深基坑支护结构

基坑支护结构在基坑挖土期间既挡土又挡水，以保证基坑开挖和基础施工能够安全进行，避免对周围的建筑物、道路和地下管线等产生危害。

支护结构一般是临时性结构，基础施工完毕后便失去作用。钢板桩、型钢支护木挡板等可以回收重复利用。更多的支护结构就永久埋在地下，其中，有作特殊用途的地下连续墙在基础施工完毕后可以考虑作为结构物的一个组成部分，因此，支护结构既要确保基础安全、顺利地施工，又要考虑施工方便、经济合理。

支护结构包括挡墙与支撑（拉锚）两部分。按照受力不同可以分为重力式支护结构和非重力式结构、边坡稳定式支护。

1.重力式支护挡墙

（1）深层搅拌水泥土桩挡墙。该法是用特制进入土层深处的深层搅拌机将喷出的水泥浆固化剂与地基土进行原位强制拌和形成的水泥土桩，水泥土桩相互搭接一起硬化后即形成具有一定强度的壁状挡墙，既可以挡土又可以形成隔水帷幕。如图1-17所示，平面呈现任意形状，开挖深度一般不超过6m，比较经济。水泥土的物理性质取决于水泥掺入量。

图1-17 深层搅拌水泥土桩工艺示意图

（a）定位；（b）预搅下沉；（c）喷浆搅拌上升；（d）重复搅拌下沉；（e）重复喷浆搅拌机提升；（f）完毕

（2）旋喷桩挡墙。该法是钻孔后将钻杆从地基土深处逐渐上提，与此同时，利用钻杆端部的旋转喷嘴，将水泥浆固化剂高压喷入地基土中形成水泥土桩，桩体相互搭接形成挡墙。它与深层搅拌水泥土桩一样，属于重力式挡墙，只是形成水泥桩的工艺不同。在旋喷桩施工时，要控制好钻杆的上提速度、喷射压力与喷射量，以保证施工质量。

2.非重力式支护挡墙

（1）钢板桩。常用的钢板桩有槽钢钢板桩和热轧锁口钢板桩。钢板桩由大规格的槽钢并排或正反扣搭接组成。槽钢长为6～8m，型号依照计算确定。其抗弯能力较弱，多用于深度不超过4m的基坑，顶部需设置一道拉锚或支撑，以提高抗弯能力。常用钢板桩截面形式（图1-18）有U形、Z形、一字形、H形组合形。常用U形和Z形。当基坑深度较大时，常用H形组合形钢板桩，U形钢板桩可以用于5～10m的基坑。

图1-18 常用钢板桩截面形式

（a）U形钢板桩；（b）Z形钢板桩；（c）一字形钢板桩；（d）H形组合形钢板桩

钢板桩一次性投资较大、施工工期短，可以重复使用。特别在软土地区，钢板桩打设方便，有一定挡水能力，打设后可以立即开挖。钢板桩柔性较大，基坑较深、支撑工程量较大时，坑内施工难度增加，特别注意钢板用后拔桩带土，拔桩后会形成孔隙带，若处理不当将会引起土层移动，因此，会给施工结构及周边设施带来危害。

（2）H形钢支柱挡板支护挡墙。支护挡墙支柱按照一定间距打入土中，支柱之间设置木挡板或其他挡土设施（随挖土逐步加设），支柱和挡板可以回收使用，较为经济。其适用于土质较好、地下水位较低的地区，其在国内外应用较多。

（3）钢筋混凝土排桩挡墙。在开挖基坑的周边，采用钢筋混凝土钻孔灌注桩、沉管灌注桩，待混凝土达到设计要求后开挖基坑，在挖出的护壁上设置一道或几道腰梁并与支撑或拉杆连接，在桩顶部设钢筋混凝土圈梁以增强整体性。钢筋混凝土排桩挡墙刚度较大、护弯能力较强、变形相对较小，有利于保护周围建筑，价格较低，经济效益较好。但施工工艺难以做到桩之间相切，桩之间留有100～150mm的间隙，挡水能力较差，需要另做防水帷幕。目前，常在桩级相隔100mm左右处施工两排深层搅拌水泥土桩，或桩之间施工竖根桩、注浆止水。

钢筋混凝土钻孔灌注桩常用的桩径为Φ600～Φ1100，深度为7～13m的基坑，多在两层地下室及以下的深坑支护结构中优先选用；沉管灌注桩常用桩径为Φ500～Φ800，多用于深度为10m以上的基坑。

（4）地下连续墙。地下连续墙现已成为深基坑的主要支护结构挡墙之一，常用的厚度为600mm、800mm、1000mm。地下连续墙使用特殊挖槽设备，利用水泥浆护壁沿地下结构边墙开挖狭长深槽，在槽内放置预制钢筋笼并浇筑水下混凝土，筑成一段混凝土墙体，然后将若干段墙连接成整体，形成连续墙体。地下连续墙可以截水防渗或挡土承重，强度高、刚度大，不仅可以用于深基坑支护结构，而且采取一定结构构造措施后可以用作地下工程的部分结构，一定条件下大幅度减少工程总造价，并可以结合“逆作法”施工，在地下室顶板完成后，同时，进行多层地下室和地面高层房屋的施工，缩短施工总工期。

3.土层锚杆

土层锚杆是一种受拉杆件，其一端锚固在稳定的地层中，另一端与支护结构的挡墙相连接，将支护结构和其他结构所承受的荷载（土压力、水压力以及水上浮力等）通过拉杆传递到锚固体上，再由锚固体将传来的荷载分散到周围稳定的地层中去。

利用土层锚杆支护结构在基坑施工可以实现坑内无支撑，开挖土方和地下结构施工不受支撑干扰，施工作业面宽敞，在高层建筑深基坑工程中的应用已日益增多。

锚杆支护体系由支护挡墙、腰梁（围檩）及托架、锚杆三部分组成，如图1-19所示。腰梁将作用于支护挡墙的水、土压力传递给锚杆，并使各杆的应力通过腰梁得到均匀分配。锚杆由锚头、拉杆（拉索）和锚固体三部分组成。

图1-19 锚杆构造

1—锚具；2—垫板；3—台座；4—托架；

5—拉杆；6—锚固体；7—套管；8—围护挡墙

（1）土层锚杆类型。

①一般注浆圆柱体（压力为0．3～0．5MPa）。孔内注水泥浆或水泥砂浆，适用于拉力不高的临时性锚杆，如图1-20（a）所示。

②扩大的圆柱体或不规则体，采用压力注浆，压力从2MPa（二次注浆）到5MPa（高压注浆）左右，在黏土中形成较小的扩大区，在无黏性土中可以形成较大的扩大区，如图1-20（b）所示。

③孔内沿长度方向扩一个或几个扩大头的圆柱体，采用特制扩孔机械通过中心杆压力将扩张刀具缓缓张开削土成型而成，在黏性土及先黏性土中都适用，如图1-20（c）所示。

图1-20 土层锚杆类型

（2）土层锚杆的施工。土层锚杆的施工包括钻孔、拉杆安装、注浆、张拉和锚固等工作。

①钻孔。旋转式钻孔机、冲击式钻孔机、旋转冲击式钻孔机均可用于土层锚杆的钻孔，主要根据土质、钻孔深度和地下水的情况进行选择。

土层锚杆孔壁要求平直，以便安放钢拉杆和灌注水泥浆。孔壁不得坍塌和松动，不得影响钢拉杆和土层锚杆的承载能力。钻孔时，不得使用膨润土循环泥浆护壁，以免在孔壁上形成泥皮，降低锚固体与土壁之间的摩阻力。

②拉杆安装。土层锚杆用的拉杆，常用的有钢管、粗钢筋、钢丝束和钢绞线。为将拉杆安置在钻孔中心并防止入孔时搅动孔壁，应当沿拉杆每隔1．5～2m布设一个定位器。

③注浆。锚孔注浆是土层锚杆施工的重要工序之一。注浆的目的是形成锚固段，并防止拉杆腐蚀。锚杆注浆宜用强度不低于42．5级的普通硅酸盐水泥，注浆常用水胶比为0．4～0．5的水泥浆，或灰砂比为1∶1～1∶1．2、水胶比为0．38～0．45的水泥砂浆。

注浆分为一次注浆和二次灌浆。

a．一次注浆是用泥浆泵通过一根注浆管自孔底起开始注浆，待浆液流出孔口封堵，稳压数分钟后注浆结束。

　B．二次注浆是同时装入两根注浆管，两根注浆管分别用于一次注浆和两次注浆。一次注浆管注完予以回收，二次注浆用注浆管管底封堵严密，从管端起向上沿锚固段每隔1～2m做一段花管，待一次注浆初凝后，即可进行二次压力注浆。二次注浆实为劈裂注浆，二次浆液冲破一次注浆体，沿锚固体与土的界面向土体挤压劈裂扩散，使锚固体直径加大、径向压力增大，显著提高土锚的承载力。

④张拉和锚固。锚杆压力灌浆后，待锚固段的强度大于15MPa，并达到设计强度等级的75％后方可进行张拉。

4.土钉墙

土钉墙是采用土钉加固的基坑侧壁土体与护面等组成的结构。其将拉筋全部插入土体内部与土粘结，并在坡面上喷射混凝土，从而形成加筋土体加固区带，用以提高整个原位土体的强度并限制其位移，同时，增强基坑边坡坡体的自身稳定。

按照施工方法的不同，土钉墙可分为钻孔注浆型土钉墙、打入型土钉墙和射入型土钉墙三类。

（1）土钉墙的构造。土钉墙的构造如图1-21所示，构造要求如下：

①土钉墙的墙面坡度不宜大于1∶0．1；

②土钉钢筋材料宜采用16～32mm的HRB335级以上的螺纹钢筋，钻孔直径宜为70～120mm，长度为开挖深度的0．5～1．2倍，间距宜为1～2m，与水平面的夹角宜为5°～20°；

③注浆材料宜采用水泥浆或水泥砂浆，其强度不宜低于M10；

④土钉应当与面层有效连接，设置承压板或加强钢筋等构造，承压板或加强钢筋应当与土钉墙焊接连接；

⑤喷射混凝土面层中宜配置钢筋网，钢筋直径宜为6～10mm的HPB300级钢筋，间距宜为150～300mm，坡度上下段钢筋网搭接长度应当大于300mm，喷射混凝土强度等级不宜低于C20，面层厚度不宜小于80mm；

⑥土钉墙墙顶应当采用砂浆或混凝土护面，在坡顶和坡脚应当设置排水措施。

图1-21 土钉墙的构造

（2）土钉墙的特点。

①安全可靠。当基坑边坡直立高度超过临时高度，或坡顶有较大荷载以及环境因素有所变化时，都会引起基坑边坡失稳，这是由于土体自身的抗剪能力低，抗拉强度很低，而土钉墙由于在原位土体内增设一定长度与分布密度的锚固体，使之与土体牢固结合并共同工作，从而弥补了土体自身强度的不足。

土钉墙还能增强土体破坏的延性，改变基坑边坡坡破坏时突然塌方的性质，在超荷载作用下的变形特征表现为持续渐进性破坏，即使在土体内已出现局部剪切面和张拉裂缝，并随着超荷增加而扩展，但仍然可以持续很长时间不发生整体塌滑，从而为土体加固、排除险情提供充裕时间，并使相应的加固方法简单易行。

②可缩短基坑施工工期。土钉墙不同于排桩挡墙等支护体系，其可以与土方开挖同期施工，还可以与土方开挖形成流水施工。

③施工机具简单、易于推广。设置土钉采用的钻孔机具及喷射混凝土设备都属于可以移动的小型机械，它们移动灵活，振动小、噪声低，在城市地区施工具有明显优势，具有钻孔、灌浆、面层喷射混凝土等技术工艺，易于掌握，普及性强。

④经济效益较好。土钉墙材料用量远低于排桩挡墙，成本低于灌注桩支护。

（3）土钉支护的施工。土钉支护的施工过程主要包括以下几个方面：

①作业面开挖。土钉墙施工是随着工作面开挖分层施工的，每层开挖的最大深度取决于该土体可以直立而不破坏的能力，开挖高度一般与土钉竖向间距相匹配，每层开挖的纵向长度取决于交叉施工期间保持坡面稳定的坡面面积和施工流程的相互衔接程度。

②成孔。成孔采用螺旋钻、冲击钻、地质钻机等机械成孔，钻孔直径为70～120mm。成孔时，必须按照设计图纸的纵向、横向尺寸及水平面夹角的规定进行钻孔施工。

③置筋。在置筋前，最好采用压缩空气将孔内残留及扰动的废土清除干净。放置钢筋应当平直，必须除锈、除油，保证钢筋在孔中的位置，每隔2～3m在钢筋上焊置一个定位架。

④注浆。注浆采用水泥浆或水泥砂浆，水泥浆水胶比为0．38～0．5，水泥砂浆配合比为1∶0．8或1∶1．5。利用注浆泵注浆，注浆管插入距孔底0．2～0．5m处，孔口设置止浆塞，以保证注浆饱满。

⑤喷射混凝土面层。一般情况下，为了防止土体松弛和崩解，必须尽快做第一层喷射混凝土。根据地层的性质，可以在放置土钉之前做，也可以在放置土钉之后做。对于临时性支护来说，面层可以做一层，厚度为50～150mm；对永久性支护则多用两层或三层，厚度为100～300mm。两次喷射作业之间应留一定的时间间隔，第一次喷射后铺设钢筋网，并使钢筋与土钉牢固连接。为使施工搭接方便，每层下部300mm暂不喷射，并应做好45°的斜面形式。在此之后再喷射混凝土，并要求其表面平整、湿润、具有光泽，喷射完成后终凝2h后进行洒水养护3～7d。