大型深基坑支护施工新技术
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大型深基坑支护施工新技术
第一阶段：上一世纪80年代末到90年代末，研究、探索阶段。
第二阶段：新世纪初的十多年，发展阶段。
1、两个阶段的标志
1）第一阶段：2000年前后基坑工程的国家行业标准和地方标准的颁布。
2）第二阶段：2009年《建筑基坑工程监测技术规范》GB50497）的颁布、一批相关的规范全面修订。
2、基坑工程设计理念的改变
1）早期：设计往往以满足地下工程施工为主。或以经验为主；或以理论为主。
2）现今：满足环境保护已成为设计施工的基本出发点。理论和经验相结合。
3、基坑设计方法
1）极限平衡法:卜鲁姆法、盾恩法、相当梁法等 ；
2）弹性支点法:解决变形分析问题；
3）有限元法:平面、空间；土体与结构共同作用；考虑土的弹塑性等
4、对基坑稳定性的认识
基坑事故主要是岩土类型的破坏形式。整体滑动稳定性、抗隆起稳定性等在软土中尤其重视。
常用的基坑支护结构
1）土体加固类:放坡、土钉墙、重力式水泥土墙等。
2）支挡、拉锚式围护墙：排桩、地下连续墙。
3）支锚体系：拉锚式，内支撑。
支锚体系：拉锚和锚杆
1、复合土钉墙
1）土钉支护结构的优点:施工方便、设备简单、经济效益显著等。
2）土钉支护结构的主要问题:适用有一定限制，仅适用于非软土场地。
土钉支护结构的主要问题
1）软土地区：稳定性
2）复合土钉墙：采用水泥土搅拌桩、预应力锚杆、微型桩等的一类或几类结构与土钉墙复合而成的支护结构。
3）软土地区的应用：以水泥土搅拌桩、微型桩等“超前支护”，
4）解决：隔水性；土体的自立性（加大自立高度和持续时间、提高稳定性）。
5）非软土地区的应用：通过微型桩、预应力锚杆等对限制土体的位移。预应力锚杆复合土钉墙，加大预应力可使位移减少40%~50%。使其适应的基坑开挖深度有所增加。复合土钉墙使开挖深度有所增加（12~15m）。
6）复合土钉墙结构设计中应注意的问题：可计入复合体的共同作用，但复合体的作用不可过高估计。
7）原位土层、土钉对结构稳定性的贡献：应占有主要的份额。
2、双排桩结构
双排桩结构：由前、后两排支护桩和梁连接成的刚架及冠梁组成的支挡式结构。
双排桩结构的特点
1）结构：有较大的侧向刚度，无需支撑或拉锚
2）施工：适应性广、工艺简单、与土方开挖无交叉作业、施工工期短等。
双排桩的设计
嵌固稳定性验算：以结构前后排桩与桩间土的整体分析，但嵌固段被动土的抗力作用在总抵抗力矩中占主要部分。
刚架结构受力分析
1）前、后排桩的受力前排受压；后排受拉，并引起前、后排桩竖向位移和桩身弯矩。
2）前、后排桩之间土体：考虑其的反力与变形关系（桩间土看作水平向单向压缩体，按压缩模量确定刚度系数）
考虑开挖后应力释放引起的初始压力（按桩间土自重占滑动体自重的比值确定）
3）桩顶梁
3、型钢水泥土搅拌墙
1）型钢水泥土搅拌墙：由水泥土墙和内插的型钢组成的复合支护结构。
2）特点：支护性能好、造价低、环保（型钢可回收）等。我国于2010年颁布了《型钢水泥土搅拌墙技术规程》JGJ/T199 ，标志了该技术已较为成熟。
型钢和水泥土作用
1）型钢：作为挡土结构。
2）水泥土：作为截水帷幕。
型钢水泥土搅拌墙的工作特性
1）墙体变位较小时：水泥土对提高墙体的刚度有相当贡献。
2）墙体的抗弯承载力验算：不应考虑水泥土的作用。
3）型钢间水泥土的受剪：包括型钢间水泥土的错动受剪和最弱截面处的局部受剪。
4）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。
5）设计要求：一般强度为1.0MPa左右，甚至更高。
6）实际情况：往往难以达到设计要求。
7）取芯检测：28d强度值一般在0.4MPa左右。
如何确定水泥土搅拌墙的桩身强度？
1）工程实际：鲜有因强度较低而造成破坏的事例；
2）理论分析：要求水泥土28d抗压强度为0.5MPa左右；
3）规范建议：采用不小于0.5MPa较为适宜。
施工中新设备和新工艺：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。
1、地下连续墙成槽机械和工艺
常用的成槽机械
铣削式成槽机——最大成槽深度可达150m，墙体厚度可达2.5m。
槽壁加固
粉土、粉砂土等易坍塌土层的技术措施：
① “夹心”地下连续墙（水泥土搅拌桩保护槽壁）；
② 改良泥浆性能。
▲TRD工法槽壁加固兼止水帷幕示意图
2、灌注桩施工新技术
旋挖钻孔灌注桩
1）旋挖成孔：通过桶状斗式钻头回转切削土体。
2）装土外运：直接将土装入钻斗，提升卸土。
3）泥浆护壁：易坍塌土层——采用静态泥浆护壁泥浆排量仅传统工艺的1/4~1/5）。
4）不易坍塌土层：可采用干式或清水钻进工艺（无需泥浆护壁）。
钻孔咬合灌注桩
由间隔布置的混凝土素桩和配筋桩相互咬合，形成的 “桩墙”。
1）咬合方法：旋挖钻机成孔、冲抓钻成孔、全套管成孔等。
2）性能：与间隔式灌注桩排桩相比：截水性能良好、不需附加的截水帷幕。与地下连续墙相比：功能基本相同，但施工简便、造价低廉。
素桩和配筋桩
1）素桩的混凝土：（超缓凝）初凝时间不小于40~70h；3d强度不大于3MPa；8d强度不小于C15。
2）配筋灌注桩：素桩混凝土初凝阶段施工，咬合素桩。
全套管成孔
1）适用：除用于咬合桩外，还可用于：淤泥、流砂、地下水富集等。
2）不良地层；城市建筑物密集或有地下障碍的地区。
钻孔咬合桩采用全回转全套管钻机钻孔施工，在桩与桩之间形成相互咬合排列的一种围护 结构。桩的排列方式为一根 A 桩一根 B 桩间隔布置。施工时,先施工两根 B 桩后,再施工 A 桩。B 桩混凝土采用超缓凝混凝土(内掺适量高效缓凝减水剂，超缓凝混凝土的初凝时间不早于 24小时，终凝时间不宜迟于 36 小时)，在 B 桩混凝土初凝之前切割掉相邻 B 桩与 A 桩相交部分的 混凝土，并完成两 A 桩施工，实现相邻两桩咬合。适用桩径范围 ø1.0m~ø2.0m，桩长范围 60m以内。咬合桩围护结构具有垂直度高、防水效果好等优点。
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3、型钢水泥土搅拌墙施工工艺
多轴柱列式水泥土搅拌墙：SMW工法（Soil Mixing Wall）
1）搅拌桩施工机械：三轴（四轴或五轴）搅拌桩机械；桩径650~1000mm。
2）型钢拔出机械：液压式拔桩机
3）关于水泥土水灰比的讨论：我国规范建议水泥掺量高达20%左右；水灰比为1.5~2.0，砂砾土中为1.2~2.0。
高水灰比的不必要性：对水泥土强度并无益处；大量原土被置换，施工中难以实现（实际施工中往往出现涌土时便停止注浆）；置换排出的土为水泥含量较高的废土，造成污染。
基于水泥土强度0.5MPa可满足要求的前提
1）建议：水泥掺量取15%~18%；水灰比取0.8~1.0。改用震动插入型钢的方法。
2）日本有关资料：水泥掺量15%左右，水灰比0.8~1.0之间。型钢插入
型钢插入时间
1）规范规定：水泥土搅拌后30min内插入；
2）工程经验；水泥土搅拌后1~2h内插入，并无影响。
3）振动插入对型钢与水泥土的粘结力的影响：在搅拌桩施工后1~2h内（水泥初凝前），振动插入型钢不会影响粘结力。
等厚度水泥土搅拌连续墙
TRD工法（Trench Cutting Re-mixing Deep Wall）
其基本原理是利用链锯式刀具箱竖直插入地层中，然后作水平横向运动，同时由链条带动刀具作上下的回转运动，搅拌混合原土并灌入水泥浆，形成一定强度和厚度的墙。
TRD工法通过水平横向运动成墙，可形成没有接口的等厚连续墙体，其止水防渗效果远远优于柱列式地下连续墙和柱列式搅拌桩加固，其主要特点是环境污染小、成墙连续、表面平整、厚度一致、墙体均匀性好、防渗性能好、施工安全，与传统柱列式地下连续墙相比隔渗，经济性好。
TRD工法适应粘性土、砂土、砂砾及砾石层等地层，在标贯击数达 50~60 击的密实砂层、无侧限抗压强度不大于5MPa的软岩中也具有良好的适用性。可广泛应用于超深隔水帷幕、型钢水泥土搅拌墙、地墙槽壁加固等领域。
1 · 施工深度大
最大设计深度80m
2 · 适应地层广
对硬质地层（硬土、砂卵砾石、软岩石等）具有良好的挖掘性能。
3 · 成墙质量好
在墙体深度方向上，水泥土搅拌均匀，强度提高，离散性小，截水性能好。
4 · 稳定性好
主机机高仅11米，重心低，稳定性好
5 · 施工精度高
实时随钻测量，实现了施工全过程对TRD工法墙体的垂直精度控制，这是目前其他传统工法无法做到的。
6 · 墙体等厚
连续造壁，无缝连接，可以任意设定芯材间距。
7 · 周边土体影响较小
TRD工法在搅拌成墙过程中喷注水泥浆液过程中压力比SMW工法较小，特别是基坑围护紧邻保护建筑物或者管线时候，对于周边土体影响较小。
1、地下结构的逆作法建造
1）逆作法：地下工程由上向下施工的方法。
2）特别适用：超深地下结构、环境保护要求高。
3）优点：
①以主体结构作为“支撑”，刚度大，基坑变形较小；
②无需支撑，大大节约资源、降低能耗；
③可实现上、下结构同步施工，不同程度缩短工期；
④地下结构顶板较早形成，施工现场布置方便。
逆作的几种方法
1)上下结构是否同步施工
2）平面区域是否全部逆作施工
3）顶板以下结构是否采用逆作
4）围护结构是否兼作主体结构外墙
逆作法的土方开挖
2、软土地区利用“时空效应”的开挖技术
1）软土地区土的特点：含水率高、强度低，在开挖时有很大的流变性。开挖易引起基坑过大变形，甚至危及周边环境。
2）基坑工程的“时空效应”：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；因开挖的空间尺度、坑底暴露面积而不同。这在软土地基的条件下尤为突出。
3）利用“时空效应”的开挖技术：“分层、分块、对称、平衡、限时”。
超大深基坑中，分块开挖是最基本的措施。
1）分块开挖典型方式之一 ：超长线性基坑
采用分段分层开挖方法，及时设置支撑、施工垫层。在前区段的基础底板完成后进行后续区段的开挖。形成线性的流水作业。
2）分块开挖典型方式之二：无内支撑的大面积基坑
利用后浇带进行分块施工，在前一区块基础底板施工完成后进行后一区块的土方开挖。各块之间可采用跳仓施工法以加快进度。
3）分块开挖典型方式之三：大面积采用内支撑的深基坑
采用分层盆式开挖或分层岛式开挖的方式。
分层盆式开挖示例
分层盆式开挖示例——竖向分层盆式开挖
分层盆式开挖示例——平面分块开挖
1、我国基坑工程的新技术、新工艺、新设备不断涌现。
2、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。
3、基坑工程地域性、复杂性、综合性和不可预见性的特点：需要在设计与施工中给予加倍重视和精心。
TRD工法
TRD工法（Trench-Cutting & Re-mixing Deep Wall Method），又称等厚度水泥土地下连续墙工法，其基本原理是利用链锯式刀具箱竖直插入地层中，然后作水平横向运动，同时由链条带动刀具作上下的回转运动，搅拌混合原土并灌入水泥浆，形成一定强度和厚度的墙。
TRD工法通过水平横向运动成墙，可形成没有接口的等厚连续墙体，其止水防渗效果远远优于柱列式地下连续墙和柱列式搅拌桩加固，其主要特点是环境污染小、成墙连续、表面平整、厚度一致、墙体均匀性好、防渗性能好、施工安全，与传统柱列式地下连续墙相比隔渗，经济性好。
TRD工法适应粘性土、砂土、砂砾及砾石层等地层，在标贯击数达 50~60 击的密实砂层、无侧限抗压强度不大于5MPa的软岩中也具有良好的适用性。可广泛应用于超深隔水帷幕、型钢水泥土搅拌墙、地墙槽壁加固等领域。
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