基坑支护设计

钱玉林

扬州大学岩土工程研究所

基坑支护主要涉及规范《建筑基坑支护技术规程》

（ JGJ120-99 ）《建筑基坑工程监测技术规程》

（ GB50497-2009 ）《建筑地基基础工程施工质量验收规范》

（ GB50202-2002 ）《高层建筑岩土工程勘察规程》

（ JGJ72-2004 ）

1 、总则建筑基坑支护设计与施工中做到技术先进、经济合理、确保基坑边坡稳定、基坑周围建筑物、道路及地下设施安全。基坑支护设计与施工应综合考虑工程地质与水文地质条件、基础类型、基坑开挖深度、降排水条件、周边环境对基坑侧壁位移的要求、基坑周边荷载、施工季节、支护结构使用期限等因素，做到因地制宜，因时制宜，合理设计、精心施工、严格监控。

2 、术语、符号

建筑基坑、基坑侧壁、基坑周边环境、基坑支护、排桩、地下连续墙、水泥土墙、土钉墙、土层锚杆、支撑体系、冠梁、腰梁、支点、支点刚度系数、嵌固深度、嵌固深度设计值、地下水控制、截水帷幕

基坑支护结构设计应确定相应的侧壁安全等级（一级、二级和三级）及重要性系数（ 1.1 、 1.0 和 0.9 ）。支护结构设计应考虑其结构水平变形、地下水的变化对周边环境的水平与竖向变形的影响，对于安全等级为一级和对周边环境变形有限定要求的二级建筑基坑侧壁，应根据周边环境的重要性、对变形的适应能力及土的性质等因素确定支护结构的水平变形限值。

3 、基本规定

当场地内有地下水时，应根据场地及周边区域的工程地质条件、水文地质条件、周边环境情况和支护结构与基础型式等因素，确定地下水控制方法。当场地周围有地表水汇流、排泻或地下水管渗漏时，应对基坑采取保护措施。对于安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，尚应对基坑周边环境及支护结构变形进行验算。

支护结构选型

支护结构可根据基坑周边环境、开挖深度、工程地质与水文地质、施工作业设备和施工季节等条件，选用排桩、地下连续墙、水泥土墙、逆作拱墙、土钉墙、放坡或采用上述型式的组合。

水平荷载标准值 支护结构水平荷载标准值按当地可

靠经验确定，当无经验时可按下列规定计算：1 、 对于碎石土及砂土 当计算点位于地下水位以上时，采用水土合算；

当计算点位于地下水位以下时，采用水土分算。

2 、对于粉土及粘性土，采用水土合算。

基坑开挖基坑开挖应根据支护结构设计、降排水要求，确定开挖方案。基坑边界周围地面应设排水沟，且应避免漏水、渗水进入坑内；放坡开挖时，应对坡顶、坡面、坡脚采取降排水措施。基坑周边严禁超堆荷载。软土基坑必须分层均衡开挖，分层开挖高度不宜超过 1m 。

基坑开挖过程中，应采取措施防止碰撞支护结构、工程桩或扰动基底原状土。发生异常情况时，应立即停止挖土，并应立即查清原因和采取措施，方能继续挖土。开挖至坑底标高后坑底应及时满封闭并进行基础工程施工。地下结构工程施工过程中应及时进行夯实回填土施工。

开挖监控基坑开挖前应作出系统的开挖监控方案，监控方案应包括监控目的、监测项目、监控报警值、监测方法及精度要求、监测点的布置、监测周期、工序管理和记录制度以及信息反馈系统等。监测点的布置应满足监控要求，从基坑边缘以外 1~2倍开挖深度范围内的需要保护物体均应作为监控对象。

4 、排桩、地下连续墙嵌固深度计算结构计算排桩、地下连续墙可根据受力条件分段按平面问题计算，排桩水平荷载计算宽度可取排桩的中心距；地下连续墙可取单位宽度或一个墙段。截面承载力计算锚杆计算支撑体系计算构造

5 、水泥土墙嵌固深度计算 水泥土墙嵌固深度设计值 hd 宜按本规程圆弧滑动简单条分法确定当基坑底为碎石土及砂土、基坑内排水且作用有渗透水压力时，水泥土墙嵌固深度设计值应按抗渗透稳定条件验算。当按上述方法确定的嵌固深度设计值 hd 小于0.4h 时 ,宜取 0.4h 。

墙体厚度计算水泥土墙厚度设计 b 值宜根据抗倾覆稳定条件计算构造 : 水泥土墙采用格栅布置时 , 水泥土的置换率对于淤泥不宜小于 0.8, 淤泥质土不宜小于 0.7, 一般粘性土及砂土不宜小于 0.6 ；格栅长宽比不宜大于 2 。水泥土桩与桩之间的搭接宽度应根据挡土及截水要求确定，考虑截水作用时，桩的有效搭接宽度不宜小于150mm ；当不考虑截水作用时，搭接宽度不宜小于100mm 。当变形不能满足要求时，宜采用基坑内侧土体加固或水泥土墙插筋加混凝土面板及加大嵌固深度等措施。

6 、土钉墙 土钉抗拉承载力计算土钉墙整体稳定性验算构造：土钉墙设计及构造应符合下列规定 :1 、 土钉墙墙面坡度不宜大于 1:0.1 ；2 、土钉必须和面层有效连接，应设置承压板或加强钢筋等构造措施，承压板或加强钢筋应与土钉螺栓连接或钢筋焊接连接；3 、土钉长度宜为开挖深度 0.5 ～ 1.2 倍，间距宜为 1～ 2m，与水平面夹角宜为 5 ° ～ 20 ° ；

4 、土钉钢筋宜采用Ⅱ、Ⅲ级钢筋，钢筋直径宜为 16~32mm ，钻孔直径宜为 70~120mm ；5 、注浆材料宜采用水泥浆或水泥砂浆，其强度等级不宜低于 M10 ；6 、喷射混凝土面层宜配置钢筋网，钢筋直径宜为 6~10mm ，间距宜为150~300mm ；喷射混凝土强度等级不宜低于 C20 ，面层 厚度不宜小于 80mm ；7 、坡面上下段钢筋网搭接长度应大于 300mm 。

7 、逆作拱墙逆作拱墙结构型式根据基坑平面形状可采用全封闭拱墙 , 也可采用局部拱墙 ,拱墙轴线的矢跨比不宜小于 1/8,基坑开挖深度 h不宜大于 12m ，当地下水位高于基坑底面时，应采取降水或截水措施。

8 、地下水控制地下水控制的设计和施工应满足支护结构设计要求 ,应根据场地及周边工程地质条件、水文地质条件和环境条件并结合基坑支护和基础施工方案综合分析确定。地下水控制方法可分为集水明排、降水、截水和回灌等型式单独或组合使用。

当因降水而危及基坑及周边环境安全时，宜采用截水或回灌方法。截水后，基坑中的水量或水压较大时，宜采用基坑内降水。当基坑底为隔水层且层底作用有承压水时，应进行坑底突涌验算，必要时可采取水平封底隔渗或钻孔减压措施保证坑底土层稳定。

集水明排排水沟和集水井可按下列规定布置： 排水沟和集水井宜布置在拟建建筑基础边净距 0.4m 以外，排水沟边缘离开边坡坡脚不应小于 0.3m；在基坑四周或每隔 30~40m 应设一个集水井； 排水沟底面应比挖土面低0.3~0.4m，集水井底面应比沟底面低 0.5m 以上。

沟、井截面根据排水量确定，排水量 V 应满足下列要求 :V≥1.5Q （ Q—— 基坑总涌水量）抽水设备可根据排水量大小及基坑深度确定。当基坑侧壁出现分层渗水时，可按不同高程设置导水管、导水沟等构成明排系统；当基坑侧壁渗水量较大或不能分层明排时，宜采用导水降水方法。基坑明排尚应重视环境排水，当地表水对基坑侧壁产生冲刷时，宜在基坑外采取截水、封堵、导流等措施。

降 水降水井宜在基坑外缘采用封闭式布置 ,井间距应大于 15倍井管直径，在地下水补给方向应适当加密；当基坑面积较大、开挖较深时，也可在基坑内设置降水井。降水井的深度应根据设计降水深度、含水层的埋藏分布和降水井的出水能力确定。设计降水深度在基坑范围内不宜小于基坑底面以下 0.5m。

降水井的数量 n 可按下式计算：n=1.1(Q/q) 式中 Q—— 基坑总涌水量，可按附录 F 计算；q—— 设计单井出水量，可按规程计算。设计单井出水量可按下列规定确定：井点出水能力可按 36~60m3/d 确定；

真空喷射井点出水量。

截 水截水帷幕的厚度应满足基坑防渗要求，截水帷幕的渗透系数宜小于 1.0×10-6cm/s 。落底式竖向截水帷幕应插入下卧不透水层，插入深度可计算。 当含水层渗透性较强 ,厚度较大时，可采用悬挂式竖向截水与坑内井点降水相结合或采用悬挂式竖向截水与水平封底相结合的方案。截水帷幕施工方法、工艺和机具的选择应根据场地工程水文地质及施工条件等综合确定。施工质量应满足《建筑地基处理规范》的有关规定。

回 灌回灌可采用井点、砂井、砂沟等。回灌井与降水井的距离不宜小于 6m。回灌井的间距应根据降水井的间距和被保护物的平面位置确定。回灌井宜进入稳定水面下 1m，且位于渗透性较好的土层中，过滤器的长度应大于降水井过滤器的长度。

回灌水量可通过水位观测孔中水位变化进行控制和调节，不宜超过原水位标高。回灌水箱高度可根据灌入水量配置。回灌砂井的灌砂量应取井孔体积的 95% ，填料宜采用含泥量不大于 13% 、不均匀系数在 3~5 之间的纯净中粗砂。回灌井与降水井应协调控制。回灌水宜采用清水。

（ 1 ）基坑工程红线以外怎样勘察？

规范规定了 2～ 3倍基坑深度，但实际上很多情况是红线压到地下室边，又不可能在红线以外进行钻孔，实际上有时做不到，所以，加了收集周边资料这个余地，补了这个漏洞。

9 、基坑工程相关问题

（ 2 ）液化对工程有什么危害？

土体液化是指饱和状态砂土或粉土在一定强度的动荷载作用下表现出类似液体的性状，完全失去强度和刚度的现象。

砂土液化造成的灾害的宏观表现主要有： 砂沸：地震晃动过程中，由于松散饱和粒状

土变密趋势产生高孔压区，其中的水体形成向上的水流，当水头梯度足够大时，水流还将携带大量悬浮的土颗粒，如果顶层特别薄或者地基土存在裂缝等缺陷，水流就会冲开地面，形成砂沸。砂沸的喷出物在喷出口周围形成圆锥形沉积，类似小的“火山口”。砂沸俗称喷水冒砂。

（ 3 ）挤土桩对工程有什么不利？

挤土的宏观工程问题：地面隆起邻近建筑物上抬、下沉和开裂邻近管线变形、开裂拉断已沉桩的接头

挤土控制性因素：入土桩的截面与建筑物底面积之比

＝ Ap/Af

>5％挤土非常严重 ＝ 3％～ 5％挤土严重 <3％挤土一般沉桩速度 8～ 10套 /天保护建筑物与沉桩区的安全距离大于 1倍桩长

（ 4 ）关于地下水多层水位为什么要分层量测？

在基础影响深度范围内，有些城市可能遇到几层地下水。不同层位的地下水之间，水力联系和渗流形态往往各不相同，造成人们难以准确掌握建筑物场地孔隙水压力场的分布； 需要分层量测各层动水位。怎样确定防水抗浮水位？流土、管涌、突涌有何不同？

（ 5 ）怎样确定抗浮设防水位？人们发现地下水的问题如此重要，而一般工程勘察中还提供不出太多的数据和结论。随着城市建设的高速发展，地下水的赋存与渗流形态对基础工程的影响日益突出 ；提出了“抗浮设防水位”的问题，对有条件的地方 , 要求能够在勘察报告中给出场地的抗浮设防水位 。

（ 6 ）什么时候需要考虑抗浮

对于高层地下室，在使用阶段，一般抗浮是没有问题的；在地下室施工阶段，当地下室的侧墙已经做好，如果停止了降水，即浮力已经产生，而荷载最小的时候是最危险的，如高层采用了桩基，桩基本身是能够承受拉力的，也没有问题；

抗浮问题比较严重是纯地下车库，上面只覆了些土做绿化，在使用阶段很可能抗浮验算通不过，需要设抗浮桩或抗浮锚杆；如果使用阶段验算抗浮没有问题，不需要设抗浮桩的话，则应注意施工期的验算，也就是当地下室的侧墙已经做好，顶板和覆土荷载尚未施加时，千万不能因为施工不再需要降水而停止降水，如果停止降水肯定要浮起来；

地下室上浮是非常严重的工程事故，上浮时地下室可能开裂，而且会倾斜，最终将报废。对深基坑工程的设计与施工，地下水位及地下水渗流特性的影响是十分明显的，需要进行专门的降水设计，要求在工程勘察时提供水文地质的必要资料。

（ 7 ）流土、管涌、突涌有何不同？

当动水力与土的有效重度相等时，土颗粒间的压力（即有效应力）就等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定，这种现象就称为流土；深层流土造成地面的大量塌陷，房屋的倒塌。

砂性土中渗流时，土中的一些细小颗粒在动水力的作用下，可能通过粗颗粒的孔隙被水流带走，这种现象称为管涌。管涌可以发生于局部范围，也可能逐步扩大，最后导致土体失稳破坏。发生管涌的临界水头梯度与土的颗粒大小及级配情况有关。

管涌现象

突涌分析

承压水

（ 8 ）试验指标的选用

对试验仪器：建筑地基规范中规定只能用三轴，完全否定了直剪试验；而岩土勘察规范中，两种仪器都有一定的地位；对试验方法：建筑地基规范规定只能用不固结不排水剪试验；而岩土勘察规范中可以根据工程条件选用不同的试验方法，作为勘察工作应主要按照岩土勘察规范执行。

建筑地基规范的规定

当采用剪切试验确定时，应选择三轴压缩试验中的不固结不排水试验。对经过预压的地基可采用固结不排水试验。饱和黏性土应采用在土的有效自重压力下预固结的不固结不排水三轴试验确定土的抗剪强度指标。

直剪与三轴剪各有什么特点？根据我国目前的情况能不能立即废除直剪试验、全部采用三轴试验？装备条件；试验人员的配备；目前的取样要求。这三个方面都不具备废除直剪、全部采用三轴的条件。

由剪切速率控制排水程度试验要求：快剪固结快剪慢剪

tgpcf

直剪仪存在许多致命的缺陷，国外已经被淘汰，但我国还是常规试验； 我国地基设计规范对直剪仪的态度，经历了从限制使用条件到企图完全淘汰的过程，目前，还没有具备淘汰的条件；在过渡时间内，正确认识直剪仪的问题，不致发生滥用是至关重要的。

直剪试验不适用于低塑性土。 直剪试验也不适用于砂土和软土。 如 89版《建筑地基基础设计规范》规定直剪试验只适用于二级及三级建筑物的可塑状粘性土和饱和度不大于 50% 的粉土。

不固结不排水剪固结不排水剪排水剪

三轴试验

三轴试验是建立在轴对称极限平衡理论基础上的一种土工试验，与直剪试验相比，应力条件明确，分析原理严密，可以模拟各种排水条件和应力条件。

在施加周围压力时关闭排水阀门，此时土样内的孔隙水压力等于周围压力，随后也在关闭排水阀门的条件下施加偏应力，不容许土样中的孔隙水排出，直至土样剪切破坏，测定的抗剪强度指标用cu、 u 表示，对饱和土 u ０。

饱和土的试验结果

非饱和土的试验结果

不固结不排水抗剪强度指标

不固结不排水强度是天然强度，不是强度指标；不固结不排水强度是总强度，反映了某种状态的结果；无法反映土的抗剪强度随法向应力变化的规律；如何提供土层的代表性数值？

不适当的使用不固结不排水剪

用以计算地基承载力，不能反映基础埋置深度对承载力的影响；用以计算土压力，不能反映实际的情况

10、工程实例 2003 年 7 月 1 日凌晨 4 时许，上海轨道交

通 4号线浦东南路至南浦大桥区间隧道，在用“冻结法”的工艺进行上、下行隧道的联络通道施工时，突然出现渗水，隧道内的施工人员不得不紧急撤离。瞬时，大量流沙涌入隧道，内外压力失衡导致隧道部分塌陷，地面也随之出现“漏斗型”沉降。不到半个小时，成块的水泥地仿佛被一双巨手硬生生地掰裂，紧挨着施工点的楼房开始出现不同程度的倾斜突发的险情开始出现连锁反应：

7 月 1 日上午 9 时许，位于中山南路 847号的一幢 8层楼房裙房坍塌；

7 月 2 日凌晨开始，董家渡外马路段长约 30米的防汛墙受地面沉降影响，开始沉陷、开裂。水泥防汛墙开裂、沉陷时发出令人揪心的“咔、咔”声响，裂缝越来越大，防汛墙呈 V 字型摇摇欲坠，零时许，它终于轰然倒塌。这是建国以来，在上海市区第一次发生的江堤倒塌严重事故。靠近事故现场的 20多层的临江花园大楼也出现沉降，最紧张时，高楼 1 小时沉降超过 7 毫米，最大累积沉降量达到 15.6毫米。

2009.6.27 ·莲花河畔景苑事故原因？

压力太大，自杀了…？原勘察报告，经现场补充

勘察和复核，符合规范要求； 原结构设计，经复核符合规范要求； 大楼所用 PHC管桩，经检测质量符合规范要求。

2009.6.27 ·莲花河畔景苑事故原因？

房屋倾倒的主要原因是，紧贴 7 号楼北侧，短期内堆土过高，最高处达 10米左右；同时，紧邻大楼南侧的地下车库基坑正在开挖，开挖深度 4.6米，大楼两侧的压力差使土体产生水平位移，过大的水平力超过了桩基的抗侧能力，导致房屋倾倒。

堆土和深坑是元凶！

上海某基坑坍塌事故基底面积 4471平方米高层建筑地上 29 层，地下 3 层基坑面积 2600平方米基坑周边长 260m

开挖深度 12.35m

地下连续墙厚 600mm ，深 24m

四道支撑，第一道钢筋混凝土支撑，其余三道 609mm12mm 的钢支撑

围护结构剖面围护结构剖面

支撑的位置插入深度地面施工荷载坑底注浆加固

垮塌的一角垮塌的一角

围护结构失效的后果围护结构失效的后果约 40m 长的围护结构后倾，墙底向内翻，基坑底土体隆起支撑结构体系失稳破坏邻近道路塌陷，塌陷面积约 500平方米，最深处 6～ 7m ，滑动体后座切口竖直平整煤气管破裂，煤气大量外溢切断两根光缆干线破坏电力电缆、电车电缆、自来水管与下水管道大面积停气、停水、停电，交通中断

连续墙后倾，支撑挠曲连续墙后倾，支撑挠曲

相邻路面下沉相邻路面下沉

回填黄砂抢险回填黄砂抢险

事故预兆事故预兆监测数据显示，事故发生前二周，邻近道路沉降速率最大已达15cm/d事故前一天的半夜，发现基坑底部出现土的局部上涌，钢支撑发出声音上午 7时，事故突然发生

事故原因的分析事故原因的分析支撑与连续墙之间直接连接，没有设置围檩，由于支撑与围护结构不正交，无足够承受剪力的构造节点支撑连系杆节点设置不当，连系杆形同虚设插入深度不足和围护结构强度不足施工超挖，未做注浆加固监测未及时报警管理混乱，对事故预兆不重视，没有及时处理

与超挖一样，设计时考虑了的坑底加固部位的抗力，实际没有加固，被动抗力不复存在，本来可以稳定的围护结构失去了支承条件，围护结构就不可避免地倾覆了。从安全度的构成来看，超挖是从加大设计表达式中的作用项来降低安全度，而坑底加固的缺失，降低了被动区的抗力，降低了设计表达式中的抗力来降低安全度。

除了上述超挖和坑底被动抗力的缺失之外，基坑工程施工的第三个顽症就是乱弃土。尽管在基坑设计中，对基坑周围的地面荷载作了规定，设计考虑了一定数量的地面荷载所产生的土压力，留有一定的裕度，但施工也经常在基坑周边堆放超过规定的重物，包括建筑材料和弃土。由于坑边超载而产生的围护结构过大变形，甚至基坑破坏的事故时有发生。

这些管道为什么直到施工时甚至直到挖破才被发现呢？

2005.11.30 ，北京地铁十号线第二十二标段塌方。市自来水集团公司工作人员称，原因是塌方现场一条很粗的自来水主管线遭到损坏。2005 年 7月，深圳地铁 1 号线续建工程段，在世界之窗 -白石洲区间施工工地发生塌方，施工过程中，由于不断的开挖，地下水渐渐渗出来，终于使周围土壁不堪承重，造成塌方。2004 年 9月，广州地铁二号线延长线，新港东路琶洲路段地铁隧道基坑旁，就是由于地下自来水管被工程车压破爆裂，大量自来水注入基坑并引发了大面积塌方 。

谢谢！