1K413022 深基坑支护结构与边境防护

这是一篇关于1K413014 城市轨道交通的轨道结构的思维导图，主要内容有一、围护结构二、支撑结构类型三、边坡防护等。

1K413022 深基坑支护结构与边境防护

• 基坑工程是由地面向下开挖一个地下空间，深基坑四周一般设置垂直的挡土围护结构，围护结构一般是在开挖面基底下有一定插入深度的板(桩)墙结构。板(桩)墙有悬臂式、单撑式、多撑式。支撑结构起减小围护结构变形，控制墙体弯矩的作用，分为内撑和外锚两种形式。以下主要以地铁车站基坑为主介绍基坑开挖支护与边坡防护。
  • 一、围护结构
    • (一)基坑围护结构体系
      • (1)基坑围护结构体系包括板(桩)墙、围攘(冠梁)及其他附属构件。板(桩)墙主要承受基坑开挖卸荷所产生的土压力和水压力，并将此压力传递到支撑，是稳定基坑的一种施工临时挡墙结构。
      • (2)地铁基坑所采用的围护结构形式很多，其施工方法、工艺和所用的施工机具也各异，因此，应根据基坑深度、工程地质和水文地质条件、地面环境条件等(特别要考虑到城市施工特点) ，经技术经济综合比较后确定。
    • (二)深基坑围护结构类型
      • (1)在我国应用较多的有排桩、地下连续墙、重力式挡墙，以及这些结构的组合形式等。
      • ( 2 )不同类型围护结构的特点见表lK413022-1 。
    • 1 )预制棍凝土板桩:
      • 常用钢筋混凝土板桩截面的形式有四种:矩形、T 形、工字形及口字形。矩形截面板桩制作较方便，桩间采用槽梅接合方式， 接缝效果较好，是使用最多的一种形式T 形截面由翼缘和加劲肋组成，其抗弯能力较大，但施打较困难，翼缘直接起挡土作用，加劲肋则用于加强翼缘的抗弯能力，并将板桩上的侧压力传至地基土，板桩间的搭接一般采用踏步式止口;工字形薄壁板桩的截面形状较合理，因此受力性能好、刚度大、材料省，易于施打，挤土也少;口字形截面一般由两块槽形板现浇组合成整体，在未组合成口字形前，槽形板的刚度较小。
      • 预制混凝土板桩施工较为困难，对机械要求高，且挤土现象很严重，加之混凝土板桩一般不能拔出，因此，它在永久性的支护结构中使用较为广泛，但国内基坑工程中使用不很普遍。
    • 2) 钢板桩与钢管桩:
      • 钢板桩强度高，桩与桩之间的连接紧密，隔水效果好，具有施工灵活、板桩可重复使用等优点，是基坑常用的一种挡土结构。但由于板桩打人时有挤土现象，而拔出时则又会将土带出，造成板桩位置出现空隙，这对周边环境都会造成一定影响。而且板桩的长度有限，其适用的开挖深度也受到限制， 一般最大开挖深度在7~8m 。板桩的形式有多种，拉森型是最常用的，在基坑较浅时也可采用大规格的槽钢(采用槽钢且有地下水时要辅以必要的降水措施) 。采用钢板桩作支护结构时在其上口及支撑位置需用钢围攘将其连接成整体，并根据深度设置支撑或拉锚。
      • 钢板桩断面形式较多，常用的形式多为U 形或Z 形。我国地下铁道施工中多用U 形钢板桩，其沉放和拔除方法、使用的机械均与工字钢桩相同，但其构成方法则可分为单层钢板桩、双层钢板桩及帷幕等。由于地铁施工时基坑较深，为保证其垂直度且方便施工，并使其能封闭合龙，多采用帷幕式构造。
      • 钢板桩与其他排桩围护相比，一般刚度较低， 这就对围攘的强度、刚度和连续性提出了更高的要求。其止水效果也与钢板桩的新旧、整体性及施工质量有关。在含地下水的砂土地层施工时，要保证齿口咬合， 并应使用专门的角桩，以保证止水效果。
      • 为提高钢板桩的刚度以适用于更深的基坑， 可采用组合式形式， 也可用钢管桩。但钢管桩的施工难度相比于钢板桩更高， 由于锁口止水效果难以保证， 需有防水措施相配合。
    • 3 )钻孔灌注桩围护结构:
      • 钻孔灌注桩一般采用机械成孔。1 地铁明挖基坑中多采用螺旋钻机、冲击式钻机和正反循环钻机、旋挖钻等。对正反循环钻机，由于其采用泥浆护壁成孔， 故成孔时噪声低，适于城区施工， 在地铁基坑和高层建筑深基坑施工中得到广泛应用。
      • 对悬臂式排桩，桩径宜大于或等于600mm; 对拉锚式或支撑式排桩，桩径宜大于或等于400mm ; 排桩的中心距不宜大于桩直径的2 倍。桩身泪凝土强度等级不直低于C25 。
      • 排桩顶部应设置?昆凝土冠梁。混凝土灌注桩宜采取间隔成桩的施工顺序;应在混凝土终凝后，再进行相邻桩的成孔施工。
      • 钻孔灌注桩围护结构经常与止水帷幕联合使用， 止水帷幕一般采用深层搅拌桩。如果基坑上部受环境条件限制时，也可采用高压旋喷桩止水帷幕， 但要保证高压旋喷桩止水帷幕施工质量。近年来， 素混凝土桩与钢筋混凝土桩间隔布置的钻孔咬合桩也有较多应用，此类结构可直接作为止水帷幕。
    • 4) SMW 工法桩(型钢水泥土搅拌墙) :
      • SMW 工法桩围护墙是利用搅拌设备就地切削土体， 然后注人水泥类混合液搅拌形成均匀的水泥土搅拌墙，最后在墙中插入型钢， 即形成一种劲性复合围护结构，具体施工工艺流程见图lK413022-1 。此类结构在上海等软土地区有较多应用。型钢涂减摩材料
      • 型钢水泥土搅拌墙中三轴水泥土搅拌桩的直径宜采用650mm 、850mm 、l000mm; 内插的型钢宜采用H 形钢。搅拌桩28d 龄期无侧限抗压强度不应小于设计要求且不宜小于0. 5MPa ， 水泥宜采用强度等级不低于P • 042.5 级的普通硅酸盐水泥，材料用量和水胶比应结合土质条件和机械性能等指标通过现场试验确定。在填土、淤泥质土等特别软弱的土中以及在较硬的砂性土、在!、砾土中， 钻进速度较慢时， 水泥用量宜适当提高。在砂性土中搅拌桩施工宜外加膨润土。
      • 当搅拌桩直径为650mm 时，内插H 形钢截面宜采用H500X300 、H500X200; 当搅拌桩直径为850mm 时，内插H 形钢截面宜采用H700X300; 当搅拌桩直径为1000mm 时，内插H 形钢截面宜采用H800X300 、H850X300。型钢水泥土搅拌墙中型钢的间距和平面布置形式应根据计算确定，常用的内插型钢布置形式可采用密插型、插二跳一型和插一跳一型三种。单根型钢中焊接接头不宜超过两个，焊接接头的位置应避免设在支撑位置或开挖面附近等型钢受力较大处;相邻型钢的接头竖向位置宜相互错开，错开距离不直小于1m ，且型钢接头距离基坑底面不宜小于2m 。拟拔出回收的型钢，插入前应先在干燥条件下除锈，再在其表面涂刷减摩材料。
    • 5 )重力式水泥土挡墙:
      • 深层搅拌桩是用搅拌机械将水泥、石灰等和地基土相拌合，形成相互搭接的格栅状结构形式，也可相互搭接成实体结构形式。采用格栅形式时，要满足一定的面积转换率，对淤泥质土，不宜小于0.7; 对淤泥，不宜小于0.8; 对一般教性土、砂土，不宜小于0.6 。
      • 由于采用重力式结构，开挖深度不宜大于7m。对嵌固深度和墙体宽度也要有所限制，对淤泥质土，嵌固深度不宜小于1. 2h (h 为基坑挖深) ，宽度不宜小于0.7h; 对淤泥，嵌固深度不宜小于1. 3h ， 宽度不宜小于0.8h。
      • 水泥土挡墙的28d 无侧限抗压强度不宜小于0.8MPa。当需要增加墙体的抗拉性能时，可在水泥土桩内插入钢筋、钢管或毛竹等杆筋。杆筋插入深度宜大于基坑深度，并应锚人面板内。面板厚度不宜小于150mm ，混凝土强度等级不宜低于C15 。
    • 6) 地下连续墙:
      • 地下连续墙主要有预制钢筋混凝土连续墙和现浇钢筋混凝土连续墙两类，通常地下连续墙一般指后者。地下连续墙有如下优点:施工时振动小、噪声低，墙体刚度大，对周边地层扰动小;可适用于多种土层，除夹有孤石、大颗粒卵砾石等局部障碍物时影响成槽效率外，对教性士、无知性土、卵砾石层等各种地层均能高效成槽。
      • 地下连续墙施工采用专用的挖槽设备，沿着基坑的周边，按照事先划分好的幅段，开挖狭长的沟槽。目前使用的成槽机械，按其工作原理可分为抓斗式、冲击式和回转式等类型。地下连续墙的一字形槽段长度宜取4~6m。当成槽施工可能对周边环境产生不利影或槽壁稳定性较差时，应取较小的槽段长度。必要时，宜采用搅拌桩对槽壁进行加固;地下连续墙的转角处或有特殊要求时，单元槽段的平面形状可采用L 形、T 形等。
      • 地下连续墙的槽段接头应按下列原则选用:
        • ①地下连续墙直采用圆形锁口管接头、波纹管接头、模形接头、工字钢接头或混凝土预制接头等柔性接头。
        • ②当地下连续墙作为主体地下结构外墙，且需要形成整体墙体时，宜采用刚性接头;刚性接头可采用一字形或十字形穿孔钢板接头、钢筋承插式接头等;在采取地下连续墙顶设置通长的冠梁、墙壁内侧槽段接缝位置设置结构壁柱、基础底板与地下连续墙刚性连接等措施时，也可采用柔性接头。
      • 导墙是控制挖槽精度的主要构筑物，导墙结构应建于坚实的地基之上， 其主要作用有:
        • ①挡土:在挖掘地下连续墙沟槽时，地表土松软容易拥陷，因此在单元槽段挖完之前，导墙起挡土作用。
        • ②基准作用:导墙作为测量地下连续墙挖槽标高、垂直度和精度的基准。
        • ③承重:导墙既是挖槽机械轨道的支承，又是钢筋笼接头管等搁置的支点，有时还承受其他施工设备的荷载。
        • ④存蓄泥浆:导墙可存蓄泥浆，稳定槽内泥浆液面。泥浆液面始终保持在导墙面以下20cm ，并高出地下水位1m ，以稳定槽壁。
        • ⑤其他:导墙还可防止泥浆漏失，阻止雨水等地面水流人槽内;地下连续墙距现有建(构)筑物很近时在施工时还起到一定的补强作用。
        • 导墙一般为现浇钢筋混凝土结构，应具有必要的强度、刚度和精度，要满足挖槽机械的施工要求。确定导墙形式时应考虑下列因素:开挖范围的地质条件， 荷载情况，地下连续墙施工时对邻近建(构)筑物可能产生的影响，地下水状况。当施工作业面在地面以下(如在路面以下施工)时还要考虑对先施工临时支护结构的影响。
  • 二、支撑结构类型
    • (一)支撑结构体系
      • (1) 内支撑有钢撑、钢管撑、钢筋混凝土撑及钢与钢筋混凝土的泪合支撑等;外拉锚有拉锚和士锚两种形式。
      • (2)在软弱地层的基坑工程中，支撑结构承受围护墙所传递的土压力、水压力。支撑结构挡土的应力传递路径是围护(桩)墙→围模(冠梁)→支撑;在地质条件较好的有锚固力的地层中，基坑支撑可采用土锚和拉锚等外拉锚形式。
      • ( 3 )在深基坑的施工支护结构中，常用的支撑系统按其材料可分为现浇钢筋混凝土支撑体系和钢支撑体系两类，其形式和特点见表1K41 3022-2 。
    • ( 二) 支撑体系的布置及施工
      • 1.内支撑体系的布置原则
        • (1)宜采用受力明确、连接可靠、施工方便的结构形式。
        • (2 )宜采用对称平衡性、整体性强的结构形式。
        • ( 3 )应与主体结构的结构形式、施工顺序协调， 以便于主体结构施工。
        • ( 4) 应利于基坑土方开挖和运输。
        • ( 5 )有时，可利用内支撑结构施做施工平台。
      • 2 . 内支撑体系的施工
        • (1)内支撑结构的施工与拆除顺序应与设计一致， 必须坚持先支撑后开挖的原则。
        • (2 )围模与围护结构之间紧密接触，不得留有缝隙。如有间隙应用强度不低于C30 的细石混凝土填充密实或采用其他可靠连接措施。
        • ( 3 )钢支撑应按设计要求施加预压力，当监测到预加压力出现损失时，应再次施加预压力。
        • (4 ) 支撑拆除应在替换支撑的结构构件达到换撑要求的承载力后进行。当主体结构的底板和楼板分块浇筑或设置后挠带时，应在分块部位或后浇带处设置可靠的传力构件。支撑拆除应根据支撑材料、形式、尺寸等具体情况采用人工、机械和爆破等方法。
  • 三、边坡防护
    • (一) 基坑边(放)坡
      • ( 1 )地质条件、现场条件等允许时，通常采用放坡开挖基坑形式修建地下工程或构筑物的地下部分。此时保持基坑边坡的稳定是非常重要的，当基坑边坡土体中的剪应力大于土体的抗剪强度时， 边坡就会失稳拥塌。一旦边坡拥塌，不但地基受到扰动， 影响承载力， 而且也影响周围地下管线、地面建筑物、交通和人身安全。
      • (2 )基坑放坡基本要求:
        • 放坡应以控制分级坡高和坡度为主，必要时辅以局部支护和防护措施，放坡设计与施工时·应考虑、雨水的不利影响。
        • 当条件许可时，应优先采取坡率法控制边坡的高度和坡度。坡率法是指无须对边坡整体进行加固而自身稳定的一种人工边坡设计方法。土质边坡的坡率允许值应根据经验，按工程类比原则并结合已有稳定边坡的坡率值分析确定。
      • ( 3 )基坑边坡稳定控制措施:
        • 1 )根据土层的物理力学性质及边坡高度确定基坑边坡坡度，并于不同土层处做成折线形边坡或留置台阶。
        • 2) 施工时严格按照设计坡度进行边坡开挖，不得挖反坡。
        • 3 )在基坑周围影响边坡稳定的范围内，应对地面采取防水、排水、截水等防护措施，禁止雨水等地面水浸人土体， 保持基底和边坡的干燥。
        • 4 )严格禁止在基坑边坡坡顶较近范围堆放材料、土方和其他重物以及停放或行驶较大的施工机械。
        • 5 )对于土质边坡或易于软化的岩质边坡，在开挖时应及时采取相应的排水和坡脚、坡面防护措施。
        • 6 )在整个基坑开挖和地下工程施工期间，应严密监测坡顶位移，随时分析监测数据。当边坡有失稳迹象时\应及时采取削坡、坡顶卸荷、坡脚压载或其他有效措施。
      • ( 4 )护坡措施:
        • 放坡开挖时应及时作好坡脚、坡面的防护措施。常用的防护措施有:
          • 1 )叠放砂包或土袋:用草袋、纤维袋或土工织物袋装砂(或土) ，沿坡脚叠放一层或数层，沿坡面叠放一层。
          • 2) 水泥砂浆或细石?昆凝土抹面:在人工修平坡面后，用水泥砂浆或细石泪凝土抹面，厚度宜为30~50mm ，并用水泥砂浆砌筑砖石护坡脚，同时，将坡面水引人基坑排水沟。抹面应预留泄水孔，泄水孔间距不宜大于3~4m 。
          • 3 )挂网喷浆或混凝土:在人工修平坡面后，沿坡面挂钢筋网或钢丝网，然后喷射水泥砂浆或细石混凝土，厚度宜为50 ~ 60mm ，坡脚同样需要处理。
          • 4) 其他措施:包括锚杆喷射混凝土护面、塑料膜或土工织物覆盖坡面等。
    • (二)长条形基坑开挖与过程放坡
      • (1)地铁车站等构筑物的长条形基坑在开挖过程中通常考虑纵向放坡，其目的: 一是保证开挖安全，防止滑坡(见图1K413022-4) j 二是保证出土运输方便。
      • (2)坑内纵向放坡是动态的边坡，在基坑开挖过程中不断变化，其安全性在施工时往往被忽视，非常容易产生滑坡事故。纵向边坡一旦拥塌，就可能冲断横向对撑并导致基坑失稳， 酿成安全质量事故。
      • ( 3 )应编制开挖方案，慎重确定放坡坡度。在施工期间，特别是雨天必须制定监护与保护措施。软土地区施工经验表明，降雨可能使土坡的安全系数降低40% ~ 50% (见图1K413022-5 ) ， 应严密监护，做好坡面的保护工作，必要时可事先在放坡处加固土体，严防主坡失稳。
  • 【案例lK413022 】
    • 1.背景
      • 某明挖基坑工程基坑挖深为5.5m ， 地下水在地面以下1. 5m 。坑壁采用网喷混凝土加固。基坑附近有高层建筑物及大量地下管线。设计要求每层开挖1.5m ， 即进行挂网喷射混凝土加固。由于在市区的现场场地狭小， 项目负责人(经理)决定把钢材堆放在基坑坑顶附近;为便于出土， 把开挖的弃土先堆放在基坑北侧坑顶， 夜间装人自卸汽车运出。由于工期紧张， 施工中每层开挖深度增大为2 . 0m ，以加快基坑挖土加固施工的进度。在开挖第二层土时，基坑变形量显著增大，变形发展速率越来越快。随着开挖深度的增加，坑顶地表面出现许多平行基坑裂缝，但施工单位对此没有在意，继续按原方案开挖。当基坑施工至5m 深时，基坑出现了明显的明塌征兆， 项目负责人(经理)决定对基坑进行加固处理，组织人员在坑内抢险，但为时过晚，最终出现基坑拥塌多人死亡的重大事故，并造成了巨大的经济损失。
    • 2. 问题
      • (1)按照《建筑基坑支护技术规程} JGJ 120-2012 ，本基坑工程支护结构安全等级应属于哪一级?
      • (2 )本工程基坑应重点监测哪些内容?当出现本工程发生的现象时，监测工作应做哪些调整?
      • ( 3 )本工程基坑施工时存在哪些重大工程事故隐患?
      • (4 )项目负责人(经理)在本工程施工时犯了哪些重大错误?
    • 3 参考答案
      • (1)本工程基坑周围有高层建筑和大量地下管线， 如果支护结构破坏、土体失稳或变形过大会对周边环境影响很严重。按照《建筑基坑支护技术规程~ JG门20-2012 第3 . l. 3条，基坑支护结构的安全等级应定为一级。
      • ( 2 )基坑开挖卸载必然引起基坑侧壁水平位移，基坑侧壁水平位移越大，坑后土体变形越大。过大的侧壁水平位移必然会造成建筑物沉降及管线变形。因此，任何环境保护要求高的基坑，侧壁水平位移都是监测的重点。
      • 本工程基坑周围建筑物及地下管线是基坑环境保护的主要内容，其变形也应该是基坑监测的重点。
      • 本工程地下水位在坑底以上，必须采取降水措施。施工时需要监测地下水位，因此，地下水位也应该是监测的重点。
      • 另外，地下水中的承压水对基坑的危害很大，尤其要注意接近坑底的浅层承压水对基坑的影响。如果承压水上面有不透水层，随着基坑开挖，当承压水层上部土重不能抵抗承压水水头压力时，基坑坑底会出现突然的隆起，极容易引起基坑事故。如果坑底存在承压水层时，坑底隆起也是基坑监测的重点内容。但由于基坑开挖施工，直接监测坑底隆起并不容易，可以通过监测埋设在坑底的立柱上浮间接监测坑底隆起。
      • 当基坑变形超过有关标准或监测结果变化速率较大时，应加密观测次数，当有事故征兆时，应连续监测。本工程应加密观测次数，如果变形发展较快应连续监测。
      • ( 3 )本工程施工中存在的重大事故隐患:不按设计要求加大每层开挖深度是引发事故的主要原因之一，基坑设计应该根据设计工况对基坑开挖提出要求;不按设计要求施工，在施工时超挖极容易引起基坑事故。在基坑顶大量堆荷是引发基坑事故的另一重要原因，背景介绍中未提及考虑这些荷载的安全性设计验算，因此把大量钢材及弃土堆集于坑顶也是重大事故隐患。
      • ( 4 )对于基坑变形量显著增大，变形发展速率越来越快现象，项目部应该对基坑进行抢险，对基坑做必要的加固和卸载;并且应调整设计和施工方案。基坑危险征兆没有引起注意，仍按原方案施工是施工项目负责人(经理)的一大失误。当基坑变形急剧增加，基坑已经接近失稳的极限状态，种种迹象表明基坑即将明塌时，项目负责人(经理)应以人身安全为第一要务，人员要及早撤离现场。组织人进入基坑内抢险，造成人员伤亡是项目负责人(经理)指挥的一个重大错误。