深基坑的优化设计及支护类型

摘要:随着城市建设、经济、科技的快速发展，越来越多的基坑支护工程面临着更高的要求。因此,这些工程不仅要经济安全，而且要满足周边环境的控制要求。工程的全部费用中深基坑的费用占了很大比例。如何选择合适的支护类型是深基坑工程的关键。根据相关文献，本文分析了当前基坑支护的应用类型、优化方法以及深基坑的未来发展前景。

关键词:深基坑；支撑系统；优化设计

1 引言

随着社会经济的不断发展、人口增长、城市空间相对萎缩，地下空间已经成为一种重要的方法来解决这些问题。专家预测，21世纪将是地下空间发展的世纪^[1]。诸如采矿工程、高层建筑和城市地铁的深基础、地下室的底部以及过海和穿山隧道等各种各样的地下工程正在构造或规划，深基坑坑壁的支护逐渐成为了一个突出的问题。选择深基坑支护的方法主要取决于“安全”和“经济”。 深基坑支护不仅要确保正常施工的工作安全、保证基坑的土方开挖和确保附近的建筑物、道路以及管道运输的正常运作的空间，而且也要充分考虑利用和根据实际工程需要，降低基坑开挖的成本，选择合适的开挖方法并优化方案。

2 我国深基坑工程的发展

（1）城市中集中了大量的高层和超高层建筑。城市建筑的密度非常大，人口也很密集。交通非常拥挤，施工场地狭窄。因此，在高层建筑的施工中，尤其是施工的基本条件更加恶劣。

（2）为了节省土地，在工程建设和地下建筑的建造中充分利用地下空间可以节约大约90%的土地面积。考虑到基坑附近的建筑，也充分利用地下空间已经建造的民防、飞机库、发电机房、仓库等地下设施。桩基础的深度越来越深，地下室的开挖深度也从一层逐渐发展到了多层。

（3）深基坑工程会影响周围的环境，在深基坑工程施工中如何降低对软土地基的影响是一个重大问题。不仅要考虑到它对相邻建筑物的影响，同时也要考虑到对地下储气、废水处理系统、远程通信系统、电缆线路等的影响。

（4）随着竞争机制的不断发展，业主对工程的造价、项目进度以及工程质量有了更高的要求，在一定的程度上增加了施工的困难，这就要求承建单位要根据工程的实际情况选择相应的优化支护技术^[2]。

因此，对工程技术人员而言，在具体的工程实践中必须对深基坑支护结构进行科学的设计和规划，并使用一定的技术措施以确保施工安全是很有必要的。

3 深基坑支护形式的不同类型及其优化方案

3.1水泥搅拌混合法和SMW工法桩围护结构

水泥搅拌混合法是指使用水泥和其他材料作为硬化剂，通过特殊的混合机将地基土和固化剂进行强制混合。在地基土和化学试剂产生一系列的物理和化学反应后，形成具有一定强度、完整性和防水性的柱状硬化土体。将各柱状桩体重叠、连接，就可以在整个结构中形成一定强度的水泥墙或格栅墙，用于维护土壤边坡的稳定性，确保地下室、地下工程建筑和周边环境的安全。该方法适用于开挖深度在6米以内的软土深基坑工程。它不仅可以保持水土、隔振，而且它的工程造价也非常低。

在实际的工程项目中，基坑支护工程的施工，由于施工单位往往是通过基坑支护的设计方案进行投标报价，但决定性的条件往往又是工程实际造价。因此，为了降低建造成本，认为沿隔离墙检查挡土墙，并不能够控制壁体内部应力和经常发生沿壁水泥搅拌混合法倾覆或损坏是仅仅不可否认的。所以在施工前需要有一个严谨的有一定抵抗力的挡土墙倾覆估算结果^[3]。同时，地上的超载太大,地下水位的上升都会导致挡土墙的破坏性损伤。对于有地下水的地质条件可以使用拥有更好的挡水和更强的刚度的双排桩进行基坑的支护^[4]（如图1所示）。

图1 双排桩

对于具有复杂的周边环境的情况下，特别是存在局部超载，局部超挖的软土地层的深基坑，使用新型水泥土搅拌桩墙（SMW工法桩围护结构）会比较好。SMW工法桩围护结构是由水泥和型钢共同作用而形成的高压力的具有水土保持功能的加肋支撑结构。此方法具有很多优势^[5]，诸如：施工振动小、不干扰邻近的土地，不会使邻近地面和建筑物产生沉降或倾斜、道路裂缝和地下设施的变形，工期持续时间短，不会产生大量的泥浆，墙面可以从建筑施工中心线的80厘米处开始建造。在具有由重要通信线路、高楼大厦和管道区域组成的深基坑的复杂环境的城市地区中，可以因地制宜地使用SWM工法桩复合支护技术，正如Dong Peng和Wang Bin ^[6]使用的SMW工法桩围护结构和具有混凝土圈梁及钢格支撑柱的综合支撑体系。这些方法不仅保证了施工工期，而且保证了深基坑的正常建造以及基础和周边建筑物的施工安全。

3.2土钉墙和复合土钉墙支护

土钉墙是一种具有经济、可靠、施工简单等优点的用于土壤边坡开挖的新型支护技术。这种支护方法在我国得到了迅速推广和应用。土钉支护是一种用于加强建筑施工现场的软土的间距密集的细杆。这取决于土壤变形的情况下土壤下张力之间的凝聚力和摩擦力。它由密集的土钉群插入到加固土中而形成支撑体系。利用该技术可以在有效地保持土壤强度和减少对土壤的扰动的情况下进行基坑开挖。

将土钉和预应力锚杆组合使用^[10]可以发挥出它们的支撑效果。首先通过土钉和土壤之间的相互作用可以大大提高原状土的强度、刚度和边坡稳定性。其次，通过对土壤进行预加锚固力，它可以显著改善应力状态，提高基坑的变形刚度和控制基坑边坡的变形。

土钉支护和微型钢管桩的组合^[7]可以充分发挥钢管桩的水平承载力、自重轻、刚度良好、运输方便、不易损坏的优点。但是土钉支护的效果是具有共享负载束箍、使应力进行转移和传递、约束边坡变形的骨架作用。土钉和土壤的共同工作可以弥补土壤的强度不足和提高土边坡的自我稳定性。这种形式适用于松散土壤和地面的自稳条件欠佳的情况。对于提高地基的极限变形和边坡稳定性是非常有利的，但它并不能起到防渗密封的作用。

将土钉和搅拌桩进行结合^[8]就是在开挖前通过沿开挖线混合水泥和土从而形成水泥粉喷桩。它适用于软土地基、有新土质形成和较大含水量形成的地基。当搅拌桩具有一定的足够的埋深时，支撑的埋深也将变得更深。搅拌桩作为降水和临时的挡土墙，不仅可以在基坑开挖时就起到挡水的功能，而且还可以确保施工处的土的开挖面的自稳能力，并且可以减少基底的隆起。它还适用于松软地层，当搅拌桩土有足够的深度时，也可适用于深层软土。

在实际工程项目中，可以采用不同的支撑形式或多种支撑形式的组合进行支护。如果Chen Teishi ^[9]的研究能够用于北京地铁的奥运支线，用土钉支护支撑基坑的顶部，而基坑底部则是由排桩与内部支架支撑或压力锚进行组合支撑。这将有利于土体的开挖和移出，提高机械的利用率，加快施工的进程和节省成本。

3.3拉锚式围护结构和预应力锚杆柔性支撑

拉锚式围护结构^[10]是由围护结构和外拉伸体系组合而成的。它的围护结构和悬臂式支撑结构一样，如钢筋混凝土桩和地下连续墙。在拉锚式围护结构中，它们被称为围护桩。这种围护结构很明显地可以减小结构的尺寸大小、扩大施工作业空间、降低施工成本、改善施工条件和加快施工进度。

预应力锚杆柔性支撑^[11]是一种用于开挖和边坡稳定性的新型支护技术。它是一种新的由预应力锚杆和喷浆混凝土表面或板的表面相结合的支撑方法。因为预应力的强大作用不仅可以改变基础的应力状态，而且可以减小基坑壁的位移，所以预应力锚柔性支撑特别适用于有严格的位移控制要求的深基坑支护。

锚杆支护在深基坑施工和矿山建设中已得到广泛应用。工程技术人员考虑到实际情况和锚杆支护存在的强度问题，并且为了使它能够适应复杂的地质条件，对锚杆支护进行了大量的改进，并取得了许多丰硕的成果。诸如Li You和Zhu Weishen ^[12]研究的适用于大变形支护的新型可伸长锚杆、Liu Yi和Mei Guoxiong ^[13]提出的新型伞状锚、Li Changzhong和Yu Naihu ^[14]在矿山施工中采用的一种新型的玻璃钢锚杆以及Huang Wei和Dong Jiantao ^[15]研究的新型可回收树脂锚杆支护技术和锚杆拉伸技术。此外，还有由不同形式的锚杆和不同的支护类型相结合的方法。例如，预应力锚索复合土钉支护^[16]、预应力锚杆与SMW工法组合^[17]、加筋水泥土挡墙与地锚支护（LXK工法）^[18]等。还有诸如新型的锚钻机、快速施工技术，锚杆质量检测系统^[19]等。这些已形成了以适应中国工程特点的一整套的锚杆支护体系。

3.4内支撑支护结构

内支撑支护结构是由支撑结构和内部支撑体系组合而成的。支撑结构常用于钢筋混凝土排桩、地下连续墙和用于横向支撑及斜支撑的内部支撑体系。根据开挖支护的深度一般采用的是单级、二级或多级支撑。所用的材料是钢筋混凝土和钢管（或型钢）。钢筋混凝土支撑体系具有刚度高、变形较小、简单节点结构和整体性良好的优点。钢支撑的优点是钢材可以进行回收，并且预加应力方便。内部支撑支护体系适用于各种各样的地质条件和深基坑工程。

随着基坑规模的扩大和开挖深度的不断加深，支护结构的形式有了很大的发展，并且内支撑支护结构也被广泛应用于实际工程项目中。

根据基坑的不同形式，工程师调整和设计开发出了各种各样的支护形式。例如，水平交叉式支护、“#”型支护、角支撑式支护、周边桁架式、环型内支撑式支护、水平支柱式支护、圆拱式支护、斜撑式支护和明挖逆作法等。内支撑支护结构已经成为了一种非常成熟、稳定、安全的支护技术。

3.5冻结加固支护技术和水下支护技术

在岩土工程中，冷冻冷藏技术^[20]的应用一般都是基于物理学的蒸发理论，利用材料的气状物是从液体到气体的过程中来实现热吸收的过程的产物。人工冻结法具有良好的防水性能、强度高、整体支撑性能好、土体具有可还原性、无污染、冻结的结构形状和扩大范围可以控制等优点。因此，在一定的地质条件和环境条件下，用冻结法形成冻结壁式深基坑是一种可行的、具有竞争力的技术。人工冷冻结技术使得天然岩石形成具有较高的强度、抗渗性强的冻土。它在被用于修复工程时发挥了其独特的优势。冻结法不同于其他土体固结方法，施工质量可以通过温度来体现。通过适当监测点的布置、实时信息的监测方法以及对温度变化规律的适当把握，就可以使得冻结法的安全施工得到保证^[21]。由于冻结加固技术具有良好的防水效果，而且对周边的环境影响也不大，所以在地铁工程的施工中得到了越来越多的应用。特别是在对环境保护有较高的要求以及具有软土地质条件的地下工程中也将得到广泛应用。

目前大型桥梁、海底隧道和地下水位高的深基坑建造的越来越多。当前的问题是确保建筑的稳定性和其顺利施工。对于地下水较高的深基坑，必须解决地基中可能存在大量的水的问题。必须首先进行排水，然后进行建造挡水建筑物。正如Chen Dan ^[22]在深圳开发区设计的地铁基坑围护结构所采用的双框架桩和外拉锚支撑体系。Xiong Xiaobo和Sun Jun ^[23]在润扬大桥南汊北锚碇深基坑开挖工程中所采用的地下连续墙和化学灌浆帷幕排式内支撑组合。钻井技术^[24]和双壁钢围堰技术是大型水电工程、水运工程和桥梁的深基础工程采用的主要结构形式。钻井支撑具有结构的刚度大、埋设深度深、占地面积大和重心低的特点。它对承载能力的要求也比较低。它能适用于几乎所有的达到下沉允许值和能够承受较强的水平推力的土质条件。它是水下挖掘的主要途径。传统的双壁钢围堰通常是现场制作并整体下沉的。受力结构主要是横向闭合框架和加工制作水平向分段。其优点是结构的完整性较好和良好的止水效果。但是在实际的施工过程中，整体沉放的困难较大，需要的时间也较长，并且还会受到施工场地的限制和主体结构的桩基础施工的相互干扰。Wang Chengsheng和Deng Yanhong ^[25]在此基础上开拓创新出了一种水下深基坑支护新技术──竖向分条双壁钢围堰。将双壁钢围堰进行竖向分条，各分条在场外集中加工制作，然后各分条独立沉放。在所有的分条沉放到位后，进行接缝处止水，安装内支撑以确保结构的安全性和稳定性（结构受力主要是竖向的），然后进行基坑开挖、浇筑封底混凝土等其他常规施工。

4 深基坑支护结构的发展趋势

深基坑工程有其普遍性和特殊性。工程技术人员必须根据不同的地质条件、不同的周边环境以及不同的工程要求决定采用什么样的支护形式。在确保施工质量和安全的情况下，最好选择最经济的支护形式和采用可回收并且能够重复使用的支护设备，或者可以直接应用于地下空间的永久性结构。比如，浙江大学的Yan Ping ^[26]研究的“一桩三用”式支护技术。此桩也可用作围护桩，地下工程外墙的组成部分和工程桩（如图2所示）。这就导致了深基坑支护技术往多样化、系统化、信息化和规范化的方向发展。今后，高科技的监测技术、新型支护材料、

图2 “一桩三用”式支护结构

精巧的设计以及精湛的施工技术将被应用于基坑支护工程项目。同时，在目前复杂的施工环境和施工过程中对环境的更大影响的情况下，在施工过程中采用更环保的施工技术、建筑材料和满足低噪声、低污染、低碳的技术是深基坑支护结构的未来发展趋势。

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