基坑工程明挖和暗挖技术

明挖

基坑工程是综合管廊工程实施的第一个环节，基坑围护设计关系到管廊结构施工期间的安全、进度，同时对工程整体造价也有较大影响。本文根据综合管廊基坑工程的特点，介绍综合管廊常用的几种基坑围护结构型式。

基坑开挖深度是影响综合管廊围护结构设计的一个重要因素。综合管廊纵断面设计时，结构顶板覆土需要考虑道路铺装、绿化种植、道路横向支管穿越、节点夹层布置等要求，通常覆土在1.5~3m，再加上综合管廊结构高度、垫层厚度等，标准段的管廊基坑开挖深度约5~8m。局部需下穿越河流、避开地下障碍物，或者受地形起伏变化时，开挖深度可超过10m，笔者目前参与过的综合管廊工程最大开挖深度为14m。

此外场地土体力学性质、地下水状态、周边环境等也决定基坑围护结构设计的选型。

●放坡开挖●

采用放坡开挖方法，管廊结构施工不受内支撑影响，施工操作面大，施工便利。

当场地周边环境简单、地下水位较低、开挖深度不大、土质较好时，可以采取放坡开挖方法施工管廊基坑。一般在开挖深度小于10m时采用放开挖坡经济性较好，深度超过10m放坡开挖土方工程量较大，造价较高。

开挖坡率应根据整体稳定性分析计算求得。开挖深度大于5m时一般采用分级放坡，同时各级坡间设置中间平台。坡面做好护坡措施防止降水对边坡稳定性造成影响。

综合管廊工程动则数公里，地形起伏不定，高差较大。放坡平面设计时，可通过预先定义好的放坡规则，采用CIVIL 3D 或者专业管廊设计软件，根据地形图上的散点高程自动生成各级放坡线，减轻设计工作量。

●土钉墙围护●

当场地受限时，开挖深度在10m以内时，可采用土钉墙围护，通过加大开挖坡率，打设土钉来减小放坡平面占地面积，节约施工用地空间。

由于管廊基坑通常为条形结构，开挖宽度普遍在10m左右，土方开挖时间占总工期比例较小，采用土钉墙围护时，分层打设土钉费时费力，对土方开挖工期影响较大。

●拉森钢板桩●

基坑开挖深度在8m以内，场地平面受限，且地层满足钢板桩打设要求时（地层为软粘土、砂性土层），可采用拉森钢板桩围护施工管廊基坑。钢板桩间互相咬合，可以兼做止水。根据管廊主体结构施工要求，在管廊顶板上方可做一道钢支撑或锚杆，减小拆换撑工作，加快施工速度。

●型钢桩围护●

型钢桩围护与拉森钢板桩围护类似，但型钢桩刚度更大，在土层力学性质差，开挖深度较大时可采用。由于型钢之间无咬合，采用型钢桩需另外考虑降水或止水围幕措施。

●型钢水泥土搅拌墙●

型钢水泥土搅拌墙简称SMW工法，施工时在三轴水泥土搅拌桩内插入型钢。水泥土搅拌桩承担止水功能，受力则由型钢承担。三轴水泥搅拌桩常规直径有600、850、1000三种规格，相应的型钢有H500×300、H700×300、H850×300多种规格。

型钢水泥土搅拌墙在软土地区适用，可以有效止水，通过选择不同的搅拌桩直径及型钢止水，基坑开挖深度可达12~13m。

●钻孔灌注桩●

钻孔灌桩围护适用各类地层，各种开挖深度。但相对造价较高，施工速度较慢。管廊局部节点由于开挖深度大（超过10m），平面形状复杂时，可采用钻孔灌注桩围护。场地存在地下水，且无法采用坑外降水措施时，需考虑在钻孔灌注桩外侧施工旋喷桩止水围幕。

●SMW工法●

SMW是Soil Mixing Wall的缩写， SMW工法1976年在日本问世，是日本一家中型企业--成辛工业株式会社所拥有和开发的一项专利，现该法广泛应用于沿海地区地下连续墙和深基坑止水帷幕。

优点：

（1）挡水性强；

（2）对周围地基影响面小；

（3）多用途（能适应各种地层）；

（4）工期短；

（5）造价低。

适用：城市高架桥下等施工，空间受限制的场合，或海底筑墙，或软弱地基加固。

方法：该工法是以多轴型钻掘搅拌机在现场向一定深度进行钻掘，同时在钻头处喷出水泥系强化剂而与地基土反复混合搅拌，在各施工单元之间则采取重叠搭接施工，然后在水泥土混合体未结硬前插入H型钢或钢板作为其应力补强材，至水泥结硬，便形成一道具有一定强度和刚度的、连续完整的、无接缝的地下墙体。SMW工法最常用的是三轴型钻掘搅拌机，其中钻杆有用于粘性土及用于砂砾土和基岩之分，此外还研制了其他一些机型。

●HUW工法●

参数及应用范围

围护方案比较

施工流程和要点

优势

●TRD工法●

是将满足设计深度的附有切割链条以及刀头的切割箱插入地下，在进行纵向切割横向推进成槽的同时，向地基内部注入水泥浆已达到与原状地基的充分混合搅拌在地下形成等厚度连续墙的一种施工工艺。

随着地下空间开发规模向大、深、紧、复杂多变发展，给深基坑工程支护新技术的应用提供了广阔的舞台。型钢水泥土搅拌桩(墙)支护结构要满足“深、快、强”的需要，截断或部分截断承压水层与深基坑的水力联系，控制由于基坑降水而引起的地面过度沉降，确保深基坑和周边环境的安全，解决深基坑一定承压水层深度范围和紧密砂层施工水泥土搅拌桩的难题。TRD工法技术就成为可供选择的基坑支护施工新技术。

TRD工法以其施工周期短、工程造价合理、对环境污染小、适应地层广、防渗性能好，特别是型钢可以重复利用，被誉为可持续发展、循环经济的绿色工法，用作基坑支护结构、H型钢芯材回收时，比常用的钻孔灌注桩形式可降低造价约18%，比钢筋混凝土地下连续墙形式可降低造价约30%-40%。

TRD工法的特点

1、施工深度大

最大设计深度70m

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、稳定性高

主机机高仅10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。

●浅层或临时支护●

1、短柱横隔板支撑

2、临时挡土墙支撑

3、斜柱支撑

4、锚拉支撑等支护方式

深度不大的三级基坑，当放坡开挖有困难时，可采用以上支撑方式

5、放坡开挖

不设围护,仅在基坑四周放坡的坑内土体开挖方法，适用于场地开阔，周围无重要建筑物的工程。

6、斜柱支撑

先沿基坑边缘打设柱桩，在柱桩内侧支设挡土板并用斜撑支顶，斜撑底端在木制撑桩上，挡土板内侧填土夯实。适于开挖较大型、深度不大的或使用机械挖土的基坑。

7、锚拉支撑

先沿基坑边缘打设柱桩，在柱桩内侧支设挡土板，柱桩上端用拉杆拉紧，挡土板内侧填土夯实，适用于深度不大、不能安设横（斜）撑的大型基坑。

暗挖

●新奥法●

设计依据：岩承理论(1950’s)

稳定的围岩自身具有承载自稳能力；不稳定的围岩丧失稳定是一个时间过程；

若在期间提供必要的支承与限制，则围岩仍可以重新回到稳定状态。

注重过程与控制，强调充分利用岩体的自承载能力。

技术要素：喷锚(网)支护【柔性支护与永久衬砌构成复合式衬砌】与监控量测

设计理论—施工方法—支承结构状态更符合实际情况。

●钻爆法●

设计依据：松弛荷载理论 (1920’s)

稳定的围岩具有自稳能力；

不稳定的围岩则会坍塌，需支护结构来支承；

{支承荷载}〓{一定范围内因松弛且可能塌落的岩体重量}

注重结果与处理方法

技术要素：刚性支护(钢木构件支撑)，一般需撤换为整体式厚衬砌(永久支护)。

按最不利围岩组合荷载设计临时支护与永久衬砌不太符合实际工作状态。

●全断面掘进机法●

装备：全断面掘进机(TBM)

原理：电动机驱动主轴旋转→对刀盘施压贴紧岩壁→利用刀盘上的盘形滚刀破碎岩石→巷道全断面一次成型

优点：月进尺为钻爆法的1.5～2.0倍，超挖量小于5％，衬砌费用大幅节约，施工安全性与岩层适应性好

适用对象：硬岩长大隧道(尤其适用于岩石破碎、高山缺氧、严寒等恶劣气候条件地区的隧道开挖 )

●盾构法●

装备：盾构机 【主体为可移动的高强度钢套壳(盾壳)】

盾构机是在软土、软岩和破碎含水地层中修建隧道的专用设备。盾壳在构筑永久衬砌之前支承地层，不需临时支护。

盾构机是根据隧道与地基情况量身设计、制造或改造的。

施工断面：多为圆形，也有矩形、马蹄形、半圆形和异型。

适用对象：城市地铁、水下隧道、水工隧道等。

●沉管法●

施工方法：预制钢筋砼管段→浮运至预挖水底基槽的隧址→管段定位后注水压载下沉至设计位置→与相邻管段水下连接→基础处理→回填覆土→隧道内部铺装。

适用对象：水底隧道。对地基要求低，特别适应于软基、河床或海床等水深较浅、易于疏浚设备开挖基槽的工程地点。

常用断面形式：圆形和矩形

●盖挖法●

工法：先用连续墙、钻孔桩等作为围护结构和中间桩，然后施工钢筋混凝土盖板，在盖板、围护墙、中间桩的保护下进行土方开挖与结构施工。

逆做法：土方开挖与结构施工顺序均由上而下进行。

顺做法：土方开挖全部结束后由下而上做结构施工。

●浅埋暗挖法●

修建浅埋地段隧道时，有时受制于周边环境必须采用暗挖法施工 称为浅埋暗挖法。基于NATM理论，开挖中采用各种辅助施工措施加固围岩。开挖后即时支护、封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系，有效地抑制围岩过大变形

施工精髓：“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”十八字方针。

●顶管法●

施工方法：采用液压油缸将预制管段顶入由切削刀盘或掘进机形成的钻孔中构成衬砌的非开挖施工方法。

适用对象：穿越公路、铁路、建筑物、河流以及在闹市区、古迹保护区、农田与环境保护区等不允许或不能开挖条件下的地下工程施工。

●冻结法●

冻结是一种土层人工冻结技术，靠液氮等在冻结管内直接气化吸热带走地层中的热量，从而实现土层的快速冻结

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