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地下工程施工：支挡施工地下工程施工：支挡施工支挡基坑开挖上海地铁上海地铁2 2号线河南路站施工现场号线河南路站施工现场支挡基坑开挖支挡基坑开挖支挡基坑开挖支挡基坑开挖支挡基坑开挖支挡基坑开挖支挡基坑开挖1 1、施工设计内容与原则、施工设计内容与原则内容：内容：围护结构、支撑系统、挖土方案、换撑措围护结构、支撑系统、挖土方案、换撑措施、降水方案、地基加固等。是互相关联的。施、降水方案、地基加固等。是互相关联的。原则：原则： 安全安全 经济经济 可靠可靠 实用实用 简便简便支挡基坑开挖2、施工设计的一般步骤施工设计的一般步骤前期工作：前期工作： 1）了解工程环境、熟悉工程设计意图）了解工程环境、熟悉工程设计意图 2）了解施工条件，研究工程地质及工程水文情况）了解施工条件，研究工程地质及工程水文情况设计与规划：设计与规划：3）围护结构形式及支撑体系的规划制定）围护结构形式及支撑体系的规划制定（根据工程需要和开挖深度，初拟入土深度、结构形式和尺寸）（根据工程需要和开挖深度，初拟入土深度、结构形式和尺寸） 4）地层中水、土压力，地面超载，反力系数）地层中水、土压力，地面超载，反力系数k的确定的确定 （ 砂性土：水、土分算；砂性土：水、土分算； 黏性土：水土合算）黏性土：水土合算） 5）围护结构入土深度的决定）围护结构入土深度的决定稳定性分析稳定性分析（整体、隆起、涌管、底鼓、槽壁的稳定性验算）（整体、隆起、涌管、底鼓、槽壁的稳定性验算） 6）修正围护结构的形式）修正围护结构的形式 （包括增加支撑、入土深度、地基加固、降水等）（包括增加支撑、入土深度、地基加固、降水等）支挡基坑开挖围护结构计算：围护结构计算：7）内力计算、强度验算）内力计算、强度验算 8）变位计算）变位计算允许值？允许值？编制施工用图：编制施工用图： 9）施工图设计）施工图设计 10）施工说明）施工说明 11）细部设计）细部设计施工施工 12）施工交底）施工交底支挡基坑开挖3 3、荷载计算、荷载计算1）土压力与围护结构的变位关系）土压力与围护结构的变位关系 静止土压 开挖后的静土压 支撑变位 变形后的土压 支挡基坑开挖2）粘土地层产生的侧压力）粘土地层产生的侧压力渗透系数小，地下水溶于土中，计算时采用水土合算，一般采渗透系数小，地下水溶于土中，计算时采用水土合算，一般采用朗金土压力公式：用朗金土压力公式：主动土压力：主动土压力：被动土压力：被动土压力： Pbrihitg2(450-i/2)-2citg(450-i/2) (kPa)Pprihitg2(450+i/2)-2citg(450+i/2) (kPa)ri- 各土层的天然容重（KN/m3）hi- 各土层的厚度 （m）ci、i-各土层的粘聚力（kPa）,内摩擦角（0）支挡基坑开挖3）砂性土地层产生的侧压力）砂性土地层产生的侧压力渗透系数大，将水土分开计算，土压力采用朗金土压力计渗透系数大，将水土分开计算，土压力采用朗金土压力计算；水压力采用全水压力计算。算；水压力采用全水压力计算。 土压力：土压力： 水压力：水压力：（1）作用于围护结构上的净水压力，墙底处水压力为零。）作用于围护结构上的净水压力，墙底处水压力为零。Pbrihitg2(450-i/2)-2citg(450-i/2) (kPa)ri- 地下水以上土层用天然容重；地下水以下用浮容重；（KN/m3）hi- 各土层的厚度 （m）ci、i-各土层的粘聚力（kPa）,内摩擦角（0）支挡基坑开挖rw水的容重水的容重 (2) 渗透情况下的水压力渗透情况下的水压力 （图中实线为稳定的水压）（图中实线为稳定的水压） UCjiHdUC=2(H+i-j)(d-i)/(2d+H-i-j)rwjiHdUcrw(H+d-j) Ucrw(d+i)UC=2(H+d-j)(d-i)/(2d+H-i-j)rw支挡基坑开挖4）地面超载引起的侧压力）地面超载引起的侧压力（1）均布荷载产生的侧压力）均布荷载产生的侧压力（2）集中荷载产生的侧压力）集中荷载产生的侧压力 m 0.4时时h（1.77V/H2)m2n2/(m2+n2)2 m 0.4时时h（0.28V/H2)n2/(0.16+n2)2qhh qtg2(450-i/2) (kPa)HZhV集中荷载X=mHZ= n H支挡基坑开挖 （3）线荷载产生的侧压力）线荷载产生的侧压力 m 0.4时时 h(4/q / H)(m2n)/(m2+n2)2 m 0.4时时 h(q/H)0.2030.203n/(0.16+n2)2 HZhq线荷载X=mHZ= n H支挡基坑开挖5）、地层反力系数的确定）、地层反力系数的确定单道及多道支撑的围护结构，内力计算一般采用竖向弹单道及多道支撑的围护结构，内力计算一般采用竖向弹性地基梁方法。即：性地基梁方法。即： x= kx x基坑开挖面以下土层的水平抗力基坑开挖面以下土层的水平抗力x等于该点地层反力系等于该点地层反力系数数kx与该点水平位移与该点水平位移x的乘积。的乘积。 kx 一般采用三种不同形式：一般采用三种不同形式：常数法m法k法支挡基坑开挖（1）常数法 假定地层反力系数沿深度方向均匀分布，是我国学者张有龄30年代提出的；偏于安全。（2）m法假定kx随深度呈正比增加。（3）k法假定第一横向位移点以下为常数，以上呈正比增加。 地层反力系数kx值土 性粘性土或粉性土粘性土或粉性土砂性土砂性土淤泥质淤泥质软软中等中等硬硬极松极松松松中等中等密实密实 kx（Kn/m3）300015000150003000030000150000150000以上以上300015000150003000030000100000100000以上以上支挡基坑开挖6）围护结构稳定性分析）围护结构稳定性分析入土深度的确定入土深度的确定n 为保证基坑的稳定性，支挡结构必须深入到基底以下为保证基坑的稳定性，支挡结构必须深入到基底以下某一深度，这段长度称为入土深度。某一深度，这段长度称为入土深度。n 为了节省工程造价，在保证安全的前提下，应尽量减为了节省工程造价，在保证安全的前提下，应尽量减少入土深度。少入土深度。n 入土深度不够，出现的工程问题主要有：入土深度不够，出现的工程问题主要有： 整体失稳、隆起失稳、管涌失稳、底鼓失稳等。整体失稳、隆起失稳、管涌失稳、底鼓失稳等。支撑强度刚度不够支撑强度刚度不够 整体滑动失稳整体滑动失稳 踢脚引起隆起失稳踢脚引起隆起失稳 管涌失稳管涌失稳 承压水引起底鼓失承压水引起底鼓失稳稳不透水层支挡基坑开挖讨论：讨论：（1）对于第一种情况，只要保证支撑强度和刚度。）对于第一种情况，只要保证支撑强度和刚度。（2）按抗基坑整体滑动失稳的稳定条件，确定入土深度）按抗基坑整体滑动失稳的稳定条件，确定入土深度有关边坡稳定计算方法，土力学中已介绍，不再复述。有关边坡稳定计算方法，土力学中已介绍，不再复述。主要介绍绕某点的整体失稳验算方法：主要介绍绕某点的整体失稳验算方法：在整体失稳时，坑底被动侧产生被动土压力，则：在整体失稳时，坑底被动侧产生被动土压力，则：安全系数为：安全系数为： F =(PpLp) / (PaLa)（1.051.2) 求求Pa时，不计上部土压力。时，不计上部土压力。Pp支撑点LpDLaPa支挡基坑开挖（3）根据基坑隆起的稳定性条件确定入土深度）根据基坑隆起的稳定性条件确定入土深度产生隆起失稳，取决于地质条件，入土深度，结构形状等。产生隆起失稳，取决于地质条件，入土深度，结构形状等。经验公式、方法较多，只介绍考虑经验公式、方法较多，只介绍考虑C、的抗隆起法：的抗隆起法：参考参考Prandtl 、 Terzaghi的地基承载力公式，有下列抗隆起安全系数的地基承载力公式，有下列抗隆起安全系数经验公式：经验公式： Ks=(r2DNg+CNc）/r1（H+D)+q 1.72.5 D - 入土深度入土深度 （m） H - 开挖深度开挖深度 （m) r1 - 坑外各层天然容重点加权平均值（坑外各层天然容重点加权平均值（kN/m2) r2 - 坑底下各层天然容重点加权平均值（坑底下各层天然容重点加权平均值（kN/m2) C - 坑底下的内聚力（坑底下的内聚力（kN/m2） q - - 地面荷载地面荷载（kN/m2)Ng、NC - 地基承载系数地基承载系数BHDr2Dr1（H+D)+q支挡基坑开挖用用Pranddtl: Nq = tg2(450+/2)tg NC = ( Ng-1)1/tg用用Terzghi: Ng = e(3/4/2)tg/cos(450+/2) NC = ( Ng-1)1/tg要求：要求：K1.72.5本方法可适用于各类土质条件。本方法可适用于各类土质条件。支挡基坑开挖（4）根据抗管涌的稳定条件确定入土深度）根据抗管涌的稳定条件确定入土深度当基坑面以下的土为松软的砂土层时，没有向上的渗透当基坑面以下的土为松软的砂土层时，没有向上的渗透水压，由此产生的动水坡度大于砂土层的极限动水坡度水压，由此产生的动水坡度大于砂土层的极限动水坡度时，砂土颗粒就处于冒出状态，基坑底面丧失稳定，这时，砂土颗粒就处于冒出状态，基坑底面丧失稳定，这种现象称为管涌。种现象称为管涌。 增大入土深度，即增加流线长度，增大入土深度，即增加流线长度， 降低动水坡度，因此，增大入土降低动水坡度，因此，增大入土 深度对防止管涌是有利的。目前深度对防止管涌是有利的。目前 使用较多的是如下经验式：使用较多的是如下经验式：流线hwD砂性土支挡基坑开挖当符合下列条件时，基坑稳定，不会发生管涌。当符合下列条件时，基坑稳定，不会发生管涌。 i 1.05 1.05 时，不会产生隆起。时，不会产生隆起。 b. b. 不满足时，可考虑上覆土不满足时，可考虑上覆土重量与支护结构摩擦力与滞水重量与支护结构摩擦力与滞水层的平衡。摩擦力一般由工程层的平衡。摩擦力一般由工程条件确定。条件确定。 土作用于支挡结构上的正压土作用于支挡结构上的正压力采用主动土压力。偏于安全力采用主动土压力。偏于安全 c. c. 若还不满足，应采用其它若还不满足，应采用其它工程措施防止失稳。如：工程措施防止失稳。如： 用隔水挡墙隔断滞水层、用用隔水挡墙隔断滞水层、用深井点降水、用抗拔桩等。深井点降水、用抗拔桩等。有压水 滞水层不透水层底鼓支挡基坑开挖4、支挡结构的计算方法、支挡结构的计算方法（1）计算工况）计算工况二道支撑一道支撑一道支撑一道支撑底板混凝土底板混凝土顶板混凝土 开挖至第一支撑点开挖至第一支撑点 开挖至第二支撑点开挖至第二支撑点 开挖至基底开挖至基底 底板浇注、折第二支撑底板浇注、折第二支撑 顶板浇注、完毕顶板浇注、完毕支挡基坑开挖（2）计算方法 有四大分类 1) 古典方法： 假想梁法、1/2分割法、太沙基法等特点：土压力已知，不考虑墙体变位和支撑变形。特点：土压力已知，不考虑墙体变位和支撑变形。 2）支撑轴力、墙体弯距、变位不随开挖过程而变化方法 山肩帮男法特点：土压力已知，考虑围护结构变位，不考虑支撑变形特点：土压力已知，考虑围护结构变位，不考虑支撑变形 3)支撑轴力、墙体弯距、变位随开挖过程而变化的方法 弹性法、弹塑性法、塑性法、叠加法特点：土压力已知，考虑围护结构变位，不考虑支撑变形特点：土压力已知，考虑围护结构变位，不考虑支撑变形 4）共同变形理论 森重龙马法等特点：土压力随墙体变位而变化，考虑围护结构变位，考特点：土压力随墙体变位而变化，考虑围护结构变位，考虑支撑变形虑支撑变形 介绍几种常用的方法。其它参考有关专著。支挡基坑开挖 （3）假想梁法）假想梁法 （又称等值梁法）（又称等值梁法） 假定：挡墙在基底以下有一假想铰，假想铰将挡墙分为假定：挡墙在基底以下有一假想铰，假想铰将挡墙分为 二段假想梁，上部为简支梁，下部为一超静定结构，可二段假想梁，上部为简支梁，下部为一超静定结构，可 求挡墙内力。求挡墙内力。 该方法关键问题为假想点的位置，一般有三种方法。该方法关键问题为假想点的位置，一般有三种方法。 a. 假定为被动土压力的合力点；假定为被动土压力的合力点； b.假定为主、被动土压假定为主、被动土压 力相等的点；力相等的点；c.采用工程经验建议值。采用工程经验建议值。假想铰位置假想铰位置支挡基坑开挖工程建议值工程建议值砂性土粘性土假想铰位置N0.6hQ = 0.4hN152N10Q = 0.3h15N3010N20Q = 0.2h30N20NQ = 0.1h支挡基坑开挖（4）1/2 分割法假定：每道支撑承受跨中到跨中那部分水土压力。则：每道支撑就等于所分担的水土压图面积，在支撑轴力确定后，不难求出围护结构的内力。一支撑二支撑L1L2/2L2/2L3/2L3/2水土压力图支挡基坑开挖（5）太沙基法）太沙基法假定：挡墙受力后，在每道横支撑交点以及基底假定：挡墙受力后，在每道横支撑交点以及基底处形成塑性铰。处形成塑性铰。注意：（第一道横支撑除外）由此挡墙成为静定的连续梁。可计算内力。由此挡墙成为静定的连续梁。可计算内力。一支撑二支撑水土压力支挡基坑开挖1、桩板支挡施工、桩板支挡施工 基本方法：以以I、H型钢为主桩，一般采用型钢为主桩，一般采用50#、55#和和60#的大型型钢，按设计位（一般桩间距的大型型钢，按设计位（一般桩间距12m）。基坑开挖前，在地面用冲击式打桩机沿基）。基坑开挖前，在地面用冲击式打桩机沿基坑设计边线坑设计边线逐根打入地下、或钻孔修筑；随挖土方随在桩间插逐根打入地下、或钻孔修筑；随挖土方随在桩间插入入5cm厚的水平木背板，以挡住桩间土体。厚的水平木背板，以挡住桩间土体。适用条件：适用条件：适用于良好的浅埋地层明挖施工，粘性适用于良好的浅埋地层明挖施工，粘性土、砂性土和粒径不大于土、砂性土和粒径不大于10 cm 的砂卵石地层，的砂卵石地层，当地下水位较高时，必须配合人工降水措施。当地下水位较高时，必须配合人工降水措施。 打打桩时。桩时。 施工噪声一般都在施工噪声一般都在100db以上，大大超过以上，大大超过环保环保 法规定的限值，因此，这种围护结构只宜于法规定的限值，因此，这种围护结构只宜于郊区距居民郊区距居民 点较远的基坑施工中。点较远的基坑施工中。支挡基坑开挖 工字钢桩围护结构支护工字钢桩围护结构支护支挡基坑开挖支撑局部支撑局部支挡基坑开挖2、连续钢板桩（管）支护施工、连续钢板桩（管）支护施工 钢板桩常用断面型式，多为钢板桩常用断面型式，多为U形或形或Z形。我国地形。我国地下铁道施工中多用下铁道施工中多用U形钢板桩，其沉放和拔除方形钢板桩，其沉放和拔除方法、使用的机械均与型钢桩相同法、使用的机械均与型钢桩相同; 构成方法则分为构成方法则分为单层钢板桩围堰单层钢板桩围堰、双层钢板桩双层钢板桩围堰及屏风围堰及屏风等。在较深基坑施工时，为保证其等。在较深基坑施工时，为保证其垂直度又方便施工，并使其能封闭合拢，多采垂直度又方便施工，并使其能封闭合拢，多采用屏风式构造。用屏风式构造。支挡基坑开挖 钢板桩施工钢板桩施工支挡基坑开挖适用条件： 钢板桩围护结构适用于粘性土、砂性土和钢板桩围护结构适用于粘性土、砂性土和粒径不大于粒径不大于10 cm的砂卵石地层，当地下的砂卵石地层，当地下水位较高时，必须配合人工降水措施。而水位较高时，必须配合人工降水措施。而且打桩时，施工噪声一般都在且打桩时，施工噪声一般都在100db以上，以上，大大超过环保法规定的限值，因此，这种大大超过环保法规定的限值，因此，这种围护结构与工字桩一样只宜于郊区距居民围护结构与工字桩一样只宜于郊区距居民点较远的基坑施工中。点较远的基坑施工中。支挡基坑开挖n 钢板桩的打入钢板桩的打入 1）单独打入法）单独打入法 这是最普通的施工法，板桩是一根根地打入土中。施工这是最普通的施工法，板桩是一根根地打入土中。施工法速度快，桩架高度相对可低一些，但是容易倾斜，对此法速度快，桩架高度相对可低一些，但是容易倾斜，对此可在一根桩打入后，把它与前一根焊牢，既防止倾斜又避可在一根桩打入后，把它与前一根焊牢，既防止倾斜又避免被后打的桩带入土中。免被后打的桩带入土中。 2）屏风式打入法）屏风式打入法 将将1020根板桩插入土中一定深度，使桩机来回锤击，根板桩插入土中一定深度，使桩机来回锤击，并使两端的一组桩先打到要求深度再将中间部分的板桩顺并使两端的一组桩先打到要求深度再将中间部分的板桩顺次打入。这种屏风施工法可防止板桩的倾斜与转动，对要次打入。这种屏风施工法可防止板桩的倾斜与转动，对要求闭合的围护结构，常采用此法。求闭合的围护结构，常采用此法。 缺点是施工速度比单桩施工法慢且桩架较高。缺点是施工速度比单桩施工法慢且桩架较高。支挡基坑开挖钢板桩围护结构钢板桩围护结构支挡基坑开挖n 钢板桩的拔除钢板桩的拔除 基坑回填后，一般要拔除钢板桩，以便重复使基坑回填后，一般要拔除钢板桩，以便重复使用。拔除钢板桩前，要仔细研究拔桩方法、拔用。拔除钢板桩前，要仔细研究拔桩方法、拔桩顺序、拔桩时间及土孔处理。否则，由于拔桩顺序、拔桩时间及土孔处理。否则，由于拔桩的振动影响，以及拔桩带土过多引起的地面桩的振动影响，以及拔桩带土过多引起的地面沉降和位移，会给已施工的地下结构带来危害，沉降和位移，会给已施工的地下结构带来危害，并影响邻近的建筑物、构筑物和地下管线的安并影响邻近的建筑物、构筑物和地下管线的安全。设法减少拔桩带土十分重要，目前已有灌全。设法减少拔桩带土十分重要，目前已有灌浆、灌砂等措施。浆、灌砂等措施。支挡基坑开挖n 拔桩方法拔桩方法 常见的拔桩方法有常见的拔桩方法有振动锤拔桩振动锤拔桩和和重型起重机重型起重机与与振动锤共振动锤共同拔桩同拔桩两种。两种。n 拔桩施工要点拔桩施工要点 拔桩起点和顺序：对封闭式板桩墙，拔桩起点应离开角拔桩起点和顺序：对封闭式板桩墙，拔桩起点应离开角桩桩5根以上。可根据沉桩时的情况确定拔桩起点，必要时根以上。可根据沉桩时的情况确定拔桩起点，必要时也可采用跳拔也可采用跳拔(间隔拔间隔拔)的方法。拔桩的顺序最好与打桩的方法。拔桩的顺序最好与打桩时相反。时相反。n 拔桩后土孔处理拔桩后土孔处理 对拔桩后留下的桩孔，必须及时回填处理。回填的方法对拔桩后留下的桩孔，必须及时回填处理。回填的方法有：振浮法，挤密法和填入法。所用材料一般为砂子。有：振浮法，挤密法和填入法。所用材料一般为砂子。支挡基坑开挖 请各位同学请各位同学 提出改进意见和建议提出改进意见和建议!