基坑支護是對基坑側(cè)壁及周圍環(huán)境的支護、加固和保護措施,以確保地下結(jié)構(gòu)施工和基坑周圍環(huán)境的。
中華人民共和國行業(yè)標準《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》對基坑支護的定義如下:為保護地下主體結(jié)構(gòu)施工和基坑周邊環(huán)境的,對基坑采用的臨時性支擋、加固、保護與地下水控制的措施。
一、基坑支護工程的常見形式如下:
(一)邊坡開挖:
優(yōu)點:成本,施工進度快。
缺點:回填土方大,雨季浸泡容易局部坍塌。
適用:場地開闊,土層好,周圍無重要建筑物和地下管線。
(二)土釘墻:
優(yōu)點:穩(wěn)定可靠,經(jīng)濟性好,效果較好。
缺點:土壤質(zhì)量差的地區(qū)難以使用,需要土方配合分層開挖,施工現(xiàn)場需要投入更多的設(shè)備。
適用:主要用于土質(zhì)較好的地區(qū),開挖較淺的基坑。
(三)復(fù)合土釘墻:
優(yōu)點:復(fù)合土釘墻具有擋土止水的雙重功能;一般坑內(nèi)無支撐,便于機械化挖掘。
缺點:施工周期較長。
適用:軟土層、回填土或場地限制的垂直開挖區(qū)域。
(四)鋼板樁:
優(yōu)點:耐久性好,二次利用率高;施工方便,工期短。
缺點:不能阻擋土壤中的小顆粒和水,地下水位高的地區(qū)應(yīng)采取隔水或降水措施;懸臂抗彎能力弱,開挖后變形大。
適用:懸臂支護適用于小于4m基坑。
(五)灌注樁+錨索:
優(yōu)點:墻體強度高,剛度大,支撐穩(wěn)定性好,變形小。根據(jù)土層和工期要求,成孔設(shè)備可選擇性多。
缺點:成本高,工期長。樁間縫隙容易造成水土流失,尤其是在高水位砂層地區(qū)。
適用:主要用于2層及以上地下室支護設(shè)計的基坑,采用錨索控制變形。坑深8~20m 的基坑工程, 適用于較差的土層。
(六)重力水泥土擋墻:
優(yōu)點:施工無污染,施工簡單,由于重力結(jié)構(gòu),可不使用錨桿或支撐,便于基坑土方開挖施工,防滲性好,擋土墻、止水帷幕雙重效果,成本相對較低。
劣勢:施工速度較慢,因需攪拌樁達到一定齡期方可開挖,基坑加深,則擋墻寬度加寬,造價增加較大,對于較厚軟土區(qū)域攪拌樁無法穿透時,基坑變形相對較大。
適用:厚回填土、淤泥、淤泥質(zhì)土區(qū)。
(七)地下連續(xù)墻:
優(yōu)點:剛度大,止水效果好。
缺點:成本高,施工現(xiàn)場要求高,施工要求專用設(shè)備。
適用:地質(zhì)條件差、復(fù)雜,基坑深度大,周邊環(huán)境要求高。
(八)SMW工法:
優(yōu)點:施工基本無噪聲,對周圍環(huán)境影響小,結(jié)構(gòu)強度可靠,防水防滲性能好,深基坑可配合多個錨索或支撐,H 型鋼可回收,降低成本。
缺點:施工場地軟樁機行走不穩(wěn)定,或?qū)Р坶_挖深,溝壁不穩(wěn)定,導致攪拌樁機傾斜,影響攪拌樁垂直度;遇到更多的地下障礙物則無法施工;如果在中密度以上的沙層中施工超過18m極易發(fā)生埋鉆事故,而且鋼樁憑自重不能插到設(shè)計深度。
適用:可應(yīng)用于泥土、粉土、粘土、砂土、砂、礫石、卵石等土層。
(九)圍護樁+混凝土支撐:
優(yōu)點:充分發(fā)揮材料優(yōu)勢;加快土方開挖和運輸速度;降低工程成本;不受周邊場地不足的限制。
缺點:重量大,對環(huán)境有害,成本略高于鋼內(nèi)支撐,拆除較為困難,產(chǎn)生工程垃圾多。
(十)圍護樁+裝配式鋼支撐:
優(yōu)點:無現(xiàn)場現(xiàn)澆節(jié)點,安裝速度更快,施工質(zhì)量更容易保證;鋼結(jié)構(gòu)為延性材料,抗震性能更好;鋼結(jié)構(gòu)重量輕,基礎(chǔ)成本低;鋼結(jié)構(gòu)為可回收材料,綠色環(huán)保;精心設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制建筑比預(yù)制混凝土建筑更經(jīng)濟。梁柱截面較小,可獲得更多的使用面積。
缺點:與預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)相比,外墻體系與傳統(tǒng)建筑不同且復(fù)雜,如果設(shè)計不當,鋼結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)更貴。
二、基坑支護的特點:
1、基坑支護工程是不同地區(qū)地質(zhì)條件不同的臨時工程。
2、基坑支護工程成本高,開工量大,技術(shù)復(fù)雜,涉及面廣,變化因素多,事故頻繁。
3、基坑支護工程向大深度、大面積發(fā)展,有的長度寬度超過100米,深度超過20米。
4、在軟土、高地下水位等復(fù)雜場地條件下開挖基坑,容易產(chǎn)生土體滑動、基坑不穩(wěn)定、樁體變位、坑底隆起、支撐結(jié)構(gòu)嚴重漏水等問題,對周邊建筑物、地下結(jié)構(gòu)和管道的構(gòu)成重大威脅。
5、基坑支護工程許多環(huán)節(jié)密切相關(guān)的,如擋土、支護、防水、降水和挖掘。一個環(huán)節(jié)的失敗將導致整個項目的失敗。
6、基坑支護工程成本高,是臨時工程。一旦發(fā)生事故,很難處理,造成嚴重的經(jīng)濟損失和社會影響。
7、基坑支護工程施工周期長。
三、基坑支護設(shè)計要求
(一)設(shè)計使用期限
在大多數(shù)情況下,基坑支護是主體結(jié)構(gòu)地下部分施工采用的臨時措施,地下結(jié)構(gòu)施工完成后,基坑支護也完成其作用;基坑工程施工條件一般比較復(fù)雜,容易受到環(huán)境氣象因素影響,施工周期不宜過長。因此,支護設(shè)計的有效期一般不超過兩年,但也不小于一年。
對于大多數(shù)建筑工程,一年的支護期可以滿足主地下結(jié)構(gòu)的施工周期要求。對于有特殊施工周期要求的工程,應(yīng)根據(jù)實際情況延長支護期,并考慮荷載等設(shè)計條件。
按主體結(jié)構(gòu)設(shè)計期限要求支護結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)"兩墻合一"的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用期限。
(二)基坑支護等級
1、基坑工程設(shè)計等級
GB50007將基坑工程視為地基基礎(chǔ)的一部分,分為甲、乙、丙三個設(shè)計等級。
不同設(shè)計等級的基坑工程原則上的差異主要體現(xiàn)在對于變形控制和地下水控制的要求上。設(shè)計等級為A級的基坑,除基坑支撐結(jié)構(gòu)變形外,還應(yīng)計算基坑周圍的地面沉降和周圍受保護對象的變形;在場地水文地質(zhì)條件復(fù)雜時、設(shè)計等級A級的基坑應(yīng)進行地下水控制的專項設(shè)計,主要目的是在充分掌握場地地下水規(guī)律的基礎(chǔ)上,減少因地下水處理不當對周圍建(構(gòu))筑物和地下管線的損壞。
2.支撐結(jié)構(gòu)的等級和重要性系數(shù)
規(guī)范GB50007建議,在基坑工程設(shè)計中,應(yīng)根據(jù)支護結(jié)構(gòu)損壞的嚴重程度,確定支護結(jié)構(gòu)的等級。基坑支護結(jié)構(gòu)在施工或使用過程中可能會遇到不可預(yù)測的負荷條件。因此,基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計中使用的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ的值不得小于 1.0。
規(guī)程JGJ 120 中將支護結(jié)構(gòu)的等級分為一、二、三級,分別結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ不得小于1.1、1.0、0.9;在分析各種穩(wěn)定性時,穩(wěn)定系數(shù)的值也與支撐結(jié)構(gòu)的等級有關(guān)。支撐結(jié)構(gòu)的等級越高,穩(wěn)定系數(shù)的值越高。
選擇支撐結(jié)構(gòu)等級的原則是:周邊具有住宅、公共建筑、道路或地下管道,或由于地質(zhì)條件復(fù)雜,缺乏類似地質(zhì)條件下相似基坑深度的經(jīng)驗,支撐結(jié)構(gòu)破壞、基坑不穩(wěn)定或過度變形對人類生活、經(jīng)濟、社會或環(huán)境影響很大,等級為一級。當支撐結(jié)構(gòu)損壞、基坑過度變形不會危及人類生命、輕微經(jīng)濟損失、對社會或環(huán)境影響較小時,等級可分為三級。對于大多數(shù)基坑,等級應(yīng)分為二級。
對于內(nèi)支撐結(jié)構(gòu),當基坑一側(cè)支撐不穩(wěn)定損壞會影響基坑另一側(cè)支撐結(jié)構(gòu)因力變化而連續(xù)倒塌時,相互影響的基坑兩側(cè)支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)達到相同的等級。
(三)基坑支護設(shè)計基本要求
1、基坑工程設(shè)計應(yīng)包括以下內(nèi)容:
(1)支撐結(jié)構(gòu)體系方案與技術(shù)經(jīng)濟比較;
(2)基坑支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性驗算;
(3)計算支撐結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性和變形;
(4)地下水控制設(shè)計;
(5)對周圍環(huán)境影響的控制設(shè)計;
(6)基坑土方開挖方案;
(7)基坑工程監(jiān)測要求。
2、基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)符合下列規(guī)定:
(1)所有支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)滿足承載力、變形計算和土體穩(wěn)定性驗算的要求
①支撐結(jié)構(gòu),包括支撐系統(tǒng)或錨桿結(jié)構(gòu),應(yīng)滿足構(gòu)件材料強度和穩(wěn)定設(shè)計的要求。
②變形要求,基坑開挖引起的地層移動和地下水位變化,從而引起的地面變形不得超過基坑周圍建筑物和地下設(shè)施的允許值,也不得影響基坑工程基樁的或地下結(jié)構(gòu)的施工。
③穩(wěn)定性要求,指基坑周圍土體的穩(wěn)定性,即無土體滑動破壞,無滲流造成流砂、流土、管涌、支撐結(jié)構(gòu)和支撐系統(tǒng)不穩(wěn)定。
(2)設(shè)計等級為甲、乙級的基坑,應(yīng)計算土方開挖、降水引起的基坑內(nèi)外土體變形。
(3)高地下水位區(qū)設(shè)計等級為甲級的基坑,應(yīng)進行地下水控制專項設(shè)計。
3、基坑支護設(shè)計要求
(1)設(shè)計應(yīng)設(shè)置支護結(jié)構(gòu)的水平位移控制值和基坑周圍建筑物的沉降控制值,并提出基坑周圍荷載限值、地下水和地表水控制等基坑的明確使用要求。這些設(shè)計條件和基坑使用要求應(yīng)作為設(shè)計文件中的重要內(nèi)容清楚地反映在設(shè)計文件中,結(jié)構(gòu)設(shè)計的總平面圖和剖面圖應(yīng)準確標記,施工注意事項應(yīng)在設(shè)計說明中注明,嚴格防止支撐結(jié)構(gòu)施工和使用期間的實際情況超過這些設(shè)計條件。
(2)支護結(jié)構(gòu)與主體地下結(jié)構(gòu)之間應(yīng)留有足夠的施工工作空間,設(shè)置的錨桿、腰梁、內(nèi)支撐不得妨礙主地下結(jié)構(gòu)施工和防水施工。
(3)當支撐結(jié)構(gòu)簡化為平面結(jié)構(gòu)模型時,沿基坑周圍垂直平面的設(shè)計條件往往會有所不同。除了基坑深度、周圍環(huán)境條件和附加載荷可能不同外,地質(zhì)條件的變化是支撐結(jié)構(gòu)不同于上部結(jié)構(gòu)的一個非常重要的特殊性。自然形成的土層在基坑規(guī)模范圍內(nèi)的分布和厚度往往存在較大差異,當基坑深度、周圍環(huán)境和地質(zhì)條件存在差異時,這些差異對支撐結(jié)構(gòu)的土壤壓力荷載的影響不容忽視。因此,計算部分的劃分應(yīng)根據(jù)基坑各部分的開挖深度、周圍環(huán)境條件、地質(zhì)條件等因素進行劃分。每個計算部分應(yīng)根據(jù)不利的條件進行計算。
(4)支撐結(jié)構(gòu)的計算應(yīng)根據(jù)基坑開挖和支撐結(jié)構(gòu)的實際情況進行計算,設(shè)計和計算的工作條件應(yīng)與實際施工條件一致。設(shè)計文件應(yīng)指出支撐結(jié)構(gòu)各部件的施工順序和相應(yīng)的基坑開挖深度,防止基坑開挖未完成未按計劃要求開挖,導致開挖過度造成工程事故。