地铁基坑支护的设计与施工

地铁基坑工程的设计与施工同济大学高大钊目录第一节基坑支护设计概述┉┉┉┉┉┉┉31.1基坑工程的特点┉┉┉┉┉┉┉┉41.2基坑工程的基本技术要求┉┉┉┉61.3基坑支护结构设计的基本依据┉┉71.4基坑支护设计的基本原则┉┉┉┉91.5基坑支护设计的内容┉┉┉┉┉11第二节围护结构的型式┉┉┉┉┉┉┉152.1挡墙的型式┉┉┉┉┉┉┉┉┉162.2支撑（拉锚）的型式┉┉┉┉┉942.3止水、降水体系和排水措施┉┉117第三节基坑土方开挖施工要点及监测┉┉1243.1基坑土方开挖施工要点┉┉┉┉┉1243.2基坑工程监测┉┉┉┉┉┉┉┉┉127第四节基坑工程环境效应及对策┉┉┉┉1354.1基坑工程环境效应┉┉┉┉┉┉1354.2基坑工程环境效应对策┉┉┉┉┉136第五节基坑施工中常出现的事故及其对策和补救方法┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉1375.1基坑的破坏形式┉┉┉┉┉┉┉┉1375.2基坑事故的原因分析┉┉┉┉┉┉1395.3事故的预防与对策┉┉┉┉┉┉┉┉162第一节概述在我国，深基坑工程是最近30多年来迅速发展起来的一个领域。以前的几十年中，由于建筑物的高度不高，基础的埋置深度很浅，很少用地下室，基坑的开挖一般仅作为施工单位的施工措施，最多用钢板桩解决问题，没有专门的设计，也并没有引起工程界太多的关注。30多年来，由于高层建筑、地下铁道等工程的发展，深基坑工程的规模之大、深度之深，成为岩土工程中事故最为频繁的领域，给岩土工程界提出了许多技术难题。因此也是岩土工程中发展最为活跃的领域之一，成为岩土工程的技术热点和难点。“地下空间的开发是改善城市环境，缓解城市交通，保障人防安全等最有效的措施，也是大城市发展的必由之路。”随着城市地下空间的开发利用，逐步形成地面、地上和地下协调发展的概念。国内外地下空间开发利用的经验说明，当人均GDP超过3000美元时，就具备了有序化、规模化开发利用城市地下空间资源的经济基础，而中国已有相当多的城市具备了相应的经济基础。目前我国特大型城市均已启动地下空间开发整合连通建设，逐步形成重点地区网状地下空间体系，实现点、线、面的城市地下空间分布格局，建设全方位、多功能的综合防空、防灾、交通、商贸空间体系。随着城市地下工程建设规模的扩大，城市地下空间的建设在向广度发展的同时，也在向深度和断面的多样化、扩大化方向发展，并被视作城市现代化的重要标志之一除北京、上海等特大城市早已大规模开展城市地铁和地下空间的规划与建设活动外，我国的天津、深圳、广州、南京、等地也已建成了若干条地铁，西安、昆明、杭州、苏州、无锡、宁波、郑州等城市也已启动大规模地下空间的规划与建设。有些城市也已进入城市地铁以及地下空间的近期规划阶段。可以说，21世纪是我国地下空间开发和发展的黄金期，是地下空间的世纪。围护结构支撑体系土方开挖地铁基坑工程止水、降水体系地基加固监测（施工监测、第三方监控量测）环境保护工程1.1基坑工程的特点地铁基坑工程涉及以下几方面的内容。技术难点：1.土力学的强度、变形、渗透三大课题全部都出现；2.施工因素的影响既巨大而又具有非常的不确定性；3.各种破坏模式相互交叉，互为因果，设计计算模式的不清晰性；热点：1.事故的频率高，灾害的涉及面宽，对社会的影响非常大，引起政府和社会的高度关注；2.工程费用占造价的比例高，业主对基坑工程的压价，方案不合理和安全度过低是高事故率的潜在因素；3.施工方过度追求高速度和低成本是高事故率的直接引发因素。基坑支护设计人员必须具备及综合运用以下各方面的知识1、岩土工程知识和经验2、建筑结构和力学知识3、施工经验4、工程所在地的施工条件和经验1.2基坑工程的基本技术要求一个基坑支护设计方案是否成功，必须同时满足以下三点要求：安全可靠性经济合理性施工便利性和工期保证性1.3基坑支护结构设计的基本资料建设方提供的有关设计图纸、招标文件支护结构承受的荷载基坑及其影响范围内的工程水文地质条件拟建场地的环境条件当地已有的基坑支护结构型式，在施工中成功、失败的原因和教训各种支护技术的特点及适用范围在支护设计施工前，应对周围环境进行详细调查，查明影响范围内已有建筑物、地下结构物、道路及地下管线设施的位置、现状，并预测由于基坑开挖和降水对周围环境的影响，提出必要的预防、控制和监测措施：基坑施工所在地及周围的地区性质；基坑周围建筑物状况；基坑周围公用设施分布及地下构筑物、地下管线状况及其限制要求；基坑周围交通状况及道路状况；基坑周围水域（河流）状况；基坑所处地区环境特殊状况及对基坑施工的特殊要求；修建建筑物的基础结构及上部结构情况要求；基坑开挖及排水等方法；对基坑支护结构施工（噪音、振动、爆破、地面污染）的要求。1.4深基坑工程的技术要求深基坑工程是指包括基坑开挖、降水和支护结构设计、施工与监测在内的总称。支护结构则由包括具有挡土、止水功能的围护结构和维持围护结构平衡的支、锚体系两部分组成；支、锚体系是指内支撑体系或锚杆体系，内支撑体系由支撑、围檩和立柱等构件组成，锚杆体系则由锚杆、腰粱和台座等组成。对深基坑工程的技术要求包括：一深基坑工程的功能要求1.挡土功能2.止水功能3.作为地下结构外墙的使用功能二环境保护与处理相邻关系的要求1.控制围护结构位移和坑底隆起对环境的影响2.控制降低地下水位对环境的影响3.控制土锚对相邻场地的影响1.5基坑支护设计内容一、桩墙式挡土结构的设计应包括以下内容：1、支护墙结构的抗倾覆稳定性验算，墙体入土深度的确定。2、支护墙结构和地基的抗滑动稳定性验算及墙体入土深度的校核。3、基坑底部的隆起、回弹及抗渗流或管涌稳定性验算及墙体入土深度的校核。4、支护墙结构的内力及变形计算。5、确定支撑系统的布置及架、拆撑顺序，进行支撑构件的内力变形及稳定性计算。6、桩墙式挡土结构构件和节点构造设计。7、当必须严格控制施工引起的地面沉降时，分析和预估基坑开挖产生的墙体水平位移、墙脚下沉、坑底土体隆起及降水等对墙背地层位移的影响，提出相应的工程技术措施。8、支护墙作为主体结构一部分时，尚应计算在使用荷载作用下的内力及变形。二、基坑设计应满足的规范要求1.满足构造要求2.满足基坑稳定性安全系数的要求3.满足材料强度的要求4.满足变形控制的要求5.满足环境保护的要求《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012对不同验算模式安全系数取值汇总表验算模式安全系数安全等级一级二级三级悬臂式结构嵌固稳定性验算Ke1.251.201.151.30单层锚杆和单层支撑的支挡结构的嵌固稳定性验算Ke1.251.201.151.30锚拉式、悬臂式支挡结构和双排桩的整体稳定性Ks1.25/1.351.20/1.301.15/1.25支挡式结构的抗隆起稳定性Kb1.251.201.15/1.21.60最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定性（小圆弧滑动验算）Kf2.2/1.41.9/1.31.71.30抗突涌稳定性安全系数Kh1.1抗流土稳定性安全系数Kf1.6/2.01.5/1.81.4/1.6重力式水泥土墙抗滑移稳定性KsI1.2重力式水泥土墙抗倾覆稳定性Kov1.3重力式水泥土墙圆弧滑动稳定性Ks1.3土钉墙的整体稳定性Ks1.31.25/最终1.3过程1.2注：1.表中斜线以下的数值为深圳市基坑支护技术规范规定的、且与新规程不同的安全系数。2.加黑的为《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011版规定的安全系数。《深圳市基坑支护技术规范》SJG05-05-2011表3.1.6支护结构顶部最大水平位移控制值基坑支护安全等级排桩、地下连续墙加内支撑支护排桩、地下连续墙加内锚杆支护、双排桩、复合土钉墙坡率法、土钉墙或复合土钉墙、水泥土挡墙、悬臂式排桩、钢板桩等一级0.02h与30mm较小值0.03h与40mm较小值二级0.04h与50mm较小值0.06h与60mm较小值0.1h与80mm较小值三级0.1h与80mm较小值0.02h与100mm较小值表中所规定的水平位移的控制值用两种方法表示，一种方法是按基坑开挖深度的2%~10%来表示，另一种方法是按水平位移的绝对值，从30mm~100mm。并规定取较小的数值控制。其实，这两种方法是矛盾的，从环境保护的角度来分析，用绝对值是比较合理的，水平位移越大，对环境的影响也越大。这种控制值是从环境允许的变形出发考虑的，因此与基坑的开挖深度没有内在的联系，基坑开挖深度大，产生的水平位移肯定比较大，容易超过控制值，但控制值却与开挖深度无关。而相对数值的控制值却与基坑的开挖深度有关了，开挖深度越深，允许的水平位移越大，这就非常不合理了。如果区分了两种极限状态的设计等级，就可以用不同的控制值来合理地控制支护结构的变形了。即相对变形的控制值用于控制支护结构本身的安全性，相对变形过大说明墙侧的土体已临近极限状态，用相对变形的控制值不使支护结构出现强度稳定性的破坏；而绝对变形的控制值则用于控制不致周围环境遭受破坏。基坑工程的环境保护等级环境保护对象保护对象与基坑距离关系基坑工程的环境保护等级优秀历史建筑、有精密仪器与设备的厂房、其他采用天然地基或短桩基础的重要建筑物、轨道交通设施、隧道、防汛墙、原水管、自来水总管、煤气总管、共同沟等重要建筑物或设施。Hs一级HsH2二级HsH42三级较重要的自来水管、煤气管、污水管等市政管线、采用天然地基或短桩基础的建筑物、Hs二级第二节地铁基坑围护结构的型式挡墙挡土体系基坑支（围）护体系支撑（拉锚）止水、降水体系2.1挡墙的型式1.钻孔(人工挖孔)灌注桩挡墙、套管咬合桩挡墙2.地下连续墙3.SMW工法4.旋喷桩帷幕墙5.冻结法围护(主要用于盾构进出洞及局部地段)1.钻孔(人工挖孔)灌注桩挡墙（1）一字形配置（2）错缝配置（3）搭接配置图2-1钻孔(人工挖孔)灌注桩挡墙套管(钻孔)咬合桩挡墙套管(钻孔)咬合桩施工顺序如图2-2所示，A1桩为砂桩，起到不同工段的施工衔接作用。施工顺序为B1→A1→B2→C1→B3→C2→B4→C3……，当施工中断时，只能把最后施工的素混凝土桩改为砂桩(B4桩位置)。素混凝土桩在灌注时加入了高效缓凝剂，初凝时间为60h，因此，单桩成桩时间不得大于20h，且须连续作业。该支护结构已被广泛应用于深圳、广州、南京、苏州、西安等地的地铁车站深基坑支护的设计与施工中，无锡地铁一号线湖滨路站、大学城站拟采用。图2-2A为砂桩；B为前序桩(素混凝土桩)；C为后序桩(钢筋混凝土桩)套管(钻孔)咬合桩挡墙图2-4CX1侧向位移变形图图2-5CX2侧向位移变形图302520151050-80-4004080120开挖4周开挖8周开挖12周开挖16周深度/m侧向位移值/mm302520151050-120-80-4004080开挖第4周开挖第8周开挖第12周开挖第16周侧向位移值/mm深度/m套管(钻孔)咬合桩挡墙图2-6道路沉降变化图套管(钻孔)咬合桩挡墙图3.1河定桥站平面布置图套管(钻孔)咬合桩挡墙图3.1河定桥站平面布置图2.地下连续墙地下连续墙的施工顺序:①修筑导墙(图2-13)；②泥浆制备与护壁；③成槽；④清底；⑤钢筋笼的加工和吊放；⑥混凝土的浇筑。（2）地下连续墙的施工图2-12地下连续墙施工程序示意图图2-13现浇混凝土导墙的断面形式地下连续墙的接头分为施工接头和结构接头常用的施工接头接头管（亦称锁口管）接头接头箱接头隔板式接头接头管接头的施工程序图2-14接头管接头的施工程序(a)开挖槽段；(b)吊放接头管和钢筋笼；(c)浇筑混凝土；(d)拔出接头管；(e)形成接头1—导墙；2—已浇筑混凝土的单元槽段；3—开挖的槽段；4—未开挖的槽段；5—接头管；6—钢筋笼；7—正浇筑混凝土的单元槽段；8—接头管拔出后的孔洞接头箱接头的施工程序图2-15接头箱接头的施工程序(a)插人接头箱；(b)吊放钢筋笼；(c)浇筑混凝土；，(d)吊出接头箱，(e)吊放后—槽段的钢筋笼，｝(f)浇筑后—槽段的混凝土，形成