用来改良天然土性的，不像加筋土挡墙那样，能够预定和控制加筋填土的性质。3）土钉设置时通常使用灌浆技术，使筋体和其周围土层黏结起来，荷载通过浆体传递给土层。在加筋土挡墙中，摩擦

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力直接产生于筋条和土层间。4）土钉既可水平布置，也可倾斜布置，当其垂直于潜在滑裂面设置时，将会充分发挥其抗力；而加筋挡土墙内的拉筋一般为水平设置（或很小角度的倾斜布置）。

5.1.2土钉与土层锚杆比较

表面上，当用于边坡加固和开挖支护时，土钉和预应力土层锚杆间有一些相似之处，两者之间仍有较多的功能差别。

（1）土层锚杆在安装后便于张拉，因此在运行时能理想的防止结构发生各种位移。相比之下，土钉则不予张拉，发生少量（虽然非常小）位移后才可发生作用。

（2）土钉长度（一般为3～10m）的绝大部分和土层相接触，而土层锚杆则通过在锚杆末端固定的长度传递荷载。其直接后果是在支挡体内产生的应力分布不同。

（3）由于土钉安装密度很高，因而其单筋破坏的后果未必严重。另外，土钉的施工精度要求不高，他们是以相互作用的方式形成一个整体。

（4）因锚杆承受荷载很大，在锚杆的顶部需安装适当的承载装置，以减小出现穿过挡土墙结构而发生“刺入”破坏的可能性；而土钉则有需要安装固定的承载装置，其顶部承担的荷载小，可由安装在喷射混凝土表面的钢垫板来承担。

（5）锚杆往往较长（一般在15～45m），需用大型设备来安装。锚杆体系常用于大型挡土结构，如地下连续墙和钻孔灌注桩挡墙。

5.2围护结构选型

根据本工程特点，本支护方案设计应本着结构安全、造价经济、施工方便的基本原则，综合考虑多种不利因素和不利条件及周边环境对变形要求比较严格。根据工程地质条件和工程支护需要，此工程可以采用钢筋混凝土灌注桩支护、桩锚支护、土钉墙支护。但采用钢筋混凝土灌注桩支护造价较高，施工难度大；采用桩锚支护，施工技术不好控制，有一定的变形，造价也较高；而采用土钉墙支护效果好，经济性好，造价可以比其它支护节约30%。因此此工程我们采用土钉墙支护。

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6基坑降排水

6.1方案选择与论证

根据工程地质及水文条件和降水要求，此工程可选用喷射井点和管井井点降水均可。 （1）喷射井点既属于真空抽水法，此法设计十分复杂，能量消耗大，其工作效率一般只有其它方法的30%，喷嘴与混合室常需检验并换掉，特别是滤层填料不好时，常有细砂带入，使喷嘴特别易于磨损，并且此方法占地面积大。

（2）管井井点是靠重力作用降水，即重力作用下井内的水方可排出，此方法施工设备简单，占地面积小，管理方便。

综合（1），（2）方法此降水方案采用管井井点降水法，设计管井为潜水非完整井。由于管井井点的滤水直径大于200mm，这里选用直径为450mm，钢筋骨架外密竹竿，再缠两层塑料纱网，纱网的长度为管井的滤水管全长（这里选择滤水管为2m）。填砾厚度取75mm，

D1600mm，井点距坑壁1.5m。

6.2降水方案计算

6.2.1井点系统的布置

图 9 降水剖面图

根据基坑尺寸采用环状井点布置。井点管距离基坑边1.5m布置，这样，井点管中心至基坑中心的水平距离为：

L1.5

550.629.6m2

20

查表得水利坡度为： i0.1 滤水管长度l2m，抽水影响深度S2m。井管设置深度应为：

HgHlSh1322118m

井点管埋设深度：

HhiL1310.129.616.96m 因

HhiLHg，所以满足降水要求。

6.2.2计算涌水量

抽水影响深度h为：

h1.7lh1.7226.8m；

hmHg4.5h184.56.810.15m22

潜水含水层中的降水影响半径R为： R2SkH2101.616.96104.2m

基坑远离边界，涌水量可按下式计算：

224.5hgmQ1.366khRhllg1mlg10.2mlL L

H36174.6m

6.2.3单井抽水量计算

井点数量计算和确定井点间距，可由下面几个式子求出。其中单井抽水量q为：

333q65dlk653.140.4521.6216md

井点数量为：

n1.1Q

q1.16174.621631.4

21

可根据井点系统的布置方式量出沿基坑布置井点的长度：

Ln21152552348 aLnn134833110.88m

则井点间距a为：

取整数，令a12m。

图 10 基坑降水井点分布

6.2.4降水设备及管具 （1）滤水器

直径为450，过滤器部分采用在钢筋骨架外沿周围密排竹竿栅栏，再包缠双层塑料纱网的滤水管，管外投入75 的砾料成井。 （2）水泵

采用型号4JD10*10；流量10(m3/min)；扬程30(m)；电机功率1.41(KW)；排水管入井最大长度（28 m）； 比转数250； 效率58%。

22

6.2.5降水工程施工 （1）成孔方法

根据地质条件，采用合金钻头清水冲洗回转钻进成孔。 （2）成井工艺

1）冲孔换浆：用清水冲孔，使孔内渣物含量降低到最底程度，孔内水体的含泥量不大于5%。 2）井管安装：井管分为井壁管 滤水管 沉砂管，井壁管其保护和输水作用，滤水管起过滤和引导含水层中水的作用。采用升降级投吊法

3）填砾：采用浑圆型河砂对滤水管周围进行人工填砾，形成过滤层，以增大滤水管周围土体孔隙率，减少水头损失，增大降水井抽水量。

4）孔口封闭止水：滤料之地面以下1.5—2.0 改用黏土球均匀地投入井管与井管之间并分层捣实。

试抽：如果试抽发现设备及管路有问题，找出原因并且进行及时处理。 6.2.6降水施工技术

井点施工的质量直接关系到降水的效果，特别是在黏土土层中降排水，土层易产生缩孔塌孔，孔内泥浆比重大易堵塞井点管过滤器，使充填的滤料不能顺利下到孔底或将滤料空隙堵塞，起不到导水作用，造成上部弱透水层的水不能疏导下部过滤器而被抽出。这样势必影响降水，因此对井点成孔施工工艺必须严格要求。

（1）在上部黏土层中易缩孔，塌孔中钻进施工时，应采用清水回转钻探； （2）应采用清水钻孔要求送水泵泵压不得低于2，流量不小于；

（3）钻孔深度应比设计井管埋设深度大2 m，以保证井点管下至预定深度； （4）钻进到设计预定孔深后应加大泵量冲洗，将孔内土块及泥浆冲洗出孔口，使孔内水体的含泥量不大于5%；

（5）钻探成孔后，应立即下入井点管，井点管应居孔中心，严禁将井点管强行压入孔中；

（6）在井点管周围投入滤料，宜采用边向孔内送水边投滤料的办法，以保证填入的滤料孔隙不被泥砂堵塞，有利于上层地下水通过井点，孔向下不疏导。滤量投量不小于计算值的95%，滤料添置地面以下1.5 时。改用黏土添置地面，并压实封闭孔口，以防止地面水的渗入，实现真空降水；

23

（7）井点施工结束，应立即组织洗井，洗井宜采用自上而下进行，洗至水清基本不出砂，出水正常，井点底部不存砂为止；

（8）当每组井点施工结束，即着手组装水泵泵组应尽量降低高度，使泵组吸水口与集水管，井点连接管的高程尽可能一致，泵组应尽可能设置在集水管的中部；

（9）降水系统各部件均匀应连接严密，不得漏气，漏水，漏电，检查水泵正反转，防止反转；

（10）降水系统安装完毕，应及时组织试抽，再试抽过程中应定时观测抽水流量，工作水压力等并做好记录。校核抽水量与设计值是否相符，一般抽水量大于设计值（再试抽阶段）。如出现交大出入，应及时调整降水设计方案。 6.2.7降水监测与管理

（1）降排水前观测一次自然水位，再试抽开始的5—10 要求每天早晚各观测一次水位，流量；以后改为每天观测一次，并做好记录；

（2）对观测记录应及时整理，绘制（抽水量与时间）与（水位下降值与时间）关系曲线图，分析水位下降达到设计要求的时间根据实际抽水情况，研究降水设计的可靠程度或提出调整措施，查明抽水过程中的不正常的情况极其产生的原因，及时组织排除；

（3）应观测抽水井的水位，流量，注意调整水泵合理运行的深度，尽可能不露出水面又不被井内泥砂淹埋；

（4）对抽水设备应建立定期检修保养制度，保持设备的正常运行，降水期不得停泵；

（5）抽出的水应排出降水区以外，不应产生回渗。偶有大雨或暴雨，应及时排除地面和基坑积水以减少下渗，保证降水。降水对周边地面、建筑物的影响分析及后备处理措施。

7基坑土方开挖

7.1挖深

本工程设计+为黄海高程7.350m，场地平整后的绝对地面高程4.350m（相对标高

'K1.25,K1.05。 SS-1.800m）。地下2层，平均开挖深度为13m。已知土的可松性系数

24

7.2挖土要求及开挖顺序

基坑开挖施工是整个地下工程施工的关键工序，其具体实施方案由土方施工单位提出，以下是一些挖土的基本要求和顺序：

（1）坑开挖前先进行场地内清理，保证坑边荷载小于设计值，场地清理结束后可在坑内挖若干集水坑，用泵抽水以降低坑内水位；同时施工坑边排水沟及集水井按设计要求挖基坑外侧土体。

（2）挖土应分层分段进行，每段长度以15-25m控制，土钉墙处：每次挖土深度以该层土钉下30cm控制，按挖土一层施工一道土钉进行，上下两层土钉施工间隔时间要求大于48小时。坑边开挖到底后应立即用C15混凝土浇筑宽约5m的坑边垫层。 （3）在坑边垫层封底后，二次开挖，间隔6-8m施工承台、设垫层及砖模。 （4）挖土以机械挖土为主，人工挖土为辅。底板底以下土体须用人工开挖。

（5）用机械挖土时必须注意，挖土深度严禁超过设计标高，不得损坏工程桩及围护结构。 （6）土体开挖时不得留陡坡，以免基坑内土体滑移而引起工程桩或支撑立柱桩偏位。 （7）基坑内挖出的土方及时外运，基坑四周5m范围内不得堆载，否则会使围护结构变形过大，危及基坑安全。

（8）基坑挖土施工应做到“五边”，即：边挖、边凿、边铺、边浇、边砌的施工方法，保证基坑土体不长期暴露，确保基坑稳定。

（9）分区分段挖土到底后应在24小时内浇筑垫层，尤其是雨天必须做到。

（10）基坑挖土方案应经监理、建设等有关单位各方认可后方能实施，并由监督单位监督执行。

7.3计算基坑开挖土方量

该土方量指开挖前天然状态的土方量，为满足施工要求，基坑底面尺寸在基础外每侧留0.6m宽的工作面。按拟柱体公式计算，即：

VHA14A0A26

考虑基础外侧工作面宽度，基坑底面积A1为：

2A1150.62550.626530.44m1

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基坑顶面面积A2为：

A21150.62130.22550.62130.227453.96m2

基坑中截面面积

A0为:

2A1150.62130.20.52550.62130.20.526575.33m0

因此基坑采取的是垂直开挖，所以三个面上的基坑面积是相同的。由此可得基坑开挖土方量为：

V

HA14A0A2136530.4447453.966575.3392986.83m366

7.4计算现场留做回填土用的土方量

该土方量指松散状态下的土方量，基坑回填体积 即：

V3为：

V3基坑体积基础在基坑内的体积

3VV115551392986.838222510761.83m3

回填所需松散土的体积：

V2'V3

KS1.25310761.8312811.07m'1.05KS

土经开挖后的松散土的体积：

3VVK92986.831.25116233.m2S

现场多余土的体积：

'3VVV116233.12811.07103422.47m22 4

7.5运土车次

应该要安排的车次n为： nV4

40103422.47402586

26

取整数，本工程土方运输应安排2586车次。

8基坑支护设计

8.1方案选择与论证

土体的剪力强度较低，抗拉强度几乎为零，但原位土体一般具有一定的结构整体性。如在土体中放置土钉，使之与土共同作用，形成复合土体，则可有效的提高土的整体强度，弥补土体抗拉、抗剪强度的不足。这是因为至于土体中的土钉具有箍束骨架、分担荷载、传递和扩散应力、坡面变形约束等作用。实验研究表明：（1）土钉在使用阶段主要承受拉力，土钉的弯剪作用对支护结构承载能力的提高贡献甚小；（2）土钉的拉力沿其长度呈中间大两头小的形式分布，并且在土钉靠近面层的端部拉力与土钉中最大拉力的比值随着往下开挖而降低；（3）极限平衡分析法能较好的估计土钉支护破坏时的承载能力。

土钉支护设计应满足规定的强度、稳定性、变形和耐久性等要求。土钉支护设计内容包括：土钉支护结构参数确定、土钉拉力设计以及土钉墙内、外部稳定性分析等内容。

根据工程地质条件和工程支护需要，此工程可以采用钢筋混凝土灌注桩支护、桩锚支护、土钉墙支护。但采用钢筋混凝土灌注桩支护造价较高，施工难度大；采用桩锚支护，施工技术不好控制，有一定的变形，造价也较高；而采用土钉墙支护效果好，经济性好，造价可以比其它支护节约30%。因此此工程我们采用土钉墙支护。

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图 11 土钉及砼面层剖面图

8.2支护体系设计

8.2.1初步选择支护各部件参数

（1）土钉孔径为110mm，注浆强度等级不低于12Mp，3 天不低于6 Mp； （2）土钉钢筋为级热扎变形钢筋，直径为24mm；

图 12 土钉出浆孔排列

（3）土钉的水平和竖向间距都取1.2m（其中第一层土钉距地面2.0m），共设置10层；

（4）土钉的长度，其中1、2、3层设计11.0m；4、5层设计10.0m；6层设计9.0m；7、8层设计7.0m；9、10层设计6.0m，因原有一般钢管都为6.0m长，因此必须焊接另加的长度。

图 13 土钉焊接详图

（5）锚喷混凝土面层厚度为120mm，混凝土强度等级不低于C20，3 天不低于10 Mp，喷混凝土层内应设置钢筋网，钢筋网直径为8mm，网格为250mm×250mm钢筋搭接长度为250mm；如图（14）所示。

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（6）土钉孔采用人工挖孔（洛阳铲），孔轴线于水平面夹角为13°；

（7）土钉钢筋于喷射混凝土面层的连接采用突顶端部面侧沿土钉长度方向焊上短段钢筋并与面层内钢筋焊接，土钉端部采用加强钢并相互焊接；

（8）土钉支护的喷射混凝土面层直接插入基坑底部0.2m，再基坑顶部设置宽度为1.5m 的钢筋混凝土护顶（散水）。

8@250X250钢筋网214通长筋图 14 钢筋网及土钉间距

8.2.2土钉的设计计算

对于土钉的计算，先画出其计算见图如下图15

29

图 15 内力计算参照图

(1)第一层土钉设计内力N1（如图）为： N1P1SvShcos

式中 P1—土钉长度中点所处深度位置上的侧压力； Sv,Sh—土钉相邻土钉的水平、垂直间距； —土钉的倾角。

其中土钉长度中点所处深度位置上的侧压力P1为： P1 PqP11Pq KaQ

式中 P11—土钉长度中点所处深度位置上有支护土体自重引起的土压力； Pq—地表均布荷载引起的土压力； Q—基坑坑边荷载，Q20KPa。

其中土钉长度中点所处深度位置上有支护土体自重引起的土压力P11为： P11KaZ1

30

Z125.5sin3.24m 上式中 Katg2450

2对以上各式中的C、、值可取各层土的参数Ci、i、i按其厚度的加权平均值求出，如下：

C C1h1C2h2C3h3C4h4h1h2h3h419.3KPa

1h12h23h34h4h1h2h3h4160

计算内力，步骤如下：

160020450.62 Kalg45lg222 Pq P11 P1KaQ0.622012.4KPa

KaZ10.6218.43.2437.9KPa

P11Pq37.912.450.3KPa

土钉的设计内力为： N1P50.31.22cos130116.1KN 1SXSZcos土钉内力作用应满足下式：

FsdN11.1d2fsy4

1.4；

式中 Fsd—土钉的局部稳定性安全系数，取Fsd N1—土钉的设计内力； 则

Fsdfsy—钢筋抗拉强度标准值，fsy340KNmm2

N11.4116.1162.5KN

2 1.1dfsy41.13.142423404169.1KN

.5KN169.1KN，满足要求。 162

31

土钉设计长度L为：

LL1La

式中 L1—土钉轴线与倾角等于斜线的交点至土钉处端点的距离； La—土钉在破坏面一侧伸入稳定土体中的长度，La d0—土钉的孔径； d—钢筋直径；

—土钉与土体之间的界面粘聚力,见下表：

表 8-1 不同土体与土钉界面粘聚力参照值 土层种类 素填土

软塑 可塑

粘性土

硬塑 坚硬

粉土

松散 稍密

砂土

中密 密实

如图所示，有三角形相似定理计算：已知OA11m，

120～160 160～200 50～70 70～90 50～100 70～90 90～120

FsdN1d0；

KPa

30～60 15～30 30～50

ABOAtg4009.23m，

ACB1170,ABO500,L1sinABOABsinACB

32

图 16 土钉长度计算

L1土钉受拔应满足下式：

FsdN1d0La 计算可知满足公式要求。

（2）第二层土钉内力N2计算（按第一层步骤计算）： N2 P2 P12 PqAB9.230sinABOsin507.94m 0sinACBsin117P2SXSZcos79.6KN

P12Pq53.9KPa

KaZ243.3KPa Kaq10.6KPa

FsdN2 FsdN2116.1KN1.1d2fsy4169.1KN，满足要求。 116.1KNd0La121.6KN,满足要求。

第一、二层土钉剖面图如下：

33

图 17 一、二层土钉大致图列

（3）同理求得各层的参数如下，见表

表 8-2 3～10层土钉计算参数

土钉内力

土钉内力

土钉钢筋抗拉力（KN）

3 4 5 6 7 8 9 10

96.9 110.8 113.6 112.9 112.9 112.9 112.9 112.9

116.3 133.0 136.3 135.5 135.9 135.5 135.5 135.5

169.1 169.1 169.1 169.1 169.1 169.1 169.1 169.1

10 9.7 8.7 7.9 7.0 6.3 6.1 5.5

11 10 10 9 7 7 6 6

5.2 5.0 5.2 6 4.9 5.6 5.8 5.4

143.7 138.2 143.7 165.8 135.5 1.8 160.3 149.3

计算土钉

设计土钉

La （m） 土钉抗拔

力（KN）

土钉层数 N（KN） Fsd N (KN) 长度（m） 长度（m）

8.2.3土钉外部稳定性分析

（1）滑动稳定性验算

求主动土压力合力及其作用点，如图所示。

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Ea1 Ea2 Ea0.5H0.5KaH0.5130.50.6218.413240.87KPa

220.5H0.5KaH0.5130.50.6218.413482KPa Ea1SVEa2Shh240.871.248225.5227.8KPa

0因土钉与水平面的夹角我13，所以可求得Eax和Eay为： Eax EayEacos227.8cos130222KN

Easin227.8sin13051.24KN

抗滑动安全系数Kh应满足： KhGE

ayEay式中 G—挡土墙自重力，KN；

Eax,Eay—作用与档土墙背面的主动土压力的水平分力和垂直分力，KN； —土对挡土墙底部的摩擦系数，按规范取0.4。

.8KN G0.59.88.51318.412152所以

Kh2152.80.42533.491.3

(2)倾覆稳定性验算

挡土墙的倾覆稳定性是以稳定性力矩与倾覆性力矩的比值Kq来表示的，即：

GbEaya Kq1.5

Eaxh式中 Kq—抗倾覆安全系数；

h—Eax到墙外下脚的力臂长h5.25m； a,b—分别为对墙外下脚的力臂；

018004510.18m aHtg4513tg22

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GABCDbGABE得： b4.13m 因此可求得Kq为： Kq满足要求。

2BEECGAECDBE 322152.84.139.82535.2571 1.5

8.3施工设备

（1）电动机驱动的空压及主要技术参数 型号Xp750；排气量21.5m3min；排气压力0.86Mp；驱动机型号Y315-4；电动机

驱动功180KN；驱动机转速1480r/min；重量4300Kg；外型尺寸4100mm*1900mm*1950mm。 （2）混凝土喷射机主要技术参数 型号HpjIII；生产能力5m耗气量8m33输料管直径50mm；砾料直径20mm；输送距离200m；min；

h；电动机功率3.5KN；重量1000Kg；外型2200mm*780mm*1600mm。

（3）UBJ-1.2 系列挤压式水泥浆泵主要技术参数

泥浆流量1.2m3h；电源电压380V；发电机功率1.5 KN；最高输送距离25m；水平输送

距离80m；额定工作压力1.2Mp；重量185Kg；外型1220mm*662mm*1035mm。

8.4土钉施工

（1）土钉支护施工前应确定基坑开挖线、轴线定位点、水准基点、变形观测点等，并在设置后加以妥善保护；

（2）土钉支护施工应按施工组织设计制定的方案和顺利进行，仔细安排土方开挖、出土和支护等工序并使之密切配合；

（3）土钉的施工机具和施工工艺按下列要求选用 1）成孔机具选用洛阳铲；

2）注浆泵的规格、压力和输浆量满足施工要求；

3）混凝土喷射机的输送距离满足施工要求，供水设施保证喷头处有足够的水量和水压；

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4）空压机应满足喷射机工作风压和风量要求，一般可选用风量以上，风压大于的空压机。

8.5土钉支护施工流程

工艺流程

休整坡面→放线定孔位→洛阳铲成孔→置筋→堵孔注浆→绑扎；

固定钢筋网→压筋→插排水管→喷射砼→坡面养护

8.5.1开挖工作面

（1）土钉支护应按照设计规定的分层开挖深度（每层开挖1.2m），按作业顺序施工，再完成上层作业面的土钉与喷射混凝土以前，不得进行下层的开挖，允许在距离四周壁10 的基坑中部自由开挖，但注意与分层作业区的开挖相协调；

（2）当用机械进行开土方作业时，严禁边壁出现超挖或造成边壁土体松动，基坑边壁宜采用小机械进行清坡，以保证边坡平整并符合设计规定的坡度；

（3）支护分层开挖深度和施工作业顺序保证修整后的裸边坡能在规定的时间内保持自立并在限定的时间内完成支护，即及时进行设置土钉和喷射混凝土，基坑水平开挖可分段进行，一般取15～25m。 8.5.2土钉设置

（1）土钉成孔前，应按设计要求定出孔位并作出标记和编号。孔位的允许差大于150mm，钻孔的倾角误差不大于3º ，孔深允许差100mm；

（2）成孔过程中应做好成孔记录，按土钉编号逐一记载取出土体的特征、成孔质量、事故处理；

（3）土钉钢筋置入孔之前，应先设置定位支架，保证钢筋处于钻孔的中心部位，支架沿土钉长间距2.5，支架为金属焊接； （4）土钉设置后采用压力注浆

1）首先把注浆管放入孔底，在注浆的同时将注浆管缓慢撤出，导管的出浆口始终处在浆体的表面一下，保证空中气体能全部排除；

2）向孔内注入浆体的充盈系数必须大于1，这里取1.1，每次向孔内注浆时，宜预告计算所需的浆体体积并根据注浆泵的冲程数求出实际的孔内注入的浆体体积，以确认实际注

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浆量超过孔的体积；

3）注讲用纯水泥沙浆的水灰比为1：1（重量比），浆体应搅拌均匀并立即使用，开始注浆前、中途停顿或作业完毕后必须用清水冲洗管路；

4）当土钉钢筋端部通过锁定筋与面层内的加强筋及钢筋网连接时，其相互之间焊接； 5）用于注浆的砂浆强度应用70mm×70mm×70mm立方块试件，经标准养护后测定，每批至少留取3 组。 8.5.3喷射混凝土面层

（1）在喷射混凝土前，面层内的钢筋片应牢固固定在边壁上并符合规定的保护层厚度要求，钢筋网可用加强钢筋和土钉固定，在混凝土喷射应不出现震动；

（2）钢筋网片可用焊接或绑扎而成，网格允许误差，钢筋网铺设时每边的搭接长度不小于网钢筋直径的10 倍；

（3）采用干法施工，保证喷射混凝土的水灰比和质量达到设计要求，喷射前、应对机械设备、风管、水管路和电路进行全面检查及运转；

（4）喷射混凝土的喷射顺序应自下而上喷层与受喷面距离宜控制在0.8—1.5范围内，射流方向垂直指向喷射面，但在钢筋部位，应先喷钢筋后方、然后在喷填钢筋前防止钢筋背面出现方空隙；

（5）为了保证施工时的喷射混凝土厚度达到规定值，可在边壁上垂直打入的钢筋段作为标记，再继续进行下部喷射混凝土作业时应仔细清除施工预留缝接合面上的浮浆层和松散碎屑，并喷水使之潮湿；

（6）喷射混凝土施工结束后2 小时，采取连续喷水养护5～7 天；

（7）喷射混凝土强度可用边长100mm立方块进行测定，制作试块时应将浅模底面紧贴边壁，从策向喷入混凝土，每批砂取3 组（每组3 块）试件。 8.5.4土钉现场试验

（1）土钉支护必须进行土钉的现场抗拔试验，一般应在专门设置的非工作钉上进行抗拔试验直至破坏来确定极限荷载，并据此估计土钉的界面极限黏结强度；

（2）每一层土中少有3 个专门用于测试的非工作钉，测试钉除其总长度可与工作钉有区别外，应与工作钉采取相同的施工工艺制作，其孔径注浆材料参数以及施工方法等应与工

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作钉完全相同，测试钉的黏结长度一般不小于工作钉的二分之一且不短于5 米，在满足钢筋不发生屈服并最终发生拔出破坏的前提下宜取较长的黏结段，必要适当加大钢筋的直径，为消除加载试验时支护面层变形对黏结面强度的影响，测试钉在距离孔口处应保留不小于1 米长的非黏结段，再试验结束后在回填；

（3）土钉的现场抗拔试验宜用穿孔液压千斤顶加载土钉，千斤顶测力杆三者应在同一轴线上，千斤顶的支架可设置在喷射混凝土的面层上加载时用油压表大体控制加载值并由测力杆加以计算，土钉的拔出位移量用百分表（精度不小于0.02mm，量程不小于50mm）测量，百分表的支架应远里混凝土面层着力点；

（4）测试钉进行抗拔试验时的注浆体抗压强度一般不小于6，试验采用分级连续加载，首先施加少量初始荷载（不大于土钉设计荷载的1/10）使加载装置保持稳定，以后的每级荷载增量不超过荷载的20%，再每级荷载施加完毕后记下位移读数并保持荷载稳定不变，继续记录以后1610 的位移读数。再同级荷载下10与1的位移量小于1mm，即可立即施加下级荷载，否则应保持荷载不变继续测读153060时的位移，此时若60与6的位移增量小于2mm，可立即进行下级加载，否则认为达到极限荷载；

（5）极限荷载下的总位移必须大于测试钉非黏结长度，取土钉弹性伸长理论计算值的80%，否则这一测试数据无效；

（6）上述试验可进行到破坏，但此时所加的最大试验荷载值应使土钉界面黏结应力的设计值超出设计计算所用的标准值的1.25倍。

9现场管理

（1）严格遵守施工程序，把每道施工环节均按图纸及要求进行。 （2）严格把好材料质量关，特别是钢筋、水泥、沙石等质量应符合要求。 （3）加强监督，每进行一道工艺都要严格检查，发现问题及时处理。

（4）施工过程中基坑周边严禁堆载超过设计荷载值，局部地段需另行加固（如车道、混凝土泵车停放位置等）。

（5）土方开挖前，建设单位应邀请专业监测单位对基坑的为宜定时监测，发现异常情况及时采取措施。

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10监测

10.1监测目的

为了确保基坑开挖的安全和本工程地下结构施工的顺利进行，应该及时获取基坑开挖过程中支护结构和周围土体的受力与变形信息，以求事先掌握基坑开挖的影响情况，为地下室顺利施工提供指导，进行“信息化”施工。

10.2监测内容

基坑开挖前应请相关专业单位对基坑周边建筑物缺陷及沉降情况做一次全面的检查和记录。根据本工程的实际情况，在基坑开挖过程中提出以下几点监测内容：

基坑周边深层土体位移监测，设置12只测斜管（仪）。

W1W12W2W3W4W5基坑W11W6W7W10W9图 18 监测点分布图

W8 10.3监测要求

（1）基坑监测应委托有丰富经验的专业监测单位实施，监测单位应根据设计文件和周边环境的特点编制监测方案，监测方案应得到建设、设计及监理方的认可。

（2）首次观测成果是各周期观测值的初始值，应具有比各周期观测成果更准确可靠的观测精度，宜采取适当增加测回数的措施。

（3）应定期对使用的基准点或工作基点进行稳定性检测，点位稳定后，检测周期可适当延长，当对变形结果发生怀疑时，应随时进行核查。观测前，对所有仪器设备必须按有关规定进行校验，并做好记录。全站仪测量网、站及测回路线等应事先做设计。

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（4）使用同一仪器和设备，固定观测人员。采用相同的观测路线和观测方法。尽可能在基本相同的环境和条件下工作。

（5）监测数据一般应当天口头提供给监理单位，次日填入规定的表格提供给建设、设计、监理、施工等相关单位，挖土到坑底时应增加监测次数。

（6）每天的数据应整理成有关表格并绘制成相关曲线，并每天提供一次，如位移沿深度的变化曲线，位移及沉降随时间的变化曲线等。

（7）监测记录必须有相应的施工工况描述，应说明观测时的气象情况、施工进度和荷载变化，以供稳定性分析参考。

（8）监测人员对监测值的发展和变化应有评述，当接近报警值时应及时通报监理，提醒有关部门注意。

（9）工程结束时应有完整的监测报告，报告应包括全部监测项目，监测值全过程的发展和变化情况、相应的工况、监测最终结果及评述。

10.4监测安排

在开挖前布设测量基准点，并且在进行测回设计后方可实施。在基坑开挖以前，观测2-3次，在观测结果排除异常情况后的平均值作为各周期观测的初始值；在基坑开挖到底板浇筑完毕期间，每天观测一次；当达到或接近监测警戒值时，增加观测次数。在浇筑完底板至+0.00，可经每2天或更长观测一次。

10.5监测报警

按地区经验，本基坑监测报警值参照上海基坑工程设计规程表12.2.2.3的规定报警值确定为：

深层土体最大位移50mm或位移日速率连续三天大于5mm/d。道路沉降观测最大沉降20mm或日速率连续三天大于3mm/d。

当超过报警值时，应及时通知建设、设计、监理、施工等单位，以便采取应急措施。

11应急措施

为确保基坑围护及周边建（构）筑物的安全，施工现场应备充足的编织袋、碎石或砂、木桩（300根）等应急材料，基坑开挖施工时应根据现场监测数据及围护结构变形等实际情

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况，采取以下应急措施：

（1）有卸土条件地段，立即在基坑外卸土减载，减轻挡墙的側压力。

（2）围护结构发生较大位移，或工程桩出现较大水平位移时，且在坡顶或墙后土体中出现裂缝和沉降时，或坑内土体涌起，采取措施除卸土外，应在坡脚或墙前抛土石方或砂（碎石）袋反压，必要时补打土锚或木桩，然后分段铺设垫层。

（3）对砖间漏土可用砖砌堵漏。

在采取以上应急措施的同时，必须积极创造条件，昼夜突击，尽快铺设基坑底的混凝土垫层，特别是靠近坑边的混凝土垫层，以提高基坑抵抗土体变形的整体能力。

12总结与展望

近20年来，随着我国国民经济的快速发展和人民生活水平的提高，各项建设工程以前所未有的规模和速度发展，在很大程度上改变了我国的城乡面貌。同时我国城市建设向高空和地下发展，交通设施向多层次立体化发展，深基础工程已经成为建筑业近年来的一大技术热点。

基坑工程是近年来土木工程领域新发展起来的一门新学科，它包括基坑支护结构的设计和施工、地下水控制、基坑土方开挖、工程监测和周围环境保护等。

基坑支护技术涉及工程地质、土力学、基础工程学、结构力学、水力学、原位测试技术及施工技术等学科。另外基坑工程实践性强，影响基坑工程的不确定因素多。如土工参数的准确性、气候影响、计算假定、施工条件和队伍的素质等;周围环境的多样性，如邻近房屋的结构和基础形式、结构现状和重要程度;地下各种管线的种类、距离、埋深、材质和接头形式;周围道路情况及其重要性等，都使基坑工程成为风险性较大的综合反映了一个国家在建筑施工方面的技术水平。因此，深基坑支护技术已成为当今土木工程领域最为复杂的技术之一。

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