(包头市建设工程安全监督站，内蒙古 包头 014030)
摘 要：论述了深基坑支护设计、施工、监测技术， 并针对某一工程的地质情况，对深基坑的土力学计算、深基坑的开控的空间效应、锚杆的计 算进行了设计，同时对深基坑的逆作法施工进行了较详细的论述。
关键词：深基坑；支护；压力；逆作法
中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2008)16—0104—03
1 深基坑支护的研究势在必行
随着经济建设的迅猛发展，城市的高层建筑大量涌现。由于城市地价愈益昂贵，向高空发展 和地下空间开发利用的趋势愈加强烈。建筑物高度越来越高，从而导致基坑开挖深度越来越 深。
城市中深基坑工程常处于密集的既有建筑物、道路桥梁、地下管线、地铁隧道或人防工程的 近旁，虽属临时性工程，但其技术复杂性却远甚于永久性的基础结构或上部结构，稍有不慎 ，不仅将危及基坑本身安全，而且会殃及临近的建构筑物、道路桥梁和各种地下设施，造成 巨大损失。从另一方面讲，深基坑工程设计需以开挖施工时的诸多技术参数为依据，但开挖 施工过程中往往会引起支护结构内力和位移以及基坑内外土体变形发生种种意外变化，传统 的设计方法难以事先设定或事后处理。有鉴于此，人们不断总结实践经验，针对深基坑工程 ，萌发了信息化设计和动态设计的新思想，结合施工监测、信息反馈、临界报警、应变(或 应急)措施设计等一系列理论和技术，制定相应的设计标准、安全等级、计算图式、计算方 法等。对开挖过程实施跟踪监测，并将信息及时反馈。这是为了掌握支护结构和基坑内外土 体移动，随时调整施工参数，优化设计，或采取相应措施，以确保施工安全，顺利进行。施 工监测的作用还在于检验设计的正确性，并有利于积累资料，为今后改进设计理论和施工技 术提供依据。
2 深基坑支护设计计算
2.1 深基坑支护类型选择
深基坑支护不仅要求确保边坡的稳定，而且要满足变形控制要求，以确保基坑周围的建筑物 、地下管线、道路等的安全。如今支护结构日趋完善，出现了许多新的支护结构形式与稳 定边坡的方法。
例如，根据包头某工程实际情况，经比较采用钻孔灌注桩作为挡土结构，由于基坑开采区主 要为黏性土 ，它具有一定自稳定结构的特性，因此护坡桩采用间隔式钢筋混凝土钻孔灌注 桩挡土，土层锚杆支护的方案，挡土支护结构布置如下：①护坡桩桩径600mm，桩净距1 000 mm；②土层锚杆一排作单支撑，端部在地面以下2.00mm，下倾18，间距1.6m；③腰梁一道， 位于坡顶下2.00m处，通过腰梁，锚杆对护坡桩进行拉结；④桩间为黏性土不作处理。
22 深基坑支护土压力
深基坑支护是近些年来才发展起来的工程运用学科，新的完善的支护结构上的土压力理论还 没有正式提出，要精确地加以确定是不可能的。而且由于土的土质比较复杂，土压力的计算 还与支护结构的刚度和施工方法等有关，要精确地确定也是比较困难的。目前，土压力的计 算，仍然是简化后按库仑公式或朗肯公式进行。常用的公式为：
主动土压力：
Ea=1/2γH2tg2(45-Φ/2)-
2CHtg(45-Φ/2)+2C2/γ
式中：Ea—主动土压力(KN)；
γ—土的容重，采用加权平均值；
H—挡土桩长(m) ；
Φ—土的内摩擦角()；
C—土的内聚力(KN)。
被动土压力：
EP=1/2γt2KPCt
式中：EP—被动土压力(KN)；
t—挡土桩的入土深度(m)；
KP—被动土压力系数，一般取K2=tg2(45-Φ/2)。
由于传统理论存在一些不足，在工程运用时就必须作经验修正，以便在一定程度上能够 满足工程上的使用要求，这也就是从以下几个方面具体考虑：
2.2.1 土压力参数。土压力参数：尤其抗剪强度 C/Φ的取值问题。抗剪强度指标的测定方法有总应力法和有效应办法，前者采用总应力C、 Φ值和天然重度γ(或饱和容量)计算土压力，并认为水压力包括在内，后者采用有效应力C 、Φ及浮容量γ计算土压力，另解水压力，即是水土分算。总应办法应用方便，适用于不透 水或弱透水的黏土层。有效应力法应用于砂层。
2.2.2 朗肯理论假定。朗肯理论假定墙背与填土之间无摩擦力。这种假设造成计算主动土压力偏大，而被动土 压 力偏小。主动土压力偏大则是偏安全的，而被动土压力偏小则是偏危险的。针对这一情况， 在计算被动土压力时，采用修正后的被动土压力系数KP，因为库仑理论计算被动土压力 偏 大。因此采用库仑理论中的被动土压力系数擦角δ，克服了朗肯理论在此方面的假定。可以 求得修正后的KP是：KP=〔CosΨDCosδ(KF)〕-Sin(Ψo+ δ)SinΨo〕2 式中是按等值内摩 擦角计算，对黏性土取ΦD=Φ是根据经验取值，δ一般为1/3Φ-2/3Φ 。
2.2.3 深基坑开挖的空间效应。基坑的滑动面受到相邻边的制约影响，在中线的土压力最大， 而造近两边的压力则小，利 用这种空间效应，可以在两边折减桩数或减少配筋量。
2.2.4 场内外排水。注意降排水，因为土中含水量增加，抗剪强度降低，水分在较大土粒表面形成润滑剂，使 摩擦力降低，而较小颗粒结合水膜变厚，降低了土的内聚力。
综上所述，结合本场地地质资料以及所选择的基抗支护形成，水压力和土压力分别按以下方 式计算。
水压力：因支护桩所处地层主要为黏性土层，且为硬塑中密状态，另开挖前已作降水处 理，故认为此压力采用水土合算是可行的。
土压力：桩后主动土压力，采用朗肯主动土压力计算，即：
Ea=1/2γH2tg2(45-Φ/2)-
2CHtg(45-Φ/2)+2C2/γ
桩前被动土压力，采用修正后的朗肯被动土压力计算，即：
EP＝1/2γt2KP+2KPCt
式中：KP＝〔CosΨCosδ-Sin(Ψ+δ)SinΨ 〕2
2.3 护坡桩的设计
该工程支护结构主要采用钢筋混凝土钻孔灌注桩加斜土锚的设计方案，桩的直径为600mm， 桩间净距为1 000mm。考虑基坑附近建筑屋的影响，笔者参照部分支护结构设计的相关情形 取地面均布载荷q=40KN/m。
2.3.1 桩上侧土压力。①桩后侧主动土压力，因为桩后土为三层(杂添土、黏土、粉黏土 )所以计算时采用加权平均值的C、Φ、γ，Φ=21.32，得：Ea=4.7H2-2.76H+108.49；② 桩前侧被 动土压力：因为桩前侧土为两层(黏土层、粉质粘土层)，所以计算时应采用加权平均 值的C ′、Φ′、γ′，得：EP＝33.89676t2+104.5t；③均布载荷对桩的侧压力：由公式Eq＝qKa H，得：Eq=18.672H。
2.3.2 桩插入深度确定。桩插入深度确定：计算前须作如下假设：①锚固点A无移动；②灌注桩埋在地下无移动；③ 自由端因较浅不作固定端，按地下简支计算。
A.建立方程：对铰点(锚固点)A求矩，则必须满足：ΣMA=0
所以有：1KEP(23t+h-a)=Eq〔23 (h+t)-a〕+Ep(h+t2-α)q
式中：K为安全系数，取2，得：8.31t3+82.97t2-138.75t=114.12
B.插入深度及柱长计算：根据实际情况t取最小正解；t=1.99m。
根据《建筑结构设计手册》及综合地质资料，取安全系数为1.2，所以桩的总长度为：L=h+1 .5t=8.5+1.2♀1.99=12.4(m)
2.3.3 锚拉力的计算。由于桩长已求出，对整个桩而言，由于力平衡原理可以求出A点的锚拉 力，ΣFA=0，即：E a+Eq=Ep+TA，取t=1.99解得：TA=194.35(KN)
3 逆作法施工技术的应用
经过工程实践的筛选，形成了适合于不同地质条件和基坑深度的经济合理的支护结构体系。
水泥土搅拌桩和土钉墙是我国目前的5m以内，后者乃至10m以内首选的支护形式，土层条件 好时，15m左右基坑亦经常使用。前者既能挡土又能挡水，后者较多地应用于地下水位较低 或者地下水位能够被疏于降低的场区。水泥土搅拌桩有好几种布置形式：实体式、空腹式、 格构式、拱形或拱形加钻孔灌注桩，既可以浆喷也可以粉喷。土钉墙可以单独使用，也可以 与其他支护形式联合使用。
对于5～10m深软土基坑，常采用钻(冲、挖)孔桩、沉管灌注桩或钢筋砼预制桩等，并可作 各种布置，如需防渗止水时，则辅之以水泥土搅拌桩、化学灌浆或高压注浆形成止水帷幕， 有时亦用钢板桩或H型钢桩。
当基坑深度>10m时，可考虑采用地下连续墙，或SMW工法连续墙，并根据需要设置支撑或 锚杆。
先沿建筑物地下室轴线或周围施工地下连续墙或其他支护结构，同时建筑物内部的有关位置 浇筑或打下中间支承桩和柱，作为施工期间于底板封底之前承受上部结构自重和施工荷载的 支撑。然后施工地面一层的梁板楼面结构，作为地下连续墙刚度很大的支撑，随后逐层向下 开挖土方和浇筑各层地下结构，直琢底板封底。同时，由于地面一层的楼面结构已完成，为 上部结构施工创造了条件，所以可以同时向上逐层进行地上结构的施工。如此地面上、下同 时进行施工，直至工程结束。
逆作法施工可缩短基坑开挖和支护结构大面积暴露的时间，改善支护结构受力性能，使其刚 度大为增强，节省支撑或锚杆的费用，使支护结构的变形及对相邻建筑物的影响大为减少， 从而使总造价降低，一举多得，是一种先进的施工作业方法。
3.1 逆作法分类
全逆作法：利用地下各层钢筋混凝土肋形楼板对四周围护结构形成水平支撑。楼盖 混凝土为整体浇筑，然后在其下掏土，通过楼盖中的预留孔洞向外运土并向下运入建筑材料 。
半逆作法：利用地下各层钢筋混凝土肋形楼板中先期浇筑的交叉格形肋梁，对围护结构形成 框格式水平支撑，待土方开挖完成后再二次浇筑肋形楼板。
部分逆作法：用基坑内四周暂时保留的局部土方对四周围护结构形成水平抵挡，抵消侧向压 力所产生的一部分位移。
分层逆作法：此方法主要是针对四周围护结构，是采用分层逆作，不是先一次整体施工完成 。分层逆作四周的围护结构是采用土钉墙。
3.2 工艺特点
①可使建筑物上部结构的施工和地下基础结构施工平行立体作业，在建筑规模大、 上下层 次多时，大约可节省工时1/3。②受力良好合理，围护结构变形量小，因而对邻近建筑的影 响亦小。③施工可少受风雨影响，且土方开挖可较少或基本不占总工期。④最大限度利用地 下空间，扩大地下室建筑面积。⑤一层结构平面可作为工作平台，不必另外架设开挖工作平 台与内撑，这样大幅度削减了支撑和工作平台等大型临时设施，减少了施工费用。⑥由于开 挖和施工的交错进行，逆作结构的自身荷载由立柱直接承担并传递至地基，减少了大开挖时 卸载对持力层的影响，降低了基坑内地基回弹量。⑦逆作法存在的不足，如逆作法支撑位置 受地下室层高的限制，无法调整高度，如遇较大层高的地下室，有时需另设临时水平支撑或 加大围护墙的断面及配筋。 由于挖土是在顶部封闭状态下进行，基坑中还分布有一定数量 的中间支承柱和降水用井点管，目前尚缺乏小型、灵活、高效的小型挖土机械,使挖土的难 度增大。但这些技术问题相信很快会得到解决。
3.3 经济效益
采用逆作法，一般地下室外墙与基坑围护墙采用两墙合一的形式，一方面省去了单独设 立的围护墙，另一方面可在工程用地范围内最大限度扩大地下室面积，增加有效使用面积。 此外，围护墙的支撑体系由地下室楼盖结构代替，省去大量支撑费用。而且楼盖结构即支撑 体系，还可以解决特殊平面形状建筑或局部楼盖缺失所带来的布置支撑的困难，并是受力更 加合理。由于上述原因，再加上总工期的缩短，因而在软土地区对于具有多层地下室的高层 建筑，采用逆作法施工具有明显的经济效益。一般可节省地下结构总造价的25%～35%。
3.4 环境效益
噪音方面：由于逆作法在施工地下室时是采用先表层楼面整体浇筑，再向下挖土施工，故其 在施工中的噪音因表层楼面的阻隔而大大降低，从而避免了因夜间施工噪音问题而延误工期 。
扬尘方面：通常的地基处理采取开敞开挖手段，产生了大量的建筑灰尘，从而影响了城市的 形象；采用逆作法施工，由于其施工作业在封闭的地表下，可以最大限度地减少扬尘。
3.5 社会效益
交通方面：由于逆作法采取表层支撑，底部施工的作业方法，故在城市交通土建中大有用武 之地，它可以在地面道路继续通车的情况下，进行道路地下作业，从而避免了因堵车绕道而 产生的损失。
采用了逆作法，＋0.00层平板结构先完成，可以利用结构本身作内支撑。由于结构 本身的侧向刚度是无限大的，且压缩变形值相对围护桩的变形要求来讲几乎等于零。因此， 可以从根本上解决支护桩的侧向变形，从而使周围环境不至出现因变形值过大而导致路面沉 陷、基础下沉等问题，保证了周围建筑物的安全。
采用逆作法施工，地下连续墙与土体之间黏结力和摩擦力不仅可利用来承受垂直荷载 ，而且还可充分利用它承受水平风力和地震作用所产生建筑物底部巨大水平剪力和倾覆力矩 ，从而大大提高了抗震效应。我国是个地震多发区，对地震的防治是必不可少的，从建筑业 角度来说，采用适宜的施工工艺便可将地震带来的危害降低到最小，逆作法施工便具有这样 的优点，所以在深基坑支护中大量运用逆作法具有广泛的社会效益。
4 结语
深基坑支护工程是近20年来随着城市高层建筑发展而发展的一门新的实践工程学，它还有 待于理论上的完善。本文主要论述了深基坑支护设计、施工、监测技术。如何取一种在经济 技术上都合理的支护类型就必须充分考虑现场环境、工程地质条件以及工程要求。本论文针 对某一工程的地质情况，对深基坑的土力学计算、深基坑的开挖的空间效应、锚杆的计算进 行设计。同时本文对深基坑的逆作法施工进行了比较详细的论述。深基坑是一门新的实践工 程学，有待于深入的探索与研究。