2013年7月上第42卷第13期
DOI ：10. 7672/sgjs2013130001
施工技术
CONSTRUCTION TECHNOLOGY
1
深基坑支护结构和施工新技术
应惠清
（同济大学土木工程学院，上海200092）
［摘要］简要介绍了我国基坑工程发展概况，重点介绍了复合土钉墙、双排桩、型钢水泥土搅拌墙等新型支护结构“时空效应”以及几种施工新设备、新工艺。分析了地下结构逆作法和利用开挖技术的工程应用。［关键词］地下工程；深基坑；支护；逆作法；时空效应；施工技术［中图分类号］TU753
［文献标识码］A
［8498（2013）13-0001-05文章编号］1002-
New Support Structure and Construction Technology of Excavation Engineering
Ying Huiqing
（College of Civil Engineering ，Tongji University ，Shanghai 200092，China ）
Abstract ：This paper introduces the development of excavation engineering in our country ，focusing on row-piles wall ，soil mixing wall and some new the new structure of composite soil nailing wall ，double-construction equipment and process．Engineering application about top-down method of the underground structures and earthwork excavation use of space-time effect were analyzed in this paper．Key words ：underground ；effect ；construction 1
我国基坑工程的发展概况
20世纪90年代以来我国建筑基坑工程技术得
由于缺乏规范指导，工程设计施工或以经验为主，主，或以理论为主。而今，基坑工程满足环境保护已成为设计施工的基本出发点。基坑工程必须高
坚持理论和经验相结合，现已成度重视环境保护，为业界的共识。
早期基坑设计方法主要依据古典的土力学原
理，采用极限平衡法，诸如卜鲁姆法（H．Blum ）、盾恩法、相当梁法等。但这些方法与实际受力状况有一定差异，且不能计算结构位移，因而目前已很少采用，被弹性支点法所替代。基于有限元商用软件的推广，采用有限元进行分析逐步得到应用。有限
土的弹塑性等，元分析可考虑结构与土相互作用、
是更为先进的计算方法，也是基坑工程发展设计的发展方向。
大量基坑工程事故表明，基坑事故主要还是岩土类型的破坏形式，基坑稳定性是工程安全的重要
保证。这也使人们更重视对基坑稳定性的分析，包括整体滑动稳定性、抗隆起稳定性等，这在软土中尤为突出。
［mail ：[1**********]@作者简介］应惠清，教授，博士生导师，E-163．com
［05-02收稿日期］2013-
deep foundation excavation ；supports ；top-down method ；space-time
到长足发展。回顾这一时期基坑工程技术的发展历程，大略可分为2个阶段：第1阶段是20世纪80年代末到90年代末，是研究、探索阶段。当时我国掀起城市建设高潮，涌现了大量地下工程，但工程界尚缺乏大型深基坑的设计与施工经验，一线城市开始对深基坑工程进行研究和工程实践。第2阶段是21世纪初的10多年，这是一个发展阶段。在前10年已取得的理论和实践成果的基础上，基坑工程技术得到了进一步发展和提升。如果说2000年前后颁布了一批有关基坑工程的国家行业标准和地方标准是我国基坑工程发展第1阶段总结的话，那2009年颁布的国家标准《建筑基坑工程监测技术规
GB50497—2009以及这一时期相关行业和地方范》
规范的全面修订则是第2阶段发展的重要标志。20多年来，基坑工程设计理念发生了根本改变。早期的设计往往以满足地下主体工程施工为
［1］
上述基坑工程的经验及所取得的成果，在新修《建筑基坑支护技术规程》JGJ120—2012以及订的
有关地方标准中都得到很好地反映。2基坑工程新型支护结构
我国基坑支护结构从简单的板桩支护已发展到有多种形式，既有土体加固类的重力式水泥土墙、土钉墙；也有支挡式的排桩、地下连续墙。支挡式结构既可采用拉锚式，也可采用支撑式。这些支护结构的设计与施工已日趋成熟。近年来我国一
根据不同地质条件和环境条件，研究和开些地区，
发了不少新的支护结构，并在工程中得到应用，较
双排桩结构、型钢水泥土为成熟的有复合土钉墙、墙等。
2. 1复合土钉墙
土钉支护结构具有施工方便、设备简单、经济效益显著等诸多优点，在基坑安全等级为二、三级的工程中已广泛应用。但土钉支护结构应用有一定限制，仅适用于非软土场地。在软土地区因盲目使用土钉墙造成支护结构较大位移甚至整体破坏的事故并不鲜见。采取科学、谨慎而又积极的态度对待软土中土钉墙的应用十分必要。近几年来我国沿海软土地区经过研究与工程实践，采用复合土钉墙支护结构，在开挖深度5 6m 的基坑中取得良好效果。同样，非软土区的复合土钉墙支护结构在基坑工程中也发挥了很好的作用。
复合土钉墙是在土钉墙基础上发展起来的，它是根据具体工程条件，采用水泥土搅拌桩、预应力锚杆、微型桩等一类或几类结构与土钉墙复合而成的支护结构。
软土地区的特点是地下水位高、土体强度低，土的自立性能差，以水泥土搅拌桩或微型桩等在开，挖前形成“超前支护”解决土体的自立性和隔水性，加大了土层的自立高度和持续时间，使土钉墙在软土中的稳定性得到提高。采用这样的超前桩，如有相对较长的嵌固深度，也可提高基坑抗隆起及抗管涌（渗流）的稳定性。在非软土地区通过微型桩、预应力锚杆等对限制土体的位移有很显著的作用，有资料显示，采用预应力锚杆的复合土钉墙，加
［2］
大锚杆的预应力可使位移量减少40% 50%。复合土钉墙使其适应的基坑开挖深度有所增加，弥补了一般土钉墙的许多缺陷和限制，扩展了土钉墙的应用范围，使得土钉墙支护结构在深基坑和软土中的应用成为可能。
复合土钉墙结构设计中可计入搅拌桩、预应力锚杆、微型桩等复合体的共同作用，但复合土钉墙的基本原理是通过土钉加固土体而使之稳定，因此不可过高估计复合体的作用，更不可使复合体在结构稳定中起主导作用。设计中仍然需要强调原位
土层和土钉的作用，即原位土层、土钉对复合土钉
墙稳定性的贡献应占有主要份额，否则将对基坑安全带来很大风险。2. 2双排桩结构
双排桩结构近年来在一些工程中得到应用，并
后两排支护取得良好的效果。双排桩结构是由前、
桩和梁连接成的刚架及冠梁组成的支挡式结构。
其结构具有侧向刚度较大，无需支撑或拉锚的特点，因此，它为受到条件限制而无法实施其他支护结构的工程提供了新的支护方式。这一支护结构如适应性广、工艺简在施工方面也具有显著优点，
单、与土方开挖无交叉作业、施工工期短等。双排桩的嵌固稳定性验算以结构前、后排桩与
计入土与桩桩间土的整体作为力的平衡分析对象，
自重的抗倾覆作用，但嵌固段被动土的抗力作用在
总抵抗力矩中占主要部分。
双排桩刚架结构的受力特点是：①在水平荷载作用下，桩的内力除弯矩、剪力外，前排桩还承受压而后排桩则承受拉力。因此，前、后排桩分别发力，
生向下和向上的位移，并由此引起桩顶水平位移及桩身弯矩的增大，水平位移及桩身弯矩与前、后排桩的竖向位移呈近似线性关系。因此，有必要采取措施减小前、后排桩的竖向位移。②双排桩结构模型简化为平面刚架，分析时应考虑前、后排桩之间土体的反力与变形关系，并计入基坑开挖后桩间土应力释放后存在的初始压力。前者可将桩间土看作水平向单向压缩体，按土的压缩模量确定水平刚度系数；后者按桩间土自重占滑动体自重的比值关系确定
［3］
。③为保证前、后排桩的共同工作，其与
桩顶梁应构成刚架结构，故在设计中应使桩顶与刚架梁的连接形成刚接。2. 3
型钢水泥土搅拌墙
型钢水泥土搅拌墙是从日本引进的技术，最早
［4］
在上海环球世界大厦等工程中应用。日本称为SMW （soil mixing wall ）工法，。该支也称“土留壁”护结构具有支护性能好、造价低、环保（型钢可回收）等优点。近几年在我国软土地区应用广泛，并在搅拌桩机、型钢减摩剂、型钢拔出机械和工艺等方面形成了自身特色。2010年我国颁布了行业标准《型钢水泥土搅拌墙技术规程》JGJ /T199—2010［5］，标志该支护技术已日趋成熟。
型钢水泥土搅拌墙由型钢和水泥土组成，两者作用明确：型钢作为挡土结构，水泥土作为截水帷幕。试验表明，当墙体变位较小时，水泥土对提高型钢水泥土搅拌墙的刚度有相当的贡献。因此，应保证两者互不分离、形成整体，使型钢和水泥土两
者共同工作。不过，在验算承载能力极限状态下墙体的抗弯承载力时不应考虑水泥土的作用，此时墙体弯曲处型钢与水泥土的黏结已破坏。水泥土的抗剪承载力是型钢水泥土搅拌墙另一验算内容，包括型钢间水泥土错动受剪和水泥土最弱截面处的局部受剪。
型钢水泥土搅拌墙的桩身强度是目前工程中矛盾比较集中的问题。通常设计要求搅拌桩水泥土强度达到1. 0MPa ，有的要求1. 5MPa 甚至更高，而实际情况往往难以达到设计要求。大量工程取28d 取芯强度值一般都在芯检测结果差异很大，
0. 4MPa 左右。如何确定水泥土搅拌墙的桩身强度需客观对待。根据调研，工程中鲜有因水泥土抗剪强度较低而造成型钢水泥土搅拌墙破坏的实例，理论的抗剪分析结果对水泥土28d 无侧限抗压强度为
［5］
0. 5MPa 左右，设计中采用≥0. 5MPa 较为适宜。3
深基坑工程施工新设备和新工艺
我国在深基坑工程施工中成功引进和开发了多种新设备和新工艺，包括特殊地下连续墙、混凝土咬合桩排桩、超深多轴水泥土搅拌桩（SMW 工法）、水泥土搅拌连续墙（TRD 工法）、超大型环形支撑体系、十字钢支撑双向复加预应力技术、混凝土支撑的绳（链）锯切割法、锚杆的回收技术等，我国基坑工程的施工机械从较为落后的简易设备向先进的现代化发展，工艺技术也从粗放型走向精细化和绿色环保。以下重点介绍几种基坑工程机械和施工工艺。3. 1
地下连续墙成槽机械和工艺随着基坑深度的加大，地下连续墙在深基坑中
对于易坍塌地质，槽壁稳定尤为重要。我国多年来
对护壁泥浆性能进行研究，目前已有多种添加剂，如加重剂、增黏剂、分散剂和防漏剂等。通过对泥浆配合比的优化，保证槽壁稳定。目前，除通常使CMC 泥浆及用的膨润土泥浆外，还有聚合物泥浆、
盐水泥浆等。我国有关单位已研制出新型护壁泥浆，解决了粉土、粉砂土的槽壁稳定问题。此外，一
地下连续墙技术也是解决易些地区采用的“夹心”
坍塌地质条件下成槽的有效方法，它是在地下连续
再在其墙的两侧先行施工水泥土搅拌桩保护槽壁，间开挖槽段。
3. 2灌注桩施工新技术
灌注桩排桩是深基坑支护结构的常用形式，传统的灌注桩多用工程钻机、泥浆护壁方式进行钻孔，虽具有设备简单、造价低等优点，但排放泥浆造成环境污染较为严重。近年来旋挖钻孔、套管螺旋成孔等新型钻机得到应用。
旋挖钻孔灌注桩是我国近几年推广使用的一种较先进的桩基施工工艺。早期工程所用的旋挖钻机都是由国外进口，随着大型基坑工程的推动，我国同类产品逐步发展，并在工程中广泛应用。旋挖钻机成孔是通过底部带有活门的桶状斗式钻头
并直接将其装入钻斗内，然后高速回转切削土体，
再通过伸缩钻杆将土提升至孔外卸土，由此往复循
环，直至钻至设计深度。先进的旋挖钻机都采用全自动控制并实现可视化。对黏结性好的土层，旋挖钻孔灌注桩可采用干式或清水钻进工艺，无需泥浆护壁；而易坍塌土层则需采用静态泥浆护壁钻进工艺，其排量仅为传统泥浆循环成孔的1/4 1/5。
钻孔咬合灌注桩是采用间隔布置的素混凝土桩与配筋混凝土桩相互咬合而形成的连续混凝土“桩墙”。国内较早应用在深圳地铁一期工程，现已在闹市深基坑工程中推广应用。钻孔咬合桩墙的
3d 强度≤3MPa ，28d 素桩采用初凝时间≥40 70h ，
强度≥C15的超缓凝混凝土。在素桩混凝土初凝阶
段施工两者之间配筋灌注桩，使配筋桩咬合素桩而。钻孔咬合桩排桩与间隔式灌形成连续的“桩墙”注桩排桩相比，具有截水性能良好、不需设置附加截水帷幕的特点。与地下连续墙相比则两者功能基本相同，但钻孔咬合桩施工简便、不易塌孔、造价低廉。配筋桩的成孔有360ʎ 全回转钻机成孔、冲抓钻成孔以及全套管成孔等方法，尤以全套管钻机成孔为最优。全套管成孔在施工过程中有超前钢套管护壁，有效防止孔壁坍塌。施工中原土取出，无需泥浆护壁，避免了泥浆排放，体现绿色环保和文明施工。该依法特别适用于有淤泥、流砂、地下水
的应用日益增多。目前常用的成槽机械有抓斗式
回转式多头钻成槽机以及双轮铣削式成槽成槽机、
机。软弱土层的成槽常采用抓斗式成槽机，其作业
原理如同抓斗挖土机，但其上部设有平衡和垂直度调整装置，以控制槽段的位置和垂直度。回转式多头钻成槽机适用于较硬的土层，它由1组（一般为5个）上下错位、左右相割、水平旋转的钻头同时向下钻进形成矩形槽段。在岩层条件下则采用铣削式成槽机。这种成槽机通过液压系统驱动下端2个竖向旋转的铣削钻破碎土体，采用泥浆反循环出渣，其最大成槽深度可达150m ，墙体的最大厚度可达2. 5m ，而且更换不同的钻头，还可适用于软土及砂性土。上海500kV 世博地下变电站采用铣削式成
60m 深的地下连续墙取得成功。槽机施工1. 2m 厚、
上述几种成槽机械目前在我国基坑工程中都有应
用，但铣削式成槽机还都为进口设备。
槽壁稳定是地下连续墙顺利成槽的必要条件，
富集等不良条件的地层以及城市建筑物密集或有地下障碍的地区。3. 3
型钢水泥土搅拌墙施工工艺
型钢水泥土搅拌墙是我国从日本引进后又进行创新的基坑支护技术。目前我国多用多轴柱列式水泥土搅拌墙，即SMW 工法用三轴（国外也有采用四轴或五轴）搅拌桩机械成桩，桩径650 1000mm ，最大深度可达60m ，搅拌桩内插入500mm ˑ 300mm 850mm ˑ 300mm 的H 型钢。我国型钢
因此往往需要很插入采用起吊后自重下沉的方法，
大的水灰比，我国规范建议水灰比为1. 5 2. 0，砂
［5］
。如此高的水灰比笔者认为砾土中为1. 2 2. 0
没有必要。由于过高的水灰比对水泥土强度并无
益处；此外，这类搅拌法虽需要置换原土，但高掺量、大水灰比引起大量原土的置换在施工中很难实现，施工中往往出现涌土时便停止注浆，反而达不置换排出的土体成为有较高水到设计掺量；再则，泥含量的废土，造成环境污染。因此，基于0. 5MPa 左右的水泥土强度已可满足型钢水泥土搅拌墙要求的前提，建议可降低水泥掺量和水灰比，取15% 18%的水泥掺量及0. 8 1. 0水灰比，而改用振动插入型钢的方法，既可满足水泥土的强度要求，又可大大减少废土排出。日本有关资料表明，其采用
水灰比在0. 8 1. 0。在搅拌水泥掺量仅15%左右，
桩施工后1 2h （水泥初凝前）振动插入型钢并不会
这在很多工程中得到影响型钢与水泥土的黏结力，证明。
水泥土搅拌连续墙日本称TRD 工法（trench
cutting re-mixing deep wall ），它是在等厚度的水泥土连续墙中插入型钢而成。这是目前世界上先进的
在我国已开始应用。与多轴柱基坑支护结构之一，
列式水泥土搅拌墙（SMW 工法）相比，水泥土搅拌
连续墙的特点是成墙连续、表面平整、厚度一致、墙体均匀性好。水泥土搅拌连续墙作业过程如下：设备主机所带的链锯式搅拌刀具沉入地基土中并沿刀架移动，做往复运动，并在深度方向灌入水泥浆液，与土体搅拌、混合。其墙体为等截面，厚度有550 850mm 多种，施工深度可达数十米。由于链锯式搅拌刀具分节长度为6 8m ，采用销栓连接方式，故桩机整体高度仅10m 左右，这对高度受限或邻近建筑的工程施工十分有利，而且设备的稳定性较一般桩机大大提高。44. 1
“时空效应”逆作法和利用的开挖技术地下结构的逆作法建造
空间开发中已越来越多地采用这一先进技术。逆
，作法具有以下优点：①以主体结构作为“支撑”水平结构的刚度大，基坑变形较小；②无需支撑的设
置和拆除，大大节约资源消耗，降低能耗；③可实现上、下主体结构的同步施工，不同程度地缩短工期；④地下结构顶板可较早形成，使施工现场布置更加方便。
逆作法根据不同工程对象，现已形成多种建造方法。
1）全逆作法
一般将上部主体结构与地下结构同步施工的
。在地下结构顶地下结构逆作法称为“全逆作法”
板完成后向上施工上部主体结构，向下施工地下结
构，两者同步进行。上部结构可施工的高度取决于工程桩的承载力，按照工程桩的承载力，可实现地下结构在上部主体结构完成若干层后完工，甚至同步或迟于上部主体结构完工。
2）半逆作法
半逆作法是对应于全逆作法的建造方法。在逆作法施工地下工程时，不进行上部结构的施工。因此，半逆作法往往可从地下1层开始建造，使地下1层的土方开挖和结构施工更为方便。
3）坑边逆作法
这是对应于平面展开的一种逆作建造方法。当基坑面积和深度都很大时，在坑边一定范围进行逆作法建造，而中央区域采用顺作法。这一方法可大大加快中央大面积土方的开挖速度，也便于中央区域的结构施工。坑边逆作区域的大小应以该区域的地下主体结构满足平衡坑外荷载为依据。
4）主楼顺作、裙楼逆作
但高度一般超高层建筑的塔楼占地面积不大，很高，而裙楼则面积大、高度小。塔楼往往是工程施工进度控制的关键线路。为缩短工期，可采用“主楼顺作、裙楼逆作”的方法。顺作的塔楼基坑支护结构面积不大，按塔楼范围采用顺作支护方法，施工至地下结构顶板时将裙楼的顶板同时完成，随后主楼结构继续向上施工，而裙楼则向下逆作建造。
在逆作法围护墙的形式上又分为“两墙合一”的永久性围护墙和排桩临时围护墙2种。前者围护墙多为地下连续墙，主体结构外墙采用逆作法施工，而后者仅水平结构逆作法施工，主体结构外墙则采用顺作法。
逆作法的土方开挖不同于一般明挖方法，它是在结构顶板、楼板的下部进行开挖，因此土方开挖是逆作法施工中应关注的问题。目前以往小型取土口、取土架或抓斗挖土的方式已被其他高效挖土
环境复杂的超深地下结构采用逆作法建造具
有显著的经济和社会效益，我国近年来在城市地下
、“大开孔率、方法取代，如液压加长臂反（抓）铲多
挖土孔”的方法、楼板不封闭以及坑边逆作等挖土方法，使逆作法施工的土方开挖效率大大提高。4. 2软土地区利用“时空效应”的开挖技术软土地区土的含水率高、强度低，在开挖时有很大的流变性，因此开挖阶段易引起基坑的过大变形，甚至危及周边环境。国外为解决软土地区基坑
管线及环境保护，往往采用2 4. 5m 厚临近建筑、
的坑底满堂加固、设置密集的大刚度支撑等技术措
但其费用高、施工工期长。刘建航结合我国软施，
土地区多年的施工经验，提出了经济适用的利用“时空效应”原理的基坑开挖技术。基坑工程的“时空效应”就是基坑支护结构的变形和周边地层的变形随时间推移而发展，也因开挖的空间尺度、开挖后的坑底暴露面积而不同，这在软土地基的条件下尤为突出。根据“时空效应”的原理，工程界总结出基于时空效应的基坑开挖和支护设计技术，其基本点可用“分层、分块、对称、平10字概括。软土地区大量工程的理论分衡、限时”
析和实践都证明了这一技术的科学性和有效性。在超大深基坑中，分块开挖是利用“时空效应”进行变形控制的最基本措施。基坑尺度的控制不仅是空间效应的利用，也有利于加快施工速度、减少基坑暴露时间。根据工程对象，考虑时空效应的基坑开挖大致形成如下几种典型方式。
一类是超长线性基坑，如市政管道类深基坑。可采用分段长度≤25m 的分层开挖方法，及时设置支撑、施工垫层，在前区段的基础底板完成后进行由此形成线性的流水作业。后续区段的开挖，
无内支撑的大面积基坑，可利用后浇带进行分在前一区块基础底板施工完成后进行后一块施工，
区块的土方开挖。各块之间可采用跳仓施工法以加快进度。
大面积深基坑采用内支撑支护是软土地区更为普遍的形式。这类基坑可采用分层盆式开挖或岛式开挖的方式。分层盆式开挖是在每层土方开挖时先开挖基坑中央的土体，坑边留置10m 左右宽“盆边土”，度的利用盆边土的“反压”控制基坑变形；在中央支撑（底板）完成后，在盆边按对称、平衡的原则以10 20m 分段开挖，及时施工支撑并与中央支撑（底板）连成一体，依此逐段流水施工完成全部土方开挖。分层岛式开挖是在每层土方开挖时先分段开挖基坑盆边土方，并施工支撑（底板）；周边的支撑（底板）完成后，进行中央土方开挖和支撑（底板）的施工。
对面积为数万m 的超大深基坑且当周边环境
2
保护要求严格时，宜采用划区施工，形成若干小基坑进行开挖和结构施工。此时，在各小基坑之间则需要增设临时分区隔离围护桩。上海一些临近地铁、轻轨的大型基坑工程的实践证明，这对保护周边环境非常有效。
大型基坑分块开挖应尽可能利用后浇带，在后浇带尚不满足分块要求时，可增设临时施工缝。施工缝的处理可参考后浇带做法。5结语
我国20多年来基坑工程的新技术、新工艺、新设备不断涌现，随着我国基本建设的发展，可以预期地下工程规模将向大面积、超深度方向发展，需要基坑工程技术的不断提升和创新；而基坑工程的地域性、复杂性、综合性和不可预见性的特点，也需要工程界在设计与施工中给予加倍重视。
参考文献：
［1］应惠清．我国基坑工程技术发展二十年［J ］．施工技术，
2012，41（19）：1-5，22．
［2］刘国彬，王卫东．基坑工程手册（2版）［M ］．北京：中国建筑
2009．工业出版社，
［3］中国建筑科学研究院．JGJ120—2012建筑基坑支护技术规
S ］．北京：中国建筑工业出版社，2012．程［
［4］赵志缙，．北京：应惠清．简明深基坑工程设计施工手册［M ］
2000．中国建筑工业出版社，
［5］上海现代建筑设计（集团）有限公司．JGJ /T199—2010型钢
水泥土搅拌墙技术规程［S ］．北京：中国建筑工业出版2010．社，
山西长治至临汾高速公路正式开工
——山西省南部又一条东西向的高速大动脉—长治至临汾高速公路6月7日正式开工建设，长临高速公路是国家“7918”高速公路网青岛至兰州高速公路及山西省高速公路网“三纵十一横十一环”公路主骨架中第九横的重要组成部分，也是我国中西部地区的出海干线公路。公路的开建对于完善全省路网结构、促进区域交流合作、方便群众出行等都具有非常重要的意义。
长治至临汾高速公路是连接山西省晋东南以及晋南区域的1条长距离高速通道。长临高速公路起点位于长治市屯留县崔邵村，与太长、长邯高速公路相接，途经长治市屯留、长子和临汾市安泽、古县、洪洞、尧都、襄汾共2市7个县区，终点位于临汾市襄汾县北陈，与大运、临吉高速公路相接，全长166. 234km ，概算批复总投资为103. 0725亿元。该工程是山西省重点建设项目，采取BT 模式建设，由山西路桥集团公司承建，计划2016年6月建成通车。
（摘自“中国建筑新闻网”2013-07-01）
2013年7月上第42卷第13期
DOI ：10. 7672/sgjs2013130001
施工技术
CONSTRUCTION TECHNOLOGY
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深基坑支护结构和施工新技术
应惠清
（同济大学土木工程学院，上海200092）
［摘要］简要介绍了我国基坑工程发展概况，重点介绍了复合土钉墙、双排桩、型钢水泥土搅拌墙等新型支护结构“时空效应”以及几种施工新设备、新工艺。分析了地下结构逆作法和利用开挖技术的工程应用。［关键词］地下工程；深基坑；支护；逆作法；时空效应；施工技术［中图分类号］TU753
［文献标识码］A
［8498（2013）13-0001-05文章编号］1002-
New Support Structure and Construction Technology of Excavation Engineering
Ying Huiqing
（College of Civil Engineering ，Tongji University ，Shanghai 200092，China ）
Abstract ：This paper introduces the development of excavation engineering in our country ，focusing on row-piles wall ，soil mixing wall and some new the new structure of composite soil nailing wall ，double-construction equipment and process．Engineering application about top-down method of the underground structures and earthwork excavation use of space-time effect were analyzed in this paper．Key words ：underground ；effect ；construction 1
我国基坑工程的发展概况
20世纪90年代以来我国建筑基坑工程技术得
由于缺乏规范指导，工程设计施工或以经验为主，主，或以理论为主。而今，基坑工程满足环境保护已成为设计施工的基本出发点。基坑工程必须高
坚持理论和经验相结合，现已成度重视环境保护，为业界的共识。
早期基坑设计方法主要依据古典的土力学原
理，采用极限平衡法，诸如卜鲁姆法（H．Blum ）、盾恩法、相当梁法等。但这些方法与实际受力状况有一定差异，且不能计算结构位移，因而目前已很少采用，被弹性支点法所替代。基于有限元商用软件的推广，采用有限元进行分析逐步得到应用。有限
土的弹塑性等，元分析可考虑结构与土相互作用、
是更为先进的计算方法，也是基坑工程发展设计的发展方向。
大量基坑工程事故表明，基坑事故主要还是岩土类型的破坏形式，基坑稳定性是工程安全的重要
保证。这也使人们更重视对基坑稳定性的分析，包括整体滑动稳定性、抗隆起稳定性等，这在软土中尤为突出。
［mail ：[1**********]@作者简介］应惠清，教授，博士生导师，E-163．com
［05-02收稿日期］2013-
deep foundation excavation ；supports ；top-down method ；space-time
到长足发展。回顾这一时期基坑工程技术的发展历程，大略可分为2个阶段：第1阶段是20世纪80年代末到90年代末，是研究、探索阶段。当时我国掀起城市建设高潮，涌现了大量地下工程，但工程界尚缺乏大型深基坑的设计与施工经验，一线城市开始对深基坑工程进行研究和工程实践。第2阶段是21世纪初的10多年，这是一个发展阶段。在前10年已取得的理论和实践成果的基础上，基坑工程技术得到了进一步发展和提升。如果说2000年前后颁布了一批有关基坑工程的国家行业标准和地方标准是我国基坑工程发展第1阶段总结的话，那2009年颁布的国家标准《建筑基坑工程监测技术规
GB50497—2009以及这一时期相关行业和地方范》
规范的全面修订则是第2阶段发展的重要标志。20多年来，基坑工程设计理念发生了根本改变。早期的设计往往以满足地下主体工程施工为
［1］
上述基坑工程的经验及所取得的成果，在新修《建筑基坑支护技术规程》JGJ120—2012以及订的
有关地方标准中都得到很好地反映。2基坑工程新型支护结构
我国基坑支护结构从简单的板桩支护已发展到有多种形式，既有土体加固类的重力式水泥土墙、土钉墙；也有支挡式的排桩、地下连续墙。支挡式结构既可采用拉锚式，也可采用支撑式。这些支护结构的设计与施工已日趋成熟。近年来我国一
根据不同地质条件和环境条件，研究和开些地区，
发了不少新的支护结构，并在工程中得到应用，较
双排桩结构、型钢水泥土为成熟的有复合土钉墙、墙等。
2. 1复合土钉墙
土钉支护结构具有施工方便、设备简单、经济效益显著等诸多优点，在基坑安全等级为二、三级的工程中已广泛应用。但土钉支护结构应用有一定限制，仅适用于非软土场地。在软土地区因盲目使用土钉墙造成支护结构较大位移甚至整体破坏的事故并不鲜见。采取科学、谨慎而又积极的态度对待软土中土钉墙的应用十分必要。近几年来我国沿海软土地区经过研究与工程实践，采用复合土钉墙支护结构，在开挖深度5 6m 的基坑中取得良好效果。同样，非软土区的复合土钉墙支护结构在基坑工程中也发挥了很好的作用。
复合土钉墙是在土钉墙基础上发展起来的，它是根据具体工程条件，采用水泥土搅拌桩、预应力锚杆、微型桩等一类或几类结构与土钉墙复合而成的支护结构。
软土地区的特点是地下水位高、土体强度低，土的自立性能差，以水泥土搅拌桩或微型桩等在开，挖前形成“超前支护”解决土体的自立性和隔水性，加大了土层的自立高度和持续时间，使土钉墙在软土中的稳定性得到提高。采用这样的超前桩，如有相对较长的嵌固深度，也可提高基坑抗隆起及抗管涌（渗流）的稳定性。在非软土地区通过微型桩、预应力锚杆等对限制土体的位移有很显著的作用，有资料显示，采用预应力锚杆的复合土钉墙，加
［2］
大锚杆的预应力可使位移量减少40% 50%。复合土钉墙使其适应的基坑开挖深度有所增加，弥补了一般土钉墙的许多缺陷和限制，扩展了土钉墙的应用范围，使得土钉墙支护结构在深基坑和软土中的应用成为可能。
复合土钉墙结构设计中可计入搅拌桩、预应力锚杆、微型桩等复合体的共同作用，但复合土钉墙的基本原理是通过土钉加固土体而使之稳定，因此不可过高估计复合体的作用，更不可使复合体在结构稳定中起主导作用。设计中仍然需要强调原位
土层和土钉的作用，即原位土层、土钉对复合土钉
墙稳定性的贡献应占有主要份额，否则将对基坑安全带来很大风险。2. 2双排桩结构
双排桩结构近年来在一些工程中得到应用，并
后两排支护取得良好的效果。双排桩结构是由前、
桩和梁连接成的刚架及冠梁组成的支挡式结构。
其结构具有侧向刚度较大，无需支撑或拉锚的特点，因此，它为受到条件限制而无法实施其他支护结构的工程提供了新的支护方式。这一支护结构如适应性广、工艺简在施工方面也具有显著优点，
单、与土方开挖无交叉作业、施工工期短等。双排桩的嵌固稳定性验算以结构前、后排桩与
计入土与桩桩间土的整体作为力的平衡分析对象，
自重的抗倾覆作用，但嵌固段被动土的抗力作用在
总抵抗力矩中占主要部分。
双排桩刚架结构的受力特点是：①在水平荷载作用下，桩的内力除弯矩、剪力外，前排桩还承受压而后排桩则承受拉力。因此，前、后排桩分别发力，
生向下和向上的位移，并由此引起桩顶水平位移及桩身弯矩的增大，水平位移及桩身弯矩与前、后排桩的竖向位移呈近似线性关系。因此，有必要采取措施减小前、后排桩的竖向位移。②双排桩结构模型简化为平面刚架，分析时应考虑前、后排桩之间土体的反力与变形关系，并计入基坑开挖后桩间土应力释放后存在的初始压力。前者可将桩间土看作水平向单向压缩体，按土的压缩模量确定水平刚度系数；后者按桩间土自重占滑动体自重的比值关系确定
［3］
。③为保证前、后排桩的共同工作，其与
桩顶梁应构成刚架结构，故在设计中应使桩顶与刚架梁的连接形成刚接。2. 3
型钢水泥土搅拌墙
型钢水泥土搅拌墙是从日本引进的技术，最早
［4］
在上海环球世界大厦等工程中应用。日本称为SMW （soil mixing wall ）工法，。该支也称“土留壁”护结构具有支护性能好、造价低、环保（型钢可回收）等优点。近几年在我国软土地区应用广泛，并在搅拌桩机、型钢减摩剂、型钢拔出机械和工艺等方面形成了自身特色。2010年我国颁布了行业标准《型钢水泥土搅拌墙技术规程》JGJ /T199—2010［5］，标志该支护技术已日趋成熟。
型钢水泥土搅拌墙由型钢和水泥土组成，两者作用明确：型钢作为挡土结构，水泥土作为截水帷幕。试验表明，当墙体变位较小时，水泥土对提高型钢水泥土搅拌墙的刚度有相当的贡献。因此，应保证两者互不分离、形成整体，使型钢和水泥土两
者共同工作。不过，在验算承载能力极限状态下墙体的抗弯承载力时不应考虑水泥土的作用，此时墙体弯曲处型钢与水泥土的黏结已破坏。水泥土的抗剪承载力是型钢水泥土搅拌墙另一验算内容，包括型钢间水泥土错动受剪和水泥土最弱截面处的局部受剪。
型钢水泥土搅拌墙的桩身强度是目前工程中矛盾比较集中的问题。通常设计要求搅拌桩水泥土强度达到1. 0MPa ，有的要求1. 5MPa 甚至更高，而实际情况往往难以达到设计要求。大量工程取28d 取芯强度值一般都在芯检测结果差异很大，
0. 4MPa 左右。如何确定水泥土搅拌墙的桩身强度需客观对待。根据调研，工程中鲜有因水泥土抗剪强度较低而造成型钢水泥土搅拌墙破坏的实例，理论的抗剪分析结果对水泥土28d 无侧限抗压强度为
［5］
0. 5MPa 左右，设计中采用≥0. 5MPa 较为适宜。3
深基坑工程施工新设备和新工艺
我国在深基坑工程施工中成功引进和开发了多种新设备和新工艺，包括特殊地下连续墙、混凝土咬合桩排桩、超深多轴水泥土搅拌桩（SMW 工法）、水泥土搅拌连续墙（TRD 工法）、超大型环形支撑体系、十字钢支撑双向复加预应力技术、混凝土支撑的绳（链）锯切割法、锚杆的回收技术等，我国基坑工程的施工机械从较为落后的简易设备向先进的现代化发展，工艺技术也从粗放型走向精细化和绿色环保。以下重点介绍几种基坑工程机械和施工工艺。3. 1
地下连续墙成槽机械和工艺随着基坑深度的加大，地下连续墙在深基坑中
对于易坍塌地质，槽壁稳定尤为重要。我国多年来
对护壁泥浆性能进行研究，目前已有多种添加剂，如加重剂、增黏剂、分散剂和防漏剂等。通过对泥浆配合比的优化，保证槽壁稳定。目前，除通常使CMC 泥浆及用的膨润土泥浆外，还有聚合物泥浆、
盐水泥浆等。我国有关单位已研制出新型护壁泥浆，解决了粉土、粉砂土的槽壁稳定问题。此外，一
地下连续墙技术也是解决易些地区采用的“夹心”
坍塌地质条件下成槽的有效方法，它是在地下连续
再在其墙的两侧先行施工水泥土搅拌桩保护槽壁，间开挖槽段。
3. 2灌注桩施工新技术
灌注桩排桩是深基坑支护结构的常用形式，传统的灌注桩多用工程钻机、泥浆护壁方式进行钻孔，虽具有设备简单、造价低等优点，但排放泥浆造成环境污染较为严重。近年来旋挖钻孔、套管螺旋成孔等新型钻机得到应用。
旋挖钻孔灌注桩是我国近几年推广使用的一种较先进的桩基施工工艺。早期工程所用的旋挖钻机都是由国外进口，随着大型基坑工程的推动，我国同类产品逐步发展，并在工程中广泛应用。旋挖钻机成孔是通过底部带有活门的桶状斗式钻头
并直接将其装入钻斗内，然后高速回转切削土体，
再通过伸缩钻杆将土提升至孔外卸土，由此往复循
环，直至钻至设计深度。先进的旋挖钻机都采用全自动控制并实现可视化。对黏结性好的土层，旋挖钻孔灌注桩可采用干式或清水钻进工艺，无需泥浆护壁；而易坍塌土层则需采用静态泥浆护壁钻进工艺，其排量仅为传统泥浆循环成孔的1/4 1/5。
钻孔咬合灌注桩是采用间隔布置的素混凝土桩与配筋混凝土桩相互咬合而形成的连续混凝土“桩墙”。国内较早应用在深圳地铁一期工程，现已在闹市深基坑工程中推广应用。钻孔咬合桩墙的
3d 强度≤3MPa ，28d 素桩采用初凝时间≥40 70h ，
强度≥C15的超缓凝混凝土。在素桩混凝土初凝阶
段施工两者之间配筋灌注桩，使配筋桩咬合素桩而。钻孔咬合桩排桩与间隔式灌形成连续的“桩墙”注桩排桩相比，具有截水性能良好、不需设置附加截水帷幕的特点。与地下连续墙相比则两者功能基本相同，但钻孔咬合桩施工简便、不易塌孔、造价低廉。配筋桩的成孔有360ʎ 全回转钻机成孔、冲抓钻成孔以及全套管成孔等方法，尤以全套管钻机成孔为最优。全套管成孔在施工过程中有超前钢套管护壁，有效防止孔壁坍塌。施工中原土取出，无需泥浆护壁，避免了泥浆排放，体现绿色环保和文明施工。该依法特别适用于有淤泥、流砂、地下水
的应用日益增多。目前常用的成槽机械有抓斗式
回转式多头钻成槽机以及双轮铣削式成槽成槽机、
机。软弱土层的成槽常采用抓斗式成槽机，其作业
原理如同抓斗挖土机，但其上部设有平衡和垂直度调整装置，以控制槽段的位置和垂直度。回转式多头钻成槽机适用于较硬的土层，它由1组（一般为5个）上下错位、左右相割、水平旋转的钻头同时向下钻进形成矩形槽段。在岩层条件下则采用铣削式成槽机。这种成槽机通过液压系统驱动下端2个竖向旋转的铣削钻破碎土体，采用泥浆反循环出渣，其最大成槽深度可达150m ，墙体的最大厚度可达2. 5m ，而且更换不同的钻头，还可适用于软土及砂性土。上海500kV 世博地下变电站采用铣削式成
60m 深的地下连续墙取得成功。槽机施工1. 2m 厚、
上述几种成槽机械目前在我国基坑工程中都有应
用，但铣削式成槽机还都为进口设备。
槽壁稳定是地下连续墙顺利成槽的必要条件，
富集等不良条件的地层以及城市建筑物密集或有地下障碍的地区。3. 3
型钢水泥土搅拌墙施工工艺
型钢水泥土搅拌墙是我国从日本引进后又进行创新的基坑支护技术。目前我国多用多轴柱列式水泥土搅拌墙，即SMW 工法用三轴（国外也有采用四轴或五轴）搅拌桩机械成桩，桩径650 1000mm ，最大深度可达60m ，搅拌桩内插入500mm ˑ 300mm 850mm ˑ 300mm 的H 型钢。我国型钢
因此往往需要很插入采用起吊后自重下沉的方法，
大的水灰比，我国规范建议水灰比为1. 5 2. 0，砂
［5］
。如此高的水灰比笔者认为砾土中为1. 2 2. 0
没有必要。由于过高的水灰比对水泥土强度并无
益处；此外，这类搅拌法虽需要置换原土，但高掺量、大水灰比引起大量原土的置换在施工中很难实现，施工中往往出现涌土时便停止注浆，反而达不置换排出的土体成为有较高水到设计掺量；再则，泥含量的废土，造成环境污染。因此，基于0. 5MPa 左右的水泥土强度已可满足型钢水泥土搅拌墙要求的前提，建议可降低水泥掺量和水灰比，取15% 18%的水泥掺量及0. 8 1. 0水灰比，而改用振动插入型钢的方法，既可满足水泥土的强度要求，又可大大减少废土排出。日本有关资料表明，其采用
水灰比在0. 8 1. 0。在搅拌水泥掺量仅15%左右，
桩施工后1 2h （水泥初凝前）振动插入型钢并不会
这在很多工程中得到影响型钢与水泥土的黏结力，证明。
水泥土搅拌连续墙日本称TRD 工法（trench
cutting re-mixing deep wall ），它是在等厚度的水泥土连续墙中插入型钢而成。这是目前世界上先进的
在我国已开始应用。与多轴柱基坑支护结构之一，
列式水泥土搅拌墙（SMW 工法）相比，水泥土搅拌
连续墙的特点是成墙连续、表面平整、厚度一致、墙体均匀性好。水泥土搅拌连续墙作业过程如下：设备主机所带的链锯式搅拌刀具沉入地基土中并沿刀架移动，做往复运动，并在深度方向灌入水泥浆液，与土体搅拌、混合。其墙体为等截面，厚度有550 850mm 多种，施工深度可达数十米。由于链锯式搅拌刀具分节长度为6 8m ，采用销栓连接方式，故桩机整体高度仅10m 左右，这对高度受限或邻近建筑的工程施工十分有利，而且设备的稳定性较一般桩机大大提高。44. 1
“时空效应”逆作法和利用的开挖技术地下结构的逆作法建造
空间开发中已越来越多地采用这一先进技术。逆
，作法具有以下优点：①以主体结构作为“支撑”水平结构的刚度大，基坑变形较小；②无需支撑的设
置和拆除，大大节约资源消耗，降低能耗；③可实现上、下主体结构的同步施工，不同程度地缩短工期；④地下结构顶板可较早形成，使施工现场布置更加方便。
逆作法根据不同工程对象，现已形成多种建造方法。
1）全逆作法
一般将上部主体结构与地下结构同步施工的
。在地下结构顶地下结构逆作法称为“全逆作法”
板完成后向上施工上部主体结构，向下施工地下结
构，两者同步进行。上部结构可施工的高度取决于工程桩的承载力，按照工程桩的承载力，可实现地下结构在上部主体结构完成若干层后完工，甚至同步或迟于上部主体结构完工。
2）半逆作法
半逆作法是对应于全逆作法的建造方法。在逆作法施工地下工程时，不进行上部结构的施工。因此，半逆作法往往可从地下1层开始建造，使地下1层的土方开挖和结构施工更为方便。
3）坑边逆作法
这是对应于平面展开的一种逆作建造方法。当基坑面积和深度都很大时，在坑边一定范围进行逆作法建造，而中央区域采用顺作法。这一方法可大大加快中央大面积土方的开挖速度，也便于中央区域的结构施工。坑边逆作区域的大小应以该区域的地下主体结构满足平衡坑外荷载为依据。
4）主楼顺作、裙楼逆作
但高度一般超高层建筑的塔楼占地面积不大，很高，而裙楼则面积大、高度小。塔楼往往是工程施工进度控制的关键线路。为缩短工期，可采用“主楼顺作、裙楼逆作”的方法。顺作的塔楼基坑支护结构面积不大，按塔楼范围采用顺作支护方法，施工至地下结构顶板时将裙楼的顶板同时完成，随后主楼结构继续向上施工，而裙楼则向下逆作建造。
在逆作法围护墙的形式上又分为“两墙合一”的永久性围护墙和排桩临时围护墙2种。前者围护墙多为地下连续墙，主体结构外墙采用逆作法施工，而后者仅水平结构逆作法施工，主体结构外墙则采用顺作法。
逆作法的土方开挖不同于一般明挖方法，它是在结构顶板、楼板的下部进行开挖，因此土方开挖是逆作法施工中应关注的问题。目前以往小型取土口、取土架或抓斗挖土的方式已被其他高效挖土
环境复杂的超深地下结构采用逆作法建造具
有显著的经济和社会效益，我国近年来在城市地下
、“大开孔率、方法取代，如液压加长臂反（抓）铲多
挖土孔”的方法、楼板不封闭以及坑边逆作等挖土方法，使逆作法施工的土方开挖效率大大提高。4. 2软土地区利用“时空效应”的开挖技术软土地区土的含水率高、强度低，在开挖时有很大的流变性，因此开挖阶段易引起基坑的过大变形，甚至危及周边环境。国外为解决软土地区基坑
管线及环境保护，往往采用2 4. 5m 厚临近建筑、
的坑底满堂加固、设置密集的大刚度支撑等技术措
但其费用高、施工工期长。刘建航结合我国软施，
土地区多年的施工经验，提出了经济适用的利用“时空效应”原理的基坑开挖技术。基坑工程的“时空效应”就是基坑支护结构的变形和周边地层的变形随时间推移而发展，也因开挖的空间尺度、开挖后的坑底暴露面积而不同，这在软土地基的条件下尤为突出。根据“时空效应”的原理，工程界总结出基于时空效应的基坑开挖和支护设计技术，其基本点可用“分层、分块、对称、平10字概括。软土地区大量工程的理论分衡、限时”
析和实践都证明了这一技术的科学性和有效性。在超大深基坑中，分块开挖是利用“时空效应”进行变形控制的最基本措施。基坑尺度的控制不仅是空间效应的利用，也有利于加快施工速度、减少基坑暴露时间。根据工程对象，考虑时空效应的基坑开挖大致形成如下几种典型方式。
一类是超长线性基坑，如市政管道类深基坑。可采用分段长度≤25m 的分层开挖方法，及时设置支撑、施工垫层，在前区段的基础底板完成后进行由此形成线性的流水作业。后续区段的开挖，
无内支撑的大面积基坑，可利用后浇带进行分在前一区块基础底板施工完成后进行后一块施工，
区块的土方开挖。各块之间可采用跳仓施工法以加快进度。
大面积深基坑采用内支撑支护是软土地区更为普遍的形式。这类基坑可采用分层盆式开挖或岛式开挖的方式。分层盆式开挖是在每层土方开挖时先开挖基坑中央的土体，坑边留置10m 左右宽“盆边土”，度的利用盆边土的“反压”控制基坑变形；在中央支撑（底板）完成后，在盆边按对称、平衡的原则以10 20m 分段开挖，及时施工支撑并与中央支撑（底板）连成一体，依此逐段流水施工完成全部土方开挖。分层岛式开挖是在每层土方开挖时先分段开挖基坑盆边土方，并施工支撑（底板）；周边的支撑（底板）完成后，进行中央土方开挖和支撑（底板）的施工。
对面积为数万m 的超大深基坑且当周边环境
2
保护要求严格时，宜采用划区施工，形成若干小基坑进行开挖和结构施工。此时，在各小基坑之间则需要增设临时分区隔离围护桩。上海一些临近地铁、轻轨的大型基坑工程的实践证明，这对保护周边环境非常有效。
大型基坑分块开挖应尽可能利用后浇带，在后浇带尚不满足分块要求时，可增设临时施工缝。施工缝的处理可参考后浇带做法。5结语
我国20多年来基坑工程的新技术、新工艺、新设备不断涌现，随着我国基本建设的发展，可以预期地下工程规模将向大面积、超深度方向发展，需要基坑工程技术的不断提升和创新；而基坑工程的地域性、复杂性、综合性和不可预见性的特点，也需要工程界在设计与施工中给予加倍重视。
参考文献：
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S ］．北京：中国建筑工业出版社，2012．程［
［4］赵志缙，．北京：应惠清．简明深基坑工程设计施工手册［M ］
2000．中国建筑工业出版社，
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水泥土搅拌墙技术规程［S ］．北京：中国建筑工业出版2010．社，
山西长治至临汾高速公路正式开工
——山西省南部又一条东西向的高速大动脉—长治至临汾高速公路6月7日正式开工建设，长临高速公路是国家“7918”高速公路网青岛至兰州高速公路及山西省高速公路网“三纵十一横十一环”公路主骨架中第九横的重要组成部分，也是我国中西部地区的出海干线公路。公路的开建对于完善全省路网结构、促进区域交流合作、方便群众出行等都具有非常重要的意义。
长治至临汾高速公路是连接山西省晋东南以及晋南区域的1条长距离高速通道。长临高速公路起点位于长治市屯留县崔邵村，与太长、长邯高速公路相接，途经长治市屯留、长子和临汾市安泽、古县、洪洞、尧都、襄汾共2市7个县区，终点位于临汾市襄汾县北陈，与大运、临吉高速公路相接，全长166. 234km ，概算批复总投资为103. 0725亿元。该工程是山西省重点建设项目，采取BT 模式建设，由山西路桥集团公司承建，计划2016年6月建成通车。
（摘自“中国建筑新闻网”2013-07-01）