第一章 深基坑及基坑支护结构发展第一节 深基坑及基坑支护结构“深基坑”17这一概念是20世纪40 年代在欧美一些国家出现的，所谓“深基坑”是指为进行建筑物(包括构筑物) 基础与地下室的施工而开挖的地面以下的空间，基坑工程界一般将开挖深度大于或等于7m 的基坑称为深基坑。改革开放前，我国的高层建筑较少，基坑开挖深度一般在5m以内，大部分可以采用无支护的放坡开挖或少量钢板支护开挖。20世纪80年代以后，随着经济发展和城市建设的需要，土地资源紧张的矛盾日益突出,向高空、向地下争取建筑空间成为一个发展趋势。我国目前高度在100m以上的高层建筑约200座，其中88层的上海金茂大厦为420m高，居世界第三；325m高的深圳地王大厦居世界第十二。为了保证高层建筑抗震及稳定的需要，同时为了有效地利用地下空间，建筑基础的埋置深度越来越深，在埋置深度范围以内的地下空间23 层的较为常见，4层以上的也有出现，它们作为地下商场、地下仓库、地下停车场、地下人防工程等，一方面为人们节约了大量的土地资源，另一方面也大大加深了深基坑工程设计与施工的难度。城市高层建筑、地下工程（如地铁、地下商场等）一般是建在建筑较密集、人口较稠密的地区，由于场地的局限性，在基坑以外没有足够的空间进行放坡开挖，因此基坑支护结构的设计与施工问题变得非常紧迫而突出。所谓“基坑支护结构”是指为保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁及周边环境采用的支挡、加固与保护措施。一般情况下，当基坑开挖结束后，支护结构就需拆除以进行基础和地下室的施工，因此支护结构一般是临时性工程。作为临时性工程，人们希望能用最少的造价取得最合理的结果，因此在结构安全与经济节约之间寻找合理的平衡显得尤为重要。近20年来，由于缺乏对基坑支护技术的了解和认识，酿成了一些基坑工程事故,如支护结构破坏、基坑塌方及大面积滑坡；基坑周围道路开裂、塌陷，临近建筑物开裂甚至倒塌等，造成了恶劣的社会影响和巨大的经济损失，从而引起了政府主管部门及科研、设计、施工单位的高度重视。90 年代以后，各地纷纷组织技术力量进行了基坑工程技术标准的编制工作，如武汉市城乡建管理委员会1995年7月1日发布执行的武汉地区深基坑工程技术指南；深圳市建设局1996年8月发布执行的深圳地区建筑基坑支护技术规范；上海市1997年出台的基坑工程设计规则等。在各地基坑支护技术的工程实施和理论研究的基础上，两本国家级的行业标准：由建设部发布的建筑基坑支护技术规程 (JGJ 120-99) 和由冶金工业部发布的建筑基坑工程技术规范 ( YB9258-97)也已正式发布实施。此外，建设部(1998) 200号文关于进一步推广应用10项新技术的通知中，也把深基坑支护技术列为10项新技术之首，这些国家标准及通知精神的发布、实施，对于避免基坑工程事故,规范和检验基坑工程的设计与施工行为，使深基坑工程走上健康发展的轨道无疑是非常重要而及时的。第二节 深基坑工程的主要形式及特点一、深基坑工程的主要形式深基坑工程主要有以下几种形式：第一，高层建筑深基坑，如上海金茂大厦深基坑，基坑面积2000，主楼基坑深19.65m；武汉国贸大厦深基坑，开挖深度为地下1618m等。第二，地铁站深基坑，如广州市地铁2号线海珠广场站深基坑，最大深度达2614m；上海明珠线南浦大桥地铁站深基坑，深达2415m等。第三，市政工程地下设施深基坑，如上海污水治理工程彭越浦泵站基坑，深达26145m； 上海“东方明珠”电视塔深基坑，基底面积2700，基坑深1215m等。第四，工业深基坑，如上海宝钢热轧厂铁皮坑，坑深达到了32m等。二、深基坑工程的特点（一）工程规模随着地下空间的开发和利用，基坑越来越深，全国各地开挖深度超过7m的深基坑比比皆是，20m左右的深基坑也为数不少。同时，基坑平面尺寸也越来越大，以往一个平面尺寸在5050m左右，面积约3000的基坑已是很可观了，而现在，几幢高层建筑连同裙房、地下车库置于一个“大底盘”的设计方案频频出现，基坑平面尺寸达100100m、100200m , 面积达1000020000，甚至更大，例如位于北京商业繁华区王府井地段的北京东方广场，是亚洲最大的商业房地产建筑群，由13个单体建筑物组成，其基坑平均开挖深度为20m，最深达2515m；基坑开挖平面尺寸为东西长480m，南北宽190m，开挖面积达86000，总挖运土方量为178000m；又如上海外滩金融中心地下结构深基坑,基坑面积达15294，基坑周长达506m，挖运土方25万m等。（二）施工环境在城市大规模的改造进程中，土地资源的稀缺与宝贵，使基坑开挖的场地十分狭小、紧凑，有时基坑边缘距周边设施仅2m左右，在如此狭窄的场地上开挖基坑，其难度是相当大的。此外，附近地段同时开工或相继开工的项目距离很近，两家同时打桩、同时开挖基坑；一家打桩，另一家开挖基坑的情况也有出现。这些施工环境的不利因素增加了基坑支持护结构设计的难度，也给施工带来了困难，因而在设计中有必要对多个项目进行联合设计，并且应该对多种可能因素进行系统地、全盘地考虑。（三）、工程地质条件和气候条件城市建设不能像水电站、核电站等重要设施那样，可以在广阔的地域选择理想的、优越的建设场地，而只能根据城市规划的需要随遇而安。我国的深基坑工程主要集中在沿海等发达地区，这些地区的工程地质条件和气候条件普遍较差，如世界三大软土地基城市之一的上海市，地处长江三角洲,覆盖层厚达150400m，其中埋有很深厚的软弱淤泥质粘性土；武汉市的汉口地区是全市高层建筑较集中的地区,其地下水位较高，故一般开挖基坑时都必须解决地下水问题，1994年11月22日汉口煤气大泄露就是因为威格大厦深基坑降水措施不当，导致涌砂、地面下沉、马路开裂并最终致使煤气主管道被折断而引发的严重后果；深圳地区受气候条件限制，每年长达45个月的雨季及台风等自然灾害，使基坑暴露时间较长，施工周期一般多为12年，这些不利条件给深基坑工程造成极大困难。第三节 深基坑变形机理基坑的变形8-10包括围护结构的变形、基坑底部的隆起和周围地层移动三部分。基坑周围地层移动是基坑工程变形控制设计的首要问题。基坑的开挖过程是基坑开挖面上卸荷的过程，由于卸荷而引起坑底土体产生以向上为主的变形，同时也引起围护结构在两侧压力差（土压力）的作用下而产生水平位移和因而产生的墙外侧土体位移，坑底土体隆起和围护结构的位移是引起周围地层移动的主要原因。坑底隆起是由于垂直方向卸荷而引起的坑底土体原始状态的改变。随着某坑开挖深度的增加，基坑内外的土面高差不断加大，当开挖到一定的深度，基坑内外面高差所形成的加载和地面各种超载的作用，就会使围护结构外侧土体产生向基坑内移动，使基坑坑底产生向上的隆起。围护结构体变形是由于水平方向改变基坑内外土体的原始应力状态而引起地层移动。基坑开挖后，围护结构便开始受力变形。基坑内侧卸去原有土压力时，在墙外侧则受到主动土压力，而在墙内侧底部受到部分被动土压力。影响基坑变形的主要因素包括：1.基坑的工程地质与水文地质条件；2.支护类型及结构设计参数；3.基坑平面尺寸及开挖深度；4.施工过程和场地周边环境；5.地面超载和震动荷载。由此可见,基坑的变形有其本身的内在规律性。对于确定的基坑,其变形的发展具有一定的趋势。而监测数据正是这种规律的反映,因此监测数据不是纯随机的而具有随时间变化的规律性和连续性。基坑位移观测数据序列前后不是相互独立和脱节的,而存在一定的依存关系,前期观测数据的变化规律蕴含着后期位移的变化趋势,也就是说,基坑位移当前的状态是过去状态的延伸。另一方面，基坑施工过程往往受到某些因素的干扰，这使得定期观测的数据具有一定的随机性，表现在累加位移曲线上其曲线具有一定的波动；同时,基坑变形是一个复杂系统，影响基坑位移变化趋势的某些因素，在施工前期没有发挥作用。但随着施工和监测的进行，新的变化数据不断得到收集，这些数据又进一步反映了基坑变形的趋势。因此，对基坑位移监测数据宜采用动态实时分析处理的方法。第四节 基坑支护结构研究进展一、深基坑支护的目的与要求（一）确保坑壁稳定,施工安全;（二）确保邻近建筑物、构筑物和管线安全;（三）有利于挖土及地下室的建造;（四）支护结构施工方便、经济合理。二、基坑支护体系的选择原则支护体系的选用原则是安全、经济、方便施工，选用支护体系要因地制宜。安全不仅指支护体系本身安全，保证基坑开挖、地下结构施工顺利，而且要保证邻近建(构)筑物和市政设施的安全和正常使用。经济不仅是指支护体系的工程费用，而且要考虑工期，考虑挖土是否方便，考虑安全储备是否足够，应采用综合分析，确定该方案是否经济合理。方便施工也应是支护体系的选用原则之一。方便施工可以降低挖土费用，而且可以节省工期、提高支护体系的可靠性。一个优秀的支护体系设计，要做到因地制宜，根据基坑工程周围建(构)筑物对支护体系变位的适应能力，选用合理的支护型式，进行支护结构体系设计。相同的地质条件，相同的挖土深度，允许围护结构变位量不同，满足不同变形要求的不同的支护体系的费用相差可能很大。优秀的设计，应能较好地把握支护结构安全变位量，使支护体系安全，周围建筑物不受影响，费用又小。支护体系一般为施工过程中临时构筑物，设计中不宜采用较大的安全系数，但适当的安全储备还是需要的。安全系数取1.0，对一个工程不一定出问题；但宏观地看，对一个地区，工程事故数量就可能不少。从安全与经济两方面考虑，可以在采用较小的安全储备条件下，在施工过程中加强监测，并备有应急措施，以保证在事故苗头出现时，采取措施，确保安全施工。一般讲，软粘土地基中基坑工程要侧重处理支护体系围护结构的稳定性问题，或者说处理好挡土问题；地下水位较高的砂性土地基中基坑工程要侧重处理好水的问题，如何降低地下水位，如何设置好止水帷幕，软粘土地基中基坑工程支护体系失稳往往是支护结构失稳。引起支护结构失稳的原因很多,有设计方面的原因，也有施工方面的原因，也有对地质条件了解不清楚的原因。但原理性错误，也经常遇到。渗透性较大的地基中基坑工程支护体系失败往往是水的问题未处理好。要根据地基土质情况合理选用支护体系。三、基坑支护结构类型在深基坑边坡支护中，若按支护结构的受力状态，可分为悬臂式支护，锚碇式支护和内撑支护三种；若按支护的作用原理，则可分为支挡型支护与加固型支护两大类11。悬臂式支护结构是依靠插入坑底足够的深度来保持稳定的，其入土深度和承受的最大弯矩随开挖深度的增加而增大，当开挖深度大时，其入土深度和厚度都要加大，往往在经济上不合算。因而这种形式一般适用于开挖深度较小的情况。锚碇式支护可以改善支护结构的受力状况，为减少支护结构的厚度和入土深度创造了条件。但在液限大于50%的土层中，由于其高塑性会引起锚杆的明显蠕变，故不能长久地保持恒定的锚固力；另外，在相对密度小于3的土层中，锚固段单位面积上的摩阻力极低，难以提供较大的锚固力，因而这种支护方式的应用受到某些地质条件的限制。内撑式支护是改善支挡结构受力状况的另一种形式。按支撑材料可分为钢盘混凝土，钢管和型钢等几种，支撑结构形式可分为角撑、对撑、桁架，大空间平面桁架，园环形等，这类支护形式的支撑材料可以回收在基坑跨度不大时比较经济。支挡型支护是传统的支护方式，是建造支挡结构对抗壁岩土进行支挡的方法。而加固形支护是随着岩土治理技术的发展而出现的新型支护方式。是对基坑四周的岩土体进行加固，从而保证其稳定减少其变形的支护方法。这两类支护方式在我国工程应用中主要有以下八种支护结构。（一）桩排支护桩排支护是目前国内应用最广的支护形式之一。它包括钢板桩、钢管桩、钢筋混凝土预制桩，钢筋混凝土灌注桩等排桩，以及上述桩型与其它桩型或帷幕的组合。这类组合包括桩或桩与挡板的组合，灌注桩与搅拌桩的组合，灌注桩与