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            深基坑支護結構與變形控制

            發布者:科勝加固

              明挖基坑施工


              知識點:深基坑支護結構與變形控制


              基坑工程是由地面向下開挖一個地下空間,深基坑四周一般設置垂直的擋土圍護結構,圍護結構一般是在開挖面基底下有一定插入深度的板(樁)墻結構;板(樁)墻有懸臂式、單撐式、多撐式。支撐結構是為了減小圍護結構的變形,控制墻體的彎矩;分為內撐和外錨兩種。本條文主要以地鐵車站為主介紹基坑開挖支護與變形控制。


              一、圍護結構


              (一)基坑圍護結構體系


              (1)基坑圍護結構體系包括板(樁)墻、圍檁(冠梁)及其他附屬構件。板(樁)墻主要承受基坑開挖卸荷所產生的土壓力和水壓力,并將此壓力傳遞到支撐,是穩定基坑的一種施工臨時擋墻結構。


              (2)地鐵基坑所采用的圍護結構形式很多,其施工方法、工藝和所用的施工機械也各異;因此,應根據基坑深度、工程地質和水文地質條件、地面環境條件等,特別要考慮到城市施工特點,經技術經濟綜合比較后確定。


              (二)深基坑圍護結構類型


              (1)在我國應用較多的有板柱式、柱列式、重力式擋墻、組合式以及土層錨桿、逆筑法、沉井等。


              (2)不同類型圍護結構的特點。


              作為基坑圍護結構主體的工字鋼,一般采用Ⅰ50號、Ⅰ55號和Ⅰ60號大型工字鋼?;娱_挖前,在地面用沖擊式打樁機沿基坑設計邊線打入地下,樁間距一般為1.0~1.2m。若地層為飽和淤泥等松軟地層也可采用靜力壓樁機和振動打樁機進行沉樁?;娱_挖時,隨挖土方隨在樁間插入50mm厚的水平木板,以擋住樁間土體?;娱_挖至一定深度后,若懸臂工字鋼的剛度和強度都夠大,就需要設置腰梁和橫撐或錨桿(索),腰梁多采用大型槽鋼、工字鋼制成,橫撐則可采用鋼管或組合鋼梁。


              工字鋼樁圍護結構適用于黏性土、砂性土和粒徑不大于100mm的砂卵石地層;當地下水位較高時,必須配合人工降水措施。打樁時,施工噪聲一般都在100dB以上,大大超過環境保護法規定的限值。因此,這種圍護結構一般宜用于郊區距居民點較遠的基坑施工中。當基坑范圍不大時,例如地鐵車站的出入口,臨時施工工作井可以考慮采用工字鋼做圍護結構。


              2)鋼板樁圍護結構:

              

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              鋼板樁強度高,樁與樁之間的連接緊密,隔水效果好,可重復使用。因此,沿海城市如上海、天津等地區修建地下鐵道時,在地下水位較高的基坑中采用較多;北京地鐵一期工程在木樨地過河段也曾采用過。


              鋼板樁常用斷面形式,多為“U”形或“Z”形。我國地下鐵道施工中多用“U”形鋼板樁,其沉放和拔除方法、使用的機械均與工字鋼樁相同,但其構成方法則可分為單層


              鋼板樁圍堰、雙層鋼板樁圍堰及屏幕等。由于地鐵施工時基坑較深,為保證其垂直度且方便施工,并使其能封閉合龍,多采用帷幕式構造。


              【例題】可采用沖擊式打樁機施工的基坑圍護結構是( )。(2014)


              A.鋼板樁


              B.鉆孔灌注樁


              C.深層攪拌樁


              D.地下連續墻


              『正確答案』A


              『答案解析』本題考查的是深基坑圍護結構。鋼板樁圍堰使用的機械與工字鋼樁相同,工字


              鋼樁在基坑開挖前,在地面用沖擊式打樁機沿基坑設計線打入地下。


              (3)鉆孔灌注樁圍護結構


              鉆孔灌注樁一般采用機械成孔。地鐵明挖基坑中多采用螺旋鉆機、沖擊式鉆機和正反循環鉆機等。對正反循環鉆機,由于其采用泥漿護壁成孔,故成孔時噪聲低,適于城區施工,在地鐵基坑和高層建筑深基坑施工中得到廣泛應用。

              

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              (4)深層攪拌樁擋土結構


              深層攪拌樁是用攪拌機械將水泥、石灰等和地基土相拌合,從而達到加固地基的目的。作為擋土結構的攪拌樁一般布置成格柵形,深層攪拌樁也可連續搭接布置形成止水帷幕。

              

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              (5)SMW樁


              SMW樁擋土墻是利用攪拌設備就地切削土體,然后注入水泥類混合液攪拌形成均勻的擋墻,最后,在墻中插入型鋼,即形成一種勁性復合圍護結構。

              

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              這種圍護結構的特點主要表現在止水性好,構造簡單,型鋼插入深度一般小于攪拌樁深度,施工速度快,型鋼可以部分回收、重復利用。


              (6)地下連續墻


              地下連續墻主要有預制鋼筋混凝土連續墻和現澆鋼筋混凝土連續墻兩類,通常地下連續墻一般指后者。地下連續墻有如下優點:施工時振動小、噪聲低,墻體剛度大,對周邊地層擾動小;可適用于多種土層,除夾有孤石、大顆粒卵礫石等局部障礙物時影響成槽效率

            外,對黏性土、無黏性土、卵礫石層等各種地層均能高效成槽。


              地下連續墻施工采用專用的挖槽設備,沿著基坑的周邊,按照事先劃分好的幅段,開挖狹長的溝槽。挖槽方式可分為抓斗式、沖擊式和回轉式等類型。在開挖過程中,為保證槽壁的穩定,采用特制的泥漿護壁。泥漿應根據地質和地面沉降控制要求經試配確定,并在泥漿配制和挖槽施工中對泥漿的相對密度、黏度、含砂率和pH等主要技術性能指標進行檢驗和控制。每個幅段的溝槽開挖結束后,在槽段內放置鋼筋籠,并澆筑水下混凝土。然后將若干個幅段連成一個整體,形成一個連續的地下墻體,即現澆鋼筋混凝土壁式連續墻。

              【例題】 下列地下連續墻的接頭形式中,屬于剛性接頭的是( )。


              A.鎖口管接頭


              B.波紋管接頭


              C.楔形接頭


              D.鋼筋承插式接頭


              『正確答案』D


              『答案解析』本題考查的是深基坑圍護結構。剛性接頭可采用一字形或十字形穿孔鋼板接頭、鋼筋承插式接頭等。


              二、支撐結構類型


              (一)支撐結構體系


              (1)內支撐一般由各種型鋼撐、鋼管撐、鋼筋混凝土撐等構成支撐系統;外拉錨有拉錨和土錨兩種形式。


              (2)在軟弱地層的基坑工程中,支撐結構承受圍護墻所傳遞的土壓力、水壓力。支撐結構擋土的應力傳遞路徑是圍護(樁)墻→圍檁(冠梁)→支撐,在地質條件較好的有錨固力的地層中,基坑支撐可采用土錨和拉錨等外拉錨形式。

              圍檁

              

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              內支撐

              

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              內支撐

              

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              外拉錨

              

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              (3)在深基坑的施工支護結構中,常用的支撐系統按其材料可分為現澆鋼筋混凝土支撐體系和鋼支撐體系兩大類。其形式和特點見下表。


              現澆鋼筋混凝土支撐體系由圍檁(圈梁)、支撐及角撐、立柱和圍檁托架或吊筋、立柱、托架錨固件等其他附屬構件組成。


              兩類支撐體系的形式和特點  表  

            材料
            截面形式
            布置形式
            特 點
            現澆鋼筋混凝土
            可根據斷面要求確定斷面形狀和尺寸
            有對撐、邊桁架、環梁結合邊桁架等,形式靈活多樣
            混凝土硬化后剛度大,變形小,強度的安全可靠性強,施工方便,但支撐澆制和養護時間長,圍護結構處于無支撐的暴露狀態的時間長、軟土中被動區土體位移大,如對控制變形有較高要求時,需對被動區軟土加固。施工工期長,拆除困難,爆破拆除對周圍環境有影響
            鋼結構
            單鋼管、雙鋼管、單工字鋼、雙工字鋼、H型鋼、槽鋼及以上鋼材的組合
            豎向布置有水平撐、斜撐;平面布置形式一般為對撐、井字撐、角撐。也有與鋼筋混凝土支撐結合使用,但要謹慎處理變形協調問題
            裝、拆除施工方便,可周轉使用,支撐中可加預應力,可調整軸力而有效控制圍護墻變形;施工工藝要求較高,如節點和支撐結構處理不當,或施工支撐不及時、不準確,會造成失穩

              

            鋼結構支撐(鋼管、型鋼支撐)體系通常為裝配式的,由圍檁、角撐、支撐、預應力設備(包括千斤頂自動調壓或人工調壓裝置)、軸力傳感器、支撐體系監測監控裝置、立柱樁及其他附屬裝配式構件組成。


              (二)支撐體系布置


              

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            1、能夠因地制宜、合理選擇支撐材料和支撐體系布置形式,使其技術經濟綜合指標得以優化。


              2.支撐體系受力明確,充分協調發揮各桿件的力學性能,安全可靠,經濟合理,能夠在穩定性和控制變形方面滿足對周圍環境保護的要求。


              3.支撐體系布置能在安全、可靠的前提下,最大限度地方便土方開挖和主體結構的快速施工。


              【例題】下列基坑圍護結構中,主要結構材料可以回收反復使用的是( )。


              A.地下連續墻


              B.灌注樁


              C.水泥土擋墻


              D.組合式SMW樁


              『正確答案』D


              『答案解析』本題考查的是深基坑圍護結構。因為SMW樁結構的特點主要表現在止水性好,構造簡單,型鋼插入深度一般小于攪拌樁深度,施工速度快,型鋼可以部分回收、重復利用。因此,本題的答案為D。


              【例題】地鐵車站明挖基坑采用鉆孔灌注樁圍護結構時,圍護施工常采用的成孔設備有( )。


              A.水平鉆機


              B.螺旋鉆機


              C.夯管機


              D.沖擊式鉆機


              E.正反循環鉆機


              『正確答案』BDE


              『答案解析』本題考查的是深基坑圍護結構。因為鉆孔灌注樁一般采用機械成孔。地鐵明挖基坑中多采用螺旋鉆機、沖擊式鉆機和正反循環鉆機等。所以,本題的答案為BDE。


              三、基坑的變形控制


              (一)基坑變形特征


              (1)基坑開挖時,由于坑內開挖卸荷造成圍護結構在內外壓力差作用下產生水平向位移,進而引起圍護外側土體的變形,進而造成基坑外土體或建(構)筑物沉降;同時,開挖卸荷也會引起坑底土體隆起??梢哉J為,基坑周圍地層移動主要是由于圍護結構的水平位移和坑底土體隆起造成的。


              (2)圍護墻體水平變形


              當基坑開挖較淺,還未設支撐時,不論對剛性墻體(如水泥土攪拌樁墻、旋噴樁墻等)還是柔性墻體(如鋼板樁、地下連續墻等),均表現為墻頂位移最大,向基坑方向水平位移,呈三角形分布。隨著基坑開挖深度的增加,剛性墻體繼續表現為向基坑內的三角形水平位移或平行剛體位移,而一般柔性墻如果設支撐,則表現為墻頂位移不變或逐漸向基坑外移動,墻體腹部向基坑內凸出。

              

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              (3)圍護墻體豎向變位


              在實際工程中,墻體豎向變位量測往往被忽視,事實上由于基坑開挖土體自重應力的釋放,致使墻體產生豎向變位:上移或沉降。墻體的豎向變位給基坑的穩定、地表沉降以及墻體自身的穩定性均帶來極大的危害。特別是對于飽和的極為軟弱的地層中的基坑工程,當圍護墻底下因清孔不凈有沉渣時,圍護墻在開挖中會下沉,地面也隨之下沉;另外,當圍護結構下方有頂管和盾構穿越時,也會引起圍護結構突然沉降。


              (4)基坑底部的隆起


              隨著基坑的開挖卸載,基坑底出現隆起是必然的,但過大的坑底隆起往往是基坑險情的征兆。過大的坑底隆起可能是兩種原因造成的:①基坑底不透水土層由于其自重不能夠承受不透水土層下承壓水水頭壓力而產生突然性的隆起;②基坑由于圍護結構插入坑底土層深度不足而產生坑內土體隆起破壞?;拥淄馏w的過大隆起可能會造成基坑圍護結構失穩。另外,由于坑底隆起會造成立柱隆起,進一步造成支撐向上彎曲,可能引起支撐體系失穩。因此,基坑底土體的過大隆起是施工時應該盡量避免的。但由于基坑一直處于開挖過程,直接監測坑底土體隆起較為困難,一般通過監測立柱變形來反映基坑底土體隆起情況。


              (5)地表沉降


              圍護結構的水平變形及坑底土體隆起會造成地表沉降,引起基坑周邊建(構)筑物變形。根據工程實踐經驗,基坑圍護呈懸臂狀態時,較大的地表沉降出現在墻體旁;施加支撐后,地表沉降的最大值會漸漸遠離圍護結構,位于距離圍護墻一定距離的位置上。


              (二)基坑的變形控制


              (1)當基坑鄰近建(構)筑物時,必須控制基坑的變形以保證鄰近建(構)筑物的安全。


              (2)控制基坑變形的主要方法有:


              1)增加圍護結構和支撐的剛度;


              2)增加圍護結構的入土深度;


              3)加固基坑內被動區土體。加固方法有抽條加固、裙邊加固及二者相結合的形式;


              4)減小每次開挖圍護結構處土體的尺寸和開挖支撐時間,這一點在軟土地區施工時尤其有效;


              5)通過調整圍護結構深度和降水井布置來控制降水對環境變形的影響。


              (三)坑底穩定控制


              (1)保證深基坑坑底穩定的方法有加深圍護結構入土深度、坑底土體加固、坑內井點降水等措施。


              (2)適時施作底板結構。

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