各种建筑物与地下管线施工时都要进行基坑开挖

各种建筑物与地下管线施工时都要进行基坑开挖，一些深度和面积较小的基坑可直接开挖或放坡开挖。

但当基坑深度较大，周围场地较狭窄时，一般都采用基坑支护。

深基坑支护结构的主要作用是挡土，使基坑在开挖和基础施工的全过程中能安全顺利地进行，并保证对临近建筑和周边环境不产生危害。

过去支护比较简单，采用钢板桩加井点降水一般能满足基坑安全施工，但对于深基坑已不能满足要求。

近几年来，随着基坑开挖深度和面积的不断增大，支护技术也有了较大进展。

2.3.1 悬臂式支护结构及适用范围悬臂式支护结构通常采用的结构形式为钢板桩、钢筋混凝土桩、地下连续墙、木板桩、钢筋混凝土板桩等。

SWM工法和钢筋混凝土咬合桩在实际工程中正在不断的到推广，对于钢筋混凝土桩而言，人工挖孔桩、沉管灌注桩、钻孔灌注桩、、预制桩是常用的施工形式。

此类支护结构是通过入土深度和自身抗弯能力来满足结构的稳定及安全需要，适用于开挖深度不大、底层土质良好的地区。

2.3.2水泥土重力式支护结构及适用范围这是在实际工程中已经得到广泛应用的支护结构，施工方法一般包括深层搅拌法和高压喷射注浆法。

从工程经济角度考虑，格构体系倍受青睐。

水泥土重力式支护结构是依靠水泥土的重力维护周围土体及边坡稳定，通常应用于软土地区或支护结构在6.0m以下或左右工程中。

2.3.3内撑式支护结构及适用范围内撑式支护结构主要包括两部分：一是，通常采用钢筋混凝土咬合桩、钢筋混凝土桩排桩墙及地下连续墙等形式的支护结构体系；二是，由斜支撑和水平支撑组成的内支撑体系。

其中，内撑体系可以采用钢管或钢筋混凝土作支撑材料。

根据基坑开挖的深度设置单层、两层或多层水平支撑内支撑。

内撑常采用钢筋混凝土支撑和钢管（或型钢）支撑两种。

内撑式支护结构应用较广，基本可适用于各种深度及地质条件的基坑工程。

2.3.4拉锚式支护结构及适用范围拉锚式支护结构通常由钢筋混凝土灌注桩和锚杆组成，锚杆可以根据基坑的深度设为一层、两层或多层。

锚固体系是拉锚式支护结构的重要组成部分，其包括需要较大设置场地的地面拉锚式结构和地质较好能提供足够锚固力的锚杆式结构。

随着基坑注浆及扩孔技术的发展，锚杆在基坑支护工程中的应用也在不断扩大。

锚杆一端固定在围护墙体，一端固定于土体，钻孔一般成15o角，杆端以螺栓固定于坑壁。

拉锚式支护结构可靠性较好，在多种场地条件下都可应用。

2.3.5土钉支护结构及适用范围土钉支护结构的施工过程是先钻孔，再插筋，后注浆，或采用直接打入土体的方式。

土钉围护结构的机理可理解为通过基坑边坡中设置土钉，形成加筋土重力式挡墙起到挡土作用。

土钉主要可分为钻孔注浆土钉与打入式土钉两类。

钻孔注浆土钉是最常用的土钉类型。

即先在土中钻孔，置入钢筋，然后沿全长注浆，为使土钉钢筋处于孔的中心位置，有足够的浆体保护层，需沿钉长每隔2-3m设对中支架。

土钉外露端宜做成螺纹并通过螺母、钢垫板与配筋喷射混凝土面层相连。

打入土钉是在土体中直接打入角钢、圆钢和钢筋等，不再注浆。

打入钉的优点是不需预钻孔，施工速度快，但效果差。

近年来国内开发了一种打入注浆式土钉，它是直接将带孔的钢管打入土中，然后高压注浆形成土钉，这种土钉特别适合于成孔困难的砂层和软弱土层，具有广泛的应用前景。

2.3.6其它形式支护结构及适用范围其它形式支护结构主要有门架式支护结构、拱式组合型支护结构、喷网支护结构、加筋水泥土墙支护结构、沉井支护结构和冻结法支护结构等。

门架式支护结构的支护深度比悬臂式支护结构支护深度要大，适用于开挖深度已超过悬臂式支护结构的合理支护深度的基坑工程。

喷网式支护结构是由锚杆（锚索）、钢筋网喷射混凝土面层与边坡组成，其结构形式与土钉支护结构类似，其受力机理类同锚杆，又称为土中锚杆，常用于土坡稳定加固，不适用于含淤泥质土和流砂的土层。

加筋水泥土挡墙支护结构是在水泥土中插入型钢而形成，以提高水泥土的抗拉强度，增加水泥土重力式挡墙支护结构的深度。

2.4 本章小结本章对深基坑变形性状、变形机理、基坑支护类型加以总结分析，主要内容如下：（1）深基坑变形性状分为基底隆起、支护结构位移及结构后土层移动等形式。

三者关系是密不可分的，相互之间会有重要的影响。

由于土体开挖及水位降低，基底土体出现隆起变形，支护结构在土压力差作用下朝基坑方向移动，同时结构后土层发生移动。

（2）总结了基坑隆起变形及墙后土层移动变形的机理，基底土体隆起主要是土体卸荷及支护结构受力变形引起的，基坑周边土层移动主要是由于支护结构变形及地下水位变化引起的。

（3）分析了基坑支护结构的类型及适用范围。

由于基坑的复杂性，基坑支护一般是多种类型的综合使用，并且随着基坑工程的不断发展，将不断有新的支护形式应用于实际。

深基坑工程是极为复杂的系统工程，在设计及施工中要充分考虑众多的影响因素，近年来由于深、大复杂基坑的大量涌现，以及施工环境的苛刻要求，深基坑的设计计算理论和施工安全性要求也越来越高。

尽管深基坑工程取得了极大的发展，但相关的设计计算理论尚且停留在半经验、半理论阶段，很多实际工程中理论计算结果并不完善，需要通过经验对理论结果进行修正[67]。

而且，由于深基坑工程较大的地区差异性，在不同的地区甚至是同一个地区不同地点的设计计算结果也不完全相同。

并且单单采用现行的基坑设计计算理论并不能确保施工及周边环境的安全，故需要对支护结构设计不断论证，不断优化，确保结构受力和变形在允许的范围内。

近年来，深圳地铁建设取得了很快的发展，为确保2011年大运会的交通畅通，很多线路在紧张的施工中。

本章以深圳地铁某深基坑为背景，对支护结构及其周边环境的工作状态加以监控，研究支护结构受力和变形的规律，为施工的安全进行提供支护结构的运行信息，并可为类似工程提供经验。

3.1 深基坑支护结构设计计算理论方法基坑工程设计需要确保支护结构在开挖的过程中稳定，支护结构的构件满足强度的要求，支护结构及周围土体的变形在允许范围内为目标而开展的开挖设计、支护结构设计、支护体系变形和地面沉降预测、监测及应急方案设计等组成的系统工程。

目前基坑工程设计通常涉及到的计算理论主要是朗肯土压力理论、库仑土压力理论及侧压力理论，方法主要包括极限平衡法、土抗力法和有限元法。

3.1.1 朗肯土压力理论朗肯(w.J.M.Rankine.1857年)土压力理论是英国学者朗肯从研究弹性半空间体内的应力状态，根据土的极限平衡理论，得出计算土压力的方法，又称极限应力法。

其理论有三个假定：墙本身是刚性的，且不考虑其变形；墙后填土表面水平，并无限延伸；墙背垂直光滑，与填土间无摩擦力。

按照墙身的移动情况，依据填土体内任一一点处于主动或被动极限平衡状态时最大和最小主压力的关系而求得主动或被动土压力的强度和主动或被动土压力(它等于压力强度分布图形的面积)。

因为没有考虑摩擦力，按此求得的主动土压力值偏大，而动土压力值偏小。

主动总土压力为：2122E2a2cH K cHaγγ=-被动总土压力为：2E2p H K cHpγ=+以上四式中：γ—墙后填土重度（kN/m3），地下水位一下取有效重度；c—填土的黏聚力（kPa）,对于无黏性土取值为0；ϕ—填土的内摩擦角；z—计算点距填土面的深度（m）；aK—主动土压力系数，2(45)2aK tgφ︒=-；K p—主动土压力系数，2(45)2K tgpφ︒=+。

3.1.2 库仑土压力理论库仑(C.A.Coulomb 1773年)土压力理论是法国库伦根据极限平衡理论，通过研究回填砂土挡土墙的土压力，把挡土墙后的土体看成夹在两个滑动面之间的土楔。

根据土楔的静平衡条件，求解出挡土墙对滑动土楔的支撑反力，进而求解作用于墙背的总土压力，这种方法又称为滑动土楔平衡法。

其基本假定是：墙后填土是均匀无粘性土；挡土墙刚性，墙背倾斜；墙面粗糙，与填土间有摩擦力；滑动破裂面是通过墙踵的平面。

由背与填土摩擦角较大，这样求得主动土压力系数偏小。

主动总土压力为：12E a2H K aγ=其中222cos()cos cos()1aKϕαααδ-=⎡⋅++⎢⎣被动总土压力为：12E a2H K aγ=其中222cos ()cos cos()1a K ϕαααδ+=⎡⋅-+⎢⎣以上四式中：γ—墙后填土重度（kN/m 3），地下水位一下取有效重度；c —填土的黏聚力（kPa ）,对于无黏性土取值为0；ϕ—填土的内摩擦角；z —计算点距填土面的深度（m ）；a K —主动土压力系数；K p—主动土压力系数。

3.1.3 侧压力理论侧土压力是指作用于基坑桩板或支护墙体之上的土压力，主要包括主动土压力、被动土压力、静止土压力三种。

侧压力的大小与分布情况受到地基土特性的影响，并且与支护结构的本身相关。

基坑支护结构上的土压力并无统一的、标准的计算方法，在基坑的支护结构设计以及优化中，朗肯和库伦土压力理论、静止土压力、修正的土压力计算方法都经常使用。

现行地下水的侧土压力和地面产生的侧压力的确定都有许多假定，也无统一的计算方法或理论。

正是由于基坑的复杂性，包括地质、环境等的复杂性，使得基坑壁的情况错综复杂，因所以对于支护结构所承受的侧压力要根据已有工程经验，通过多种方法进行确定，以便得出合理的贴近实际的结论。

（蓝色津汇）3.1.4 极限平衡法极限平衡法假定作用在结构前后墙上的土压力分别达到被动土压力和主动土压力，在此基础上再作某些力学上的简化，把超静定的结构力学问题作为静定问题求解。

等值梁法、静力平衡法、泰沙基法、二分之一分割法等都属于此类。

以国内采用较多的等值梁法和静力平衡法为例，在分阶段计算多撑式结构的内力时，不考虑设撑前墙体已产生的位移，并假定支撑为不动支点，下层支撑设置后，上层支撑的支撑力保持不变。

用极限平衡法计算围护墙结构的入土深度及内力时，一般可采用等值梁法或静力平衡法；确有实践依据时也可采用其它方法。

当用等值梁法或静力平衡法计算围护墙结构的入土深度及内力时，应考虑开挖侧坑底以下被动土压力的修正。

虽然极限平衡法存在许多缺陷，但该方法简单快捷、无需借助电子计算机就能解决问题，且已为我国大多数工程技术人员所采用。

应用极限平衡法时，应注意以下问题：由于抗倾覆稳定问题本质上是挡土结构前后墙上荷载达到极限时的平衡问题，与支护结构的微小变形无关，所以应用等值梁法和静力平衡法从概念上看似乎无问题，故在规范中一般推荐使用。

关于内力计算，由于目前找不到更合适的方法取代现行的等值梁法和静力平衡法，为此通常采取如下处理方法：对等值梁法和静力平衡法的应用条件进行较严格的限制，只用于三类基坑及地层条件与环境条件较好的二类基坑，多支点结构尽量不用。

不排斥其它经过实践检验证明是可行的方法。

在内力计算中，提倡采用经验土压力分布模式，强调依据工程经验对计算结果的修正。

3.1.5 土抗力法在工程界土抗力法有时又称为弹性抗力法、地基反力法、竖向弹性地基梁的基床系数法等。