基坑 研究综述

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地铁深基坑工程研究以及围护结构形式综述

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摘要：随着人口的增长，大城市交通拥挤问题愈发严重，地下空间的开发与利用显得尤为重要。伴随基坑工程的持续发展，对基坑的开挖，支护结构的设计、计算提出了更严格的要求。本文对地铁以及基坑的发展现状以及深基坑的研究方法和常见的围护结构形式做了简单的概述。 关键词：地铁；地下空间；深基坑；支护方式；施工工艺

Abstract:As the booming of the population，the traffic fairs becomes more worsen，particularly in metropolitan areas.The exploitation and utilization of underground space seems especially significant. With the sustainable development of foundation pit engineering，which brings more strict request for the excavation of foundation trench and the design of supporting structure. This paper simply sketch out the development status of metro and foundation ditch and research method of deep foundation pit and the common exterior protected construction. Keywords: metro；underground space；deep foundation pit ; support pattern ;construction technology .

个复杂多变的综合性岩土工程难题，包含土力学中的强度与稳定性问题，又涉及变形问题。地质勘查报告的详尽性、地下水降水方案的合理性、设计过程中考虑各种影响因素的综合性、基坑与围岩支护结构设计的优化性以及计算的准确性、变形监测的及时有效性、施工组织过程中的科学完备性等都将对整个工程的作业期间的工作人员和周围道路与建筑物的安全、施工的质量、开挖过程中的围岩稳定以及变形的大小、基坑的稳定性、施工工期的长短等起着决定性的作用。

1 引言

近年来，我国的经济得到大力的发展，社会明显进步，人民的生活水平不断地提升，随着越来越多的人涌入城市，诸如北京、上海等大城市的建设规模也逐渐加大。为了缓解伴随经济和人口的快速增长的生活需求、交通拥挤、环境污染等日益严重的问题，超高层建筑、地下建筑、长深隧道、地铁与轻轨、地下商城等大规模工程不断得到开发与利用，特别是地下空间发展城市轨道交通，极大地缓解了城市的交通拥挤问题。由于建筑结构的复杂性以及地下环境的多元变化性，传统的浅基坑开挖以及支护手段已经无法满足目前地下空间施工、结构安全性、经济性等各项相求。基坑工程规模的不断扩展，深度的不断扩大，特别是位于地表周边建筑物比较密集、地下管线纵横交错、环境保护要求很高的城市中心地带，确保施工过程中的安全性，减少事故发生的可能性显得尤为重要。

城市深基坑工程是地下工程与基础工程中一

2 地铁及基坑工程的发展概况

19世纪60年代，世界上第一条地下铁道在英国伦敦的Bishops与Padington之间用明挖法施工并建成通车，路线长约6.4km，标志新的交通方式的诞生。随后又有纽约（1867年）、芝加哥（1892年）、布达佩斯（1896年）、格拉斯哥（1897年）、巴黎（1900年）等城市修建了地铁。鉴于地铁具有安全、快捷、方便、准时的特点，有利于改造地面环境，

减少噪音和减少废气污染，同时可节约地面空间，保护城市中心区域有限的地面资源，完善城市的交通服务功能以及防御战争和抵抗地震破坏等优点，世界各国开始大力发展地铁建设。到20世纪上半叶，有柏林、纽约、东京、莫斯科等12座城市修建地铁。很多世界性的大城市都已经形成了四通八达的地铁交通系统。

我国于1965年7月1日在北京开始修建第一条地铁，并于1969年10月1日投入运营，到2015年，北京地铁线路总长度将超过570km。目前，我国已有重庆、成都、哈尔滨、武汉、沈阳、西安、杭州和宁波等20多个城市正在修建或计划修建地铁。到2015年我国的城市轨道交通投入运营里程可达到1700km，投资超过1万亿元。随着国民经济的飞速发展，作为城市基础建设的一个重要方面，我国的地下铁道交通必须而且也必然会获得巨大的发展机会，开发和利用地下空间将是以后城市发展的主要趋势。

在基坑工程出现的初期，深基坑常见于开挖深度小于10米的建筑物中。当时的地质勘查资料短缺，设计理论不够完善，施工机械以及施工方法不够先进，基础开挖常采用放坡式，基础形式常采用筏基，围护及支撑系统采用刚度较小的木支撑等结构。常常造成基坑失稳，且周边的建筑物以及管线发生破坏，工程事故频发。因而水文地质勘查以及施工过程中的实时监测越来越受到人们的重视。随着高层以及地下空间的开发利用，基坑的开挖深度与规模也显著增大，施工条件也日益复杂。这个时段除了重视地质勘查之外，施工技术有了较大的提高，施工工序有了合理的安排。工程应用当中一般采用结构力学中的连续墙的分析理论进行设计，并通过适时地安全监测对基坑变形进行预测，减少工程事故发生的概率，逐渐形成和完善了很多的施工经验。

而后随着计算机的发展，科研工作者有效利用工程经验以及监测结果，开始将有限元分析法运用于工程当中解决实际问题并开发了一系列的分析软件，缩短了计算时间，提高了设计数据的准确性。并且采用了较为符合实际工程情况的弹塑性本构模型，且开发了相应的诸如MATLAB之类的数据处理软件，得到了较为合理的分析结果，使得对基坑变形的预测更加接近实际，初步应用刘建航院士提出的符合基坑工程特点的时空效应理论指导施工，更能提高施工效率，起到了保护基坑环境的作用。随着大城市中心地区地铁等地下长深工程的发展，开挖深度的增大，工程环境更加复杂多变，周

围环境的影响因素更加敏感。为了更好地保护基坑周边环境，工程界广泛应用基坑的时空效应理念来指导实际工程，充分利用基坑变形的时空效应来进行设计与施工作业。同时模拟软件的出现，地下空间渗流场、应力场、应变场与温度场等耦合分析研究，使得更加贴近工程实际，对基坑的设计与施工有了更加科学合理的指导。

3 国内外深基坑工程研究现状

3.1 深基坑支护方法的研究

长期以来的实践证明，深基坑工程处于复杂多变的地下环境当中，是实践性很强的岩土工程难题，发展至今，尚未有统一的完善理论来指导设计与施工。基坑开挖过程中，变形主要由周围地表沉降、基坑底部土体隆起及围护结构位移三大部分组成。由于建设发展的需要，国内外专家学者与工程技术人员结合工程实际进行了大量的科学研究，并取得了相当丰富的研究成果。主要有以下深基坑结构设计理论与方法：等值梁法、竖向弹性地基梁法、连续介质有限单元分析法。

等值梁法[1]是最早应用于挡土结构为钢板桩时的计算，等值梁法把围护结构简化为两根梁进行计算，是典型的强度控制计算方法。其传力比较简单，计算比较明确，参数很容得到，在计算过程中考虑的因素较少，不能计算围护结构体系的侧向变形，且计算后的误差很大，仅适用于地质条件单一，深度不大、周围建筑无变形约束的简单基坑，很难适用于现阶段复杂、深大基坑的设计要求，得不到广泛的应用。

有限单元法[2]由于能模拟土体的变形特性、复杂开挖过程以及设置边界条件等优点，在20世纪70年代由于计算机技术的发展，在基坑中得到了广泛的应用。主要包括连续介质有限元与弹性杆系有限元法。1971年Wong与Clough首先采用平面有限元方法分析了有内支撑的基坑开挖问题[3]。连续介质有限单元法的主要模型为：Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型、Duncan-chang模型、修正剑桥模型等。由于岩土体应力与应变的本构关系的不确定性，以及工程区域不同造成参数的异性，只能作为大型工程设计分析设计过程中的辅助手段，很难在实际工程中得到直接应用。竖向弹性地基梁法的研究对象是基坑支护，在过程中应用较广泛。基坑开挖面以上的内支撑点用弹性支座模型模拟，基坑外的土体产生的主动土压力作为已知荷载

作用在弹性地基梁上，而基坑内开挖面以下作用在支护结构上的弹性抵抗力以水平弹性支座来模拟。其计算中的水平基床系数K值不变，利用反算的K值预报位移值，并不断量测、反算、预报，确保工程的安全性。有限元分析法需要确定大量的参数，编写程序也较为复杂，但是贴近工程实际。

3.2 深基坑土压力的研究

土压力问题是地下结构物与土体相互作用的结果，是岩土工程的基本问题，是对深基坑进行进一步设计的前提。最早的土压力理论来源于200多年前的Coulomb（1773年）与Rankine（1857年）[4]

，由于其简单性仍然为工程界所采用。随着认识的提高以及工程实践的增加，20世纪40年代的Terzaghi和Peck等学者提出了预估挖土刚稳定程度和支撑荷载大小的表观土压力和经典的土压力分布模式[5]，且一直沿用至今。

可列因（1960年）提出水平层分析法[6]，该法可反映土压力非线性分布特性。Rahardjo等（1984年）基于边坡稳定分析中的最优圆弧状滑裂面搜索方法[7]，采用条分法计算土压力。Liu等（2009年）采用滑移现场理论研究了圆形挡土墙轴对称下的土压力理论[8]。国内学者茅以升（1955年)就开始了对土压力理论的研究[9]。王鸿兴等（1988年）假定

滑裂面是变化的函数[10]，建立了土压力的极值泛函微分方程，得到了基于极限平衡原理的闭合解答。应宏伟（2006年）假定平行竖墙间小主应力拱形线喂悬链线，推导了考虑土拱效应的平行墙间侧土压力计算公式[11]。并出现了相应的土压力模型：线性土压力模型（森重龙马[12]）、正弦函数土压力模型（徐日庆[13]）、Sigmoid函数i压力模型（周瑞忠[14]）、自然指数土压力模型（杨国雄[15]）、双曲线土压力模型（卢瑞明[16]）等。对于土压力计算的研究取得了很丰厚的成果，但是也需要做出进一步的研究。 3.3 深基坑检测技术的研究

基坑开挖是一个动态过程，如支护结构与岩土

体的流变现象、土压力与结构内力的变化、地下水

位的涨落，周围构建物的位移变化等，而工程设计

基本上是根据定值的静态设计，也就造成了设计与

实际情况的偏差。需要运用精密的监测仪器以及合

理的监测实施方案（如激震检测法[17]

，超声波检测

法[18]），对所在的深基坑变形与周围构建物位移进

行科学的检查与监控，从而避免事故的发生，有利

于变形的控制，为设计的优化提供科学数据。

深基坑监测的主要内容包括：深基坑周边的地表沉降，深基坑底部土体的隆起，周围建筑、地下管线的变形，围护墙体深层水平位移，围护墙顶竖向位移，围护墙顶水平位移，围护墙体内力、支撑内力与变形，锚杆拉力，立柱侧向与竖直位移，地下水位变化等。监测也应该分清主次与侧重点，这就需要对工程设计以及工程施工过程相当熟悉，认清对于基坑结构的主要影响部位与因素，重点部位慎重对待，难点问题不逃避。

深基坑监测的目的：通过现场实际监测采集相应的数据，进行分析以便检验原设计的真实可靠性。并且可以将测得的数据进行系统的反分析，得到符合检测阶段的各种设计参数，从而进行优化设计并进行下阶段的设计，再采集数据进行分析，如此周而复始，使设计由静态变为动态。从而达到提高深基坑设计与施工的水平，采取预防措施以避免安全事故发生的目的。

由于各地区各工程实际情况的不一致，目前国内外对于基坑变形的允许值尚无统一的规定。具体实际可以参考同类的工程的变形值与经验来确定。2009年，我国正式颁布了《建筑基坑工程检测技术规范》[19]，标志我国基坑工程监测的技术慢慢走向成熟。

3.4 深基坑稳定性的研究

由于支护结构的重要性， 深基坑支护结构在设计时就必须先进行稳定性分析。当然深基坑的工程事故与施工前的地质勘查、施工开挖作业、施工管理、支护结构设计、现场监测以及邻近建筑物的影响等因素密切相关。目前主要还是以结构的抗力R与荷载S作为稳定系数来评价基坑支护的稳定性

[20]

，即传统的安全系数法。 即：当R >S时，抗力大于作用效应，结构处 于安全状态；

当R =S时，抗力等于作用效应，结构处于极限平衡状态； 当R 效状态；

通常采用圆弧滑动稳定条件与极限土压力平

衡条件来进行验算[21]，主要包括支护体的整体滑

动，抗倾覆、基坑的隆起等等。在实际的工程中，

安全系数的确定带有主观色彩，仅凭设计施工人员的经验，将荷载、抗力看成不变的定值，精确度不

高，容易存在较大的工程隐患。

综上所述，不论是深基坑的支护方法、土压力

的计算还是检测手段、稳定性的确定在取得一定的研究成果的同时，都存在诸多不足之处，难以符合深基坑工程发展的要求。深基坑工程工作面临的困难多，因素复杂多变，但是深基坑的建设无疑是对社会的发展起推动的作用，这将鼓励广大的工程师以及科研工作者去努力完成与完善这一项艰巨的任务。

地下铁道车站应该根据车站规模、运营要求、地面周边环境、工程地质水文条件、经济技术指标、能使用的技术设备等因素，同时考虑施工误差、结构变形和后期沉降的影响选用合理的围护结构，达到支护与防水的目的。

4 常用的围护结构类型及其特点

4.1 板桩

板桩分为钢板桩与预制混凝土板桩。钢板桩是一种边缘带有联动装置，有U型、H型、Z型之分，且这种联动装置可以自由组合以便形成一种连续紧密的挡土或挡水墙的结构体。其特点如下：（1）施工简单，工期缩短，能降低对场地空间的要求。（2）不受天气条件的影响，时效性强，适合抢险救灾。（3）能简化检查材料或系统性能的复杂程序，可重复使用，节约资金。（4）承载能力强，水密性好，施工环保。（5）技术不够成熟，钢板质量易出现问题。（6）需注意接头渗水问题，刚度低，变形大。（7）打拔桩时噪音大，周围土体沉降大，不适合在城区作业。

预制混凝土板桩一般在工厂预制好，再运输至工地的成本较灌注桩高的一种支护结构。其具有施工简单、易成型、现场作业周期短、能与主体结构结合的优点。但一般采用锤击办法，噪音大，同时在沉桩过程中挤土严重，在城市过程中应用少。

4.2 灌注桩

灌注桩分为钻孔灌注桩与挖孔灌注桩。挖孔灌注桩是依靠人工挖掘成孔，而后浇筑混凝土形成的桩体结构。其特点如下：开挖机具简单、不受设备和工作面限制，可在若干个孔同时开工；无振动、无噪音、无泥浆，对周围环境不会产生污染；成桩质量好，持力层清楚；对临近结构与地下设施影响小；不适用于地下水丰富的地区，对具有流动性淤泥、流沙的地区不宜采用；工期长，仅适用于竖向成孔，桩体直径大。钻孔灌注桩一般利用螺旋钻机，

同时借助泥浆护壁的原理进行成孔灌注作业。广泛应用于地铁与轻轨车站基坑开挖中的围护结构。具有成孔效率高、质量好、无振动、无噪音的优点。特别适用于施工速度快的粘性土、淤泥、砂性土和碎石土，尤其适用于地下水位较高的地区。

4.3 自立式水泥土挡土墙

自立式水泥挡土墙主要分为水泥土深层搅拌桩挡土墙与高压旋喷桩挡土墙。水泥土深层搅拌桩是利用水泥、石灰等材料作为固化剂，通过深层搅拌机械，将软土和固化剂如浆液或粉体强制搅拌、利用固化剂与软土之间所产生的一系列物理化学作用，使软土硬结成为具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体。适用于饱和粘土，包括淤泥、淤泥质土、粘土和粉质粘土等，对于氯化物浓度高、有机质含量高、酸碱度较低的粘性土的加固效果差。支挡结构不透水，使用的材料为水泥，具有较好的经济效益。其抗拉强度低，因此常排列为格栅形式，成为重力式挡土墙，或在其中加入型钢加压改良。

高压旋喷桩是用钻机钻孔值需要深度以后，用高压脉冲泵，通过安装在钻杆底端的喷嘴旋转向四周喷射化学浆液，同时旋转上提，用高压射流破坏孔周围土体结构并使破坏的土体与化学浆液融合、胶结硬化而形成具有一定强度的圆柱体。其施工占地少、振动小、噪音低、但易污染环境，工艺复杂，造价高。用途较广，可以提高地基抗剪强度，以及加固地基，改善土的变形性质，稳定边坡等。适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑粘性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基。对于基岩和碎石土中的卵石、块石、漂石呈骨架结构的地层，地下水具有腐蚀性，应慎重使用。

4.4 地下连续墙

地下连续墙，又称地下连续壁或地中连续壁，指从地面上延着拟建的地下结构或高层建筑基坑的周围，用特制的挖槽机械，在泥浆护壁状态下开挖一定长度的沟槽，然后将钢筋笼掉放入沟槽，用导管在充满泥浆的沟槽中浇筑混凝土，混凝土从沟槽底部逐渐向上浇注，同时将泥浆置换出来，在地下形成钢筋混凝土墙段，把各单元墙段用特制接头逐一连接起来，而形成一个整体连续的地下维护结构。地下连续墙具有挡土、防水抗渗以及承重等功能，广泛应用于深基坑 支护结构、地下车库、地下铁道等方面。主要优点是适用于多种地质条件，施工时无振动、噪音低、防水抗渗性能好以及无需

放坡和支模，缩短施工时间，墙体刚度大于一般挡土墙，能承受较大的土压力，可以避免地基沉陷与塌方，可用于建筑物密集的城市地区。其不足之处在于每段连续墙之间的接头质量较难控制，容易成为结构的必弱环节，制浆以及处理系统占地大，要用专门机械设备进行施工，需要较高的施工技术，施工工艺复杂，单体工程造价高，特别是如果施工现场管理不善，会造成施工现场环境泥泞潮湿，钢材也不能循环利用。

4.5 锚杆

锚杆由杆体、锚固体和锚具组成，锚固体锚固在稳定的土层中。锚杆的受力承受部分是位于锚孔中心的杆体，杆体所受之力通过拉杆周边的握裹力传递到水泥砂浆中，再通过水泥砂浆周边的摩阻力传递到周围稳定土层中。分为预应力锚杆与非预应力锚杆两类。锚杆支护技术的应用较晚，并以其独特的性质成为工程中常用的支护方式。其具有以下特点：（1）造价低，支护效果好，节约了材料，提高了场地的利用率；（2）施工方便，锚杆施工所占的空间以及资源少，施工工期短，适合于煤矿以及地铁深基坑支护；（3）锚杆注浆可以改变工程土体的潜在力学性能，短时间内就可以达到很好的效果，提高基坑侧壁的支撑力；（4）基坑位移相对较小，安全性能高；（5）可以加固软弱土体，增强土体的稳定性，减小甚至阻止土体的滑移。锚杆支护是一种较新的深基坑支护技术，是挡土结构域外拉系统相结合的一种深基坑组合支护结构，经常与地下连续墙、挡土墙、灌注桩、板桩等支护方式联合使用。其施工工艺领先于设计理论，在很多工程方面取得了经验的成功，理论方面有待进一步完善。

5 结论

深基坑工程是一个比较复杂多变，综合性强的岩土工程问题。本文在前人工作的基础上，结合当今工程现状，主要进行了以下工作：介绍了地铁与基坑的发展历程；重点分析了支护方法的研究进展，土压力计算方法的发展，监测技术的手段方法，基坑稳定性的确定方法；详细罗列了地铁基坑围护结构的形式以及施工特点。21世纪是地下空间蓬勃发展的黄金时期，深基坑工程发展起着至关重要的作用，设计计算方法、施工工艺以及管理理念等要走的路还很长。需要作为科研工作者的我们大力完

善理论知识，并且紧密联系工程实际，将理论与实践融合在一起，为地下事业的发展贡献力量，为人类生活的和谐健康发展谋福利。

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