支护结构的形式
出处：按学科分类—工业技术 中国建材工业出版社《建筑工程施工实用技术手册》第579页（10889字）
支护结构是基坑工程中的重要组成部分，主要包括围护墙、支撑体系(或拉锚)和防渗帷幕等结构体系。支护结构设计的第一步是支护结构选型，即根据基坑的安全等级、开挖深度、周围环境情况、土层及地下水位，根据支护结构施工的成功经验，并经过反复经济和方案比较，正确地选择支护结构的形式。
根据我国的行业标准《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120－99)中的规定，基坑根据其破坏后果的严重程度，分为三级安全等级，如表10－1所示，在计算时要分别取用不同的重要性系数。
表10－1 基坑侧壁安全等级和重要性系数
支护结构的类型很多，其构成也各不相同：(1)重力水泥土墙式：通常以挡墙的自重和刚度保护基坑壁，既挡土又挡水，一般不设置内支撑，个别情况下必要时也可辅以内支撑，以加大基坑的支护深度；(2)排桩与板墙式：由板桩、排桩(有的加止水帷幕)或地下连续墙等作为挡墙，另设内支撑或外拉的土层锚杆；(3)边坡稳定式：有土钉墙和喷锚支护，这是一种利用加固后的原位土体来维护基坑边坡土体稳定的支护方法。
除以上三类支护结构外，还有其他的一些支护形式(如逆作拱墙式等)，有时还可将两种类型混合应用。当主体工程建设或环境保护有特殊要求，采用逆作法施工多层地下室时，围护墙就兼作地下室结构外墙，地下室各层楼板就用作水平支撑，此种情况下就将地下室外墙和围护墙两墙合一。
支护结构按其工作机理和挡墙形式，一般可分为以下几种类型，如图10－1所示。
图10－1 支护结构的类型
(一)挡墙支护结构的选择
在建筑工程的深基坑中常见挡墙支护结构类型，主要有深层搅拌水泥土桩挡墙、钢板桩挡墙、钢筋混凝土板桩挡墙、钻孔灌注桩排桩挡墙、H型钢横挡板桩挡墙、地下连续墙挡墙、劲性水泥土搅拌桩挡墙、旋喷桩挡墙、挖孔桩挡墙、土钉墙挡墙和逆作拱墙挡墙等。
1．深层搅拌水泥土桩挡墙
(1)水泥土围护墙的作用
深层搅拌水泥土围护墙在软土地区应用较多，特别在上海地区取得了成功经验。这种围护墙是利用特种进入土深层的深层搅拌机，将喷出的水泥浆固化剂与地基土进行原位强制拌合，从而形成连续搭接的水泥柱状加固体挡墙，如图10－2所示。
图10－2 水泥土围护墙示意图
水泥土围护墙的渗透系数不大于10－7cm／s，所以能止水防渗，加上这种围护墙属于重力式挡墙，利用其本身重量和刚度可以进行挡土和防渗，具有双重作用。
(2)水泥土围护墙的构造
水泥土围护墙的截面是格栅形，相邻桩的搭接长度不宜小于200mm，截面置换率通常对淤泥不宜小于0．8，对淤泥质土不宜小于0．7，对一般黏性土、黏土及砂土不宜小于0．6。格栅长宽比一般不宜大于2．0。
墙体宽度B和插入深度D，是这种支护结构设计的重要参数，应根据基坑深度、土层分布及其物理力学性能、周围环境和地面荷载等计算确定。在软土地区当基坑开挖深度h0小于或等于6m时，可按经验取B=(0．6～0．8)h0，D=(0．8～1．2)h0。
水泥土围护墙属于重力式挡墙，当其深度大时可在水泥土中插入加筋杆件，则可形成加筋水泥土挡墙。
(3)水泥土围护墙的材料
水泥土加固体的强度高低主要取决于水泥掺入比(即水泥质量与加固土体质量的比值)，一般控制在12%～14%范围内，并应用强度等级为42．5MPa的普通硅酸盐水泥。水泥土围护墙的强度以龄期1个月的无侧限抗压强度为准，应不得低于0．8MPa。为改善水泥土的性能和提高早期强度，可掺加适量的木钙、三乙醇胺、氯化钙、碳酸钠等。
水泥土的材料用量对围护墙性能有较大影响。施工要保证设计规定的水泥掺合量，严格控制水泥浆的水灰比小于0．45。
(4)水泥土围护墙的特点
水泥土围护墙的优点：由于坑内无支撑，便于机械化快速施工；具有挡土和挡水的双重作用；与其他支护结构相比，一般比较经济。水泥土围护墙的缺点：不宜用于基坑深度大于6m的支护；坑内无支撑，其位移相对较大，尤其是基坑长度较长时更加明显。
2．钢板桩挡墙
在建筑工程的支护结构中常用的钢板桩，主要有简易的槽钢钢板桩和热轧锁口钢板桩。
(1)简易槽钢钢板桩
槽钢钢板桩是一种结构非常简单的钢板桩挡墙，一般由槽钢并排或正反扣搭接而组成。槽钢的长度为6～8m，其型号应通过计算确定。由于槽钢的截面抗弯能力较弱，在土压力作下易产生弯曲变形，再加上其防渗能力比较差，多用于深度不超过4m的基坑。为将槽钢加以固定和变形过大，在顶部近地面处还需设置一道支撑或拉锚。
(2)热轧锁口钢板桩
在支护结构中比较正规的钢板桩为热轧锁口钢板桩，其形式有U型、Z型、一字型、H型和组合型。在我国常用的为U型，即互相咬接而形成的板桩挡墙，只有在基坑深度很大时才用组合型。U型钢板桩可用于开挖深度为5～10m的基坑。
在软土地区钢板桩打设非常方便，施工速度快，打设后可立即进行开挖；有一定的挡水能力，尤其是小趾口者挡水效果更好；钢板桩可以重复使用，工程造价较低。因此，当基坑开挖深度不太大，且周围环境要求不太严格时，钢板桩往往是优先考虑的方案之一。
但是，钢板桩的柔性较大，刚度较差，基坑较深时支撑(或拉锚)工程量大，给施工带来很大困难；由于钢板桩重复使用，在拔除时必然向外带土，如果处理不当会引起土层移动，将会给施工的结构或周围设施带来危害，应当予以充分注意，采取有效技术措施以减少带土。
3．钢筋混凝土板桩挡墙
钢筋混凝土板桩挡墙是一种传统的支护结构，截面带企口的板桩有一定的挡水作用。在其顶部设置支撑圈梁，用后不再将桩体拔出，永久保留在地基土中。由于这种板桩挡墙刚度较大，可限制变形，一般多用于钢板桩难以拔除的地段，有的施工单位将其用于高层建筑深基坑支护。
钢筋混凝土板桩挡墙的施工与其他板桩不同，其具体做法是：先放坡开挖上层土(如地下水位高可用轻型井点降水)，然后再打设钢筋混凝土板桩挡墙，由于挡土高度减小，在开挖下层土时可用单锚板桩代替复杂的多支撑板桩，从而简化支撑或拉锚。如果钢筋混凝土板桩挡墙沿基础边线精确地进行打设，还可兼作基础混凝土浇筑时的模板。
4．钻孔灌注桩排桩挡墙
钻孔灌注桩排桩挡墙是桩排式中应用最多的一种支护结构，多为直径600～1000mm的灌注桩做成排桩挡墙，顶部浇筑钢筋混凝土圈梁，并设置内支撑体系，其结构组成如图10－3所示。
图10－3 钻孔灌注桩排桩挡墙
1－围檩；2－支撑；3－立柱；4－工程桩；5－钻孔灌注桩围护墙；6－水泥土搅拌桩挡水帷幕；7－坑底水泥土搅拌桩加固
根据目前的施工工艺，钻孔灌注桩为间隔排列，桩间的缝隙一般在100mm以上，因此它不具备挡水功能，需要另外再做挡水帷幕。我国应用较多的是厚1．2m的水泥土搅拌桩。当地下水位较低时，则不需做挡水帷幕。
钻孔灌注桩排桩挡墙施工无噪声、无振动、无挤土，刚度比较大，抗弯能力强，变形相对比较小，在土质较好的地区已有7m以上的悬臂结构，在软土地区(加设支撑或拉锚)已有基坑深达14m的成功经验。
有的工程为不用设置支撑简化施工，采用相隔一定距离的双排钻孔灌注桩与桩顶联系横梁组成空间结构围护墙，使悬臂桩围护墙可用于20m深的基坑，如图10－4所示。
图10－4 双排桩围护墙示意图
1－钻孔灌注桩；2一联系横梁
5．H型钢横挡板桩挡墙
H型钢横挡板桩挡墙也称为桩板式支护结构，它由工字型钢(H型钢)桩和横挡板(也称衬板)组成，再加上围檩、支撑等则形成一种简易的支护结构，如图10－5所示。这种支护结构构造简单、效果较好，适用于土质较好、地下水位较低的地区。国外应用较多，我国北京、上海等地区也有应用。
图10－5 型钢横挡板支护结构
1－工字钢(H型钢)；2－八字撑；3－腰梁；4－横挡板；5－垂直联系杆件；6－立柱；7－横撑；8－立柱上的支承杆；9－水平联系杆
在进行施工时，先按一定间距打设工字钢(H型钢)桩，然后边挖土边加设木横挡板或其他挡土设施，施工结束后拔出工字钢或H型钢，并在安全允许条件下尽可能回收横挡板，以降低工程摊销费用。
横挡板的厚度应经过计算确定，工程上多用厚度为60mm的木板或预制钢筋混凝土薄板。
6．地下连续墙
地下连续墙是应用较广泛的一种支护结构，即在基坑开挖之前，用特殊的挖槽设备，在泥浆护壁之下开挖深槽，然后下钢筋笼浇筑混凝土形成的地下土中的混凝土墙。我国于20世纪70年代后期开始出现壁板式地下连续墙，现在已成为深基坑的主要支护结构挡墙之一。地下连续墙的常用厚度为600～1000mm，有的墙厚仅450mm。
地下连续墙用作围护墙的优点是：施工时对周围环境影响小，能紧靠相邻的建(构)筑物进行施工；墙体的刚度大，整体性好，可实现两墙合一，降低工程成本。由于具备以上优点，我国在很多高层和超高层建筑的基础施工中都曾采用地下连续墙，尤其是在地下水位高的软土地区，当基坑深度较大且邻近的建(构)筑物、道路和地下管线相距很近时，地下连续墙是首先考虑的支护方案。
但是，如果将地下连续墙单纯用作围护墙，只为基坑挖土服务则成本很高；施工所用泥浆应妥善处理，否则会影响环境。
7．劲性水泥土搅拌桩挡墙
劲性水泥土搅拌桩挡墙的施工方法，在日本称为SMW工法，这是日本发明的一种施工方法。即在水泥土搅拌桩内插入一定数量的H型钢，使之成为同时具有受力和抗渗两种功能的支护结构围护墙，如图10－6所示。
图10－6 SMW工法围护墙
1－插在水泥土桩中的H型钢；2－水泥土桩
劲性水泥土搅拌桩应用三根搅拌轴的深层搅拌机进行全断面搅拌，H型钢可依靠其自重顺利下插至设计标高。这种支护结构的水泥掺量比水泥土搅拌桩高，一般为20%左右，因此水泥土的强度比较高，与H型钢的粘结好，能形成一个整体共同工作。
8．旋喷桩挡墙
旋喷桩挡墙是钻孔后将钻杆从地基土深处逐渐上提，同时利用插入钻杆端部的旋转喷嘴，将水泥浆固化剂喷入地基土中而形成水泥土桩，桩体相互连接形成帷幕墙，可用作支护结构挡墙。
旋喷桩挡墙与深层搅拌水泥土桩一样，也是一种重力式挡墙，只是形成水泥土桩的工艺不同。在旋喷桩施工时，主要应控制好钻杆上提速度、水泥浆喷射压力和喷射量，否则施工质量难以保证。
9．挖孔桩挡墙
挖孔桩挡墙也属于桩排式围护墙，多在我国东南沿海地区应用。挖孔桩的成孔的方法是人工挖土，多为大直径桩(一般大于1000mm)，宜用于土质较好的地区。当土质较松软、地下水位较高时，需要边挖土边施工衬圈，衬圈多采用混凝土结构。
在地下水位较高地区施工挖孔桩时，要切实注意挡水问题，否则地下水大量流入桩孔内，造成施工困难和危险；当采用大量抽排水时，会引起邻近地区地下水位下降，会因土壤固结而出现较大的地面沉降。挖孔桩由于采用人工进行挖孔，很容易检验土层的土质情况，也可以方便扩孔；可以多桩同时进行施工，施工速度可以得到保证；大直径挖孔桩用作围护桩，可以不设或少设支撑，这样可以节省工程投资。但是，挖孔桩劳动强度高，施工条件差，如果遇到流砂土层还有一定的危险。
10．土钉墙挡墙
土钉墙是一种利用土钉加固后的原位土体来维持基坑边坡土体稳定的支护方法，其作用与被动起挡土作用的围护墙不同，而是起着主动嵌固作用，增加边坡的稳定性，使基坑开挖后坡面保持稳定。
土钉墙挡墙主要由土钉、钢丝网喷射混凝土面板和加固后的原位土体三部分组成，如图10－7所示。施工时，每挖1．5m左右，挂上钢丝(筋)网，喷射细石混凝土面层，其厚度一般为50～100mm；然后钻孔插入长度为10～15m的钢筋，钢筋的直径为16～25mm，纵横间距为1．5m×1．5m左右；加垫板并在孔内进行灌浆，依次进行直至坑底。
图10－7 土钉墙挡墙示意图
1－土钉；2－喷射细石混凝土面层；3－垫板
土钉墙挡墙支护结构简单、施工方便、比较经济，是一种较有发展前途的基坑边坡支护技术，适用于地下水位以上或经降水后的黏性土，或密实性较好的砂土地层，基坑的深度一般不宜大于15m。
11．逆作拱墙挡墙
当建(构)筑物基坑平面形态适合时，可以采用拱墙作为围护墙。拱墙的平面形状有圆形闭合拱墙、椭圆形闭合拱墙和组合式拱墙。对于组合式拱墙，可将局部拱墙视为两铰拱。
拱墙的截面宜为Z字型，如图10－8所示，拱壁的上、下端宜加肋梁(图10－8a)；当基坑深度较大，一道Z字型拱墙不够时，可由数道Z字型拱墙叠合而成(图10－8b)，或沿拱墙高度方向设置数道肋梁(图10－8c)，肋梁的竖向间距一般不宜小于2．5m；也可以不加肋梁而用加厚肋壁的方法处理(图10－8d)。
图10－8 拱墙截面示意图
1－地面；2－基坑底；3－拱墙；4－肋梁
圆形拱墙的壁厚不宜小于400mm，其他拱墙的壁厚不宜小于500mm，混凝土强度等级不宜低于C25。在拱墙的水平方向应通长双面配置钢筋，钢筋的总配筋率不宜小于0．7%。
拱墙在垂直方向应分道进行施工，每道的施工高度视土层直立高度而确定，一般不宜超过2．5m。待上道拱墙合拢且混凝土强度达到设计强度的70%后，方可进行下道拱墙的施工。上下两道拱墙的竖立施工缝应当错开，错开的距离不宜小于2．0m，拱墙宜连续进行施工，每道拱墙施工时间不宜超过36h。
(二)支撑(拉锚)形式的选择
当基坑深度比较大、悬臂的挡墙在强度和变形方面不能满足设计要求时，需沿围护墙的竖向增设支撑系统，以减少跨度，使围护墙受力合理和变形允许。基坑围护墙的支撑系统分为两类，即基坑内支撑和基坑外拉锚。
基坑外拉锚又分为顶部拉锚与土层锚杆拉锚，前者多用于基坑不太深的基坑，多为钢板桩，在基坑顶部将钢板桩挡墙用钢筋或钢丝绳等拉结锚固在一定距离之外的锚桩上；土层锚杆锚固多用于较深的基坑中。
基坑内支撑受力合理、安全可靠、易于控制围护墙的变形，但内支撑的设置给基坑内挖土和地下室结构的施工带来很大困难，需要通过换撑方法加以解决，施工比较复杂。用基坑外拉锚拉结围护墙，对坑内施工带来方便，但位于软土地区土锚的变形难以控制，且土锚长度有一定限制，在建筑物密集地区如超出红线需专门申请，否则不允许施工。在一般情况下，如果具备锚杆施工条件、施工设备和技术，应优先选用锚杆支撑形式；在软土地区的基坑为便于控制围护墙的变形，应优先选用内支撑形式。
支护结构的内支撑体系，主要包括腰梁或冠梁(围檩)、支撑和立柱。围檩固定在围护墙上，将围护墙承受的侧压力传给纵、横水平支撑。纵、横水平支撑均为受压构件，当其长度超过一定限度时稳定性不好，所以中间可适当增设立柱，立柱下端需插入工程桩内稳固，实在对不准工程桩时，可另外专门设置坑。对撑式内支撑如图10－9所示。
图10－9 对撑式内支撑
1－腰梁；2－支撑；3－立柱；4－桩(工程桩或专设桩)；5－围护墙
目前，在建筑工程基坑中支护结构的内支撑，常用的有钢结构支撑和钢筋混凝土结构支撑两大类。
1．钢结构支撑
钢结构支撑多用圆钢管支撑和H型钢支撑。钢结构支撑的拼装和拆除非常方便、迅速，多为工具式支撑，可多次重复使用，并可根据控制变形的需要施加预应力，具有一定的优点。但与钢筋混凝土结构支撑相比，它的变形相对比较大，由于钢管和型钢的刚度较低，其承载能力不如钢筋混凝土结构支撑大，因而支撑的水平向间距不能很大，对于机械挖土也不太方便。
在城市建筑密集地区开挖深基坑，其支护结构多以变形进行控制，在减少变形方面钢结构支撑虽然不如钢筋混凝土结构支撑，但如果分段根据变形多次施加预应力也能控制其变形量，所以钢结构支撑仍然是今后深基坑支护结构的发展方向。
(1)圆钢管支撑
圆钢管支撑一般多用Φ609钢管进行接长，用不同壁厚的钢管来适应不同的荷载，常用的壁厚有10mm、12mm、14mm和16mm多种。除Φ609钢管外，也可用较小直径的钢管(如Φ580和Φ406等钢管)。钢管的刚度比较大，单根圆钢筋有较大的承载能力，不足时还可将两根钢管并用。
圆钢管支撑的形式，多为对撑或角撑，如图10－10所示。当采用对撑时，为增大间距在端部可加设琵琶撑，以减小腰梁的内力。当采用角撑时，如果间距较大、长度较长，也可增设腹杆形成桁架式支撑。圆钢管支撑端部的琵琶斜撑与活络头子的构造，如图10－11所示。
图10－10 钢管支撑的形式
(a)对撑；(b)角撑
图10－11 琵琶斜撑与活络头子的构造
(a)琵琶斜撑；(b)活络头子
对撑纵横钢管的交叉处，可以上下叠交；也可以增设特制的十字接头，纵横钢管均与十字接头进行连接，使纵横钢管处于同一平面内。采用十字接头方式可使钢管支撑形成一平面框架，其刚度比较大，受力性能好。
当采用钢管支撑时，挡墙的腰梁可以用钢筋混凝土材料，也可以用型钢材料。钢筋混凝土腰梁的刚度大、承载能力高，可增大支撑的间距。
(2)H型钢支撑
H型钢支撑采用螺栓进行连接，是一种典型的工具式钢支撑，其现场组装方便，构件标准化，对不同的基坑能按设计要求进行组合和连接，可以重复使用，有较高的技术经济效益。
H型钢常用有焊接H型钢和轧制H型钢，有多种规格以适应不同的承载力，在使用中可根据表10－2进行选用。H型钢支撑的构造如图10－12所示。
表10－2 H型钢规格表
注：A－型钢断面高度；B－型钢断面宽度；t1－型钢腹板厚度；t2－上、下翼缘厚度。
图10－12 型钢支撑构造示意图
(a)示意图；(b)纵横支撑连接；(c)支撑与立柱连接
1－钢板桩；2－型钢围檩；3－连接板；4－斜撑连接件；5－角撑；6－斜撑；7－横向支撑；8－纵向支撑；9－三角托架；10－交叉部紧固件；11－立柱；12－角部连接件
2．钢筋混凝土支撑
钢筋混凝土支撑是我国近些年来在深基坑施工中发展起来的一种支护形式，它随着基坑挖土深度的增加，根据设计规定的位置在现场支模浇筑而成。
钢筋混凝土支撑的优点是：形状多样化，可浇筑成直线、曲线构件，也可根据基坑平面形状，浇筑成最优化的布置形式；整体刚度大，安全可靠，围护墙的变形很小，有利于保护周围环境；可以根据受力实际变化构件的截面和配筋，以适应其内力变化。
钢筋混凝土支撑的缺点是：支撑成型和发挥作用的时间比较长，会使围护墙因时间效应而产生变形增大；这样的围护墙的支撑属于一次性的，不能重复使用，增加工程费用较大；在进行拆除时相对比较困难，如果用爆破方法拆除，有时周围环境不允许，如果采用人工拆除，需要时间较长，劳动强度大。
由于钢筋混凝土支撑为现场浇筑，因而其形式可随基坑形状而变化，在平面布置上也有多种形式，在建筑工程的深基坑中常见的布置形式有：角撑、对撑、边桁架式、框架式、环梁与边框架式和角撑加对撑式等，如图10－13所示。
图10－13 支撑的平面布置形式
(a)角撑；(b)对撑；(c)边桁架式；(d)框架式；(e)环梁与边框架式；(f)角撑加对撑式
在一般情况下，对于平面形状接近于方形且尺寸不大的基坑，宜采用角撑结构，使基坑中间有较大的空间，便于组织挖土和其他作业。对于平面形状接近于方形但尺寸较大的基坑，宜采用环形支撑、边桁架式支撑和边框架式支撑结构，其不仅受力性能好，而且也能提供较大的作业空间。对于长方形的基坑，宜采用对撑或对撑和角撑结构，支撑安全可靠，便于控制变形。
钢筋混凝土支撑的混凝土强度等级一般为C30，截面尺寸需经计算确定。腰梁(亦称围檩)的截面尺寸一般为600mm×800mm(高度×宽度)、800mm×1000mm和1000mm×1200mm；800mm×1000mm(高度×宽度)、800mm×1200mm和1000mm×1200mm。支撑的截面尺寸在高度方向要与腰梁高度相匹配，配筋要经过计算确定。
对于平面尺寸较大的基坑，在支撑交叉点处应当设立柱，在垂直方向支承水平支撑。立柱可为四个角钢组成的格构式柱、圆钢管或型钢。考虑到承台施工便于穿入钢筋，采用格构式柱较好，这种立柱应用较多。立柱的下端插入作为工程桩使用的灌注桩内，插入深度不宜小于2m，否则立柱就要作专用的灌注桩基础。因此，格构式立柱的平面尺寸要与灌注桩的直径匹配。
对于多层支撑的深基坑，在进行挖土作业时如果要求挖土机不上支撑，在实际操作中是非常难以做到的，如果遇到挖土机上支撑挖土，则设计支撑时要考虑这部分荷载，施工中也要采取措施避免挖土机直接压支撑。
如果基坑的宽(长)度很大，所处地区的土质比较好，在内部支撑需耗费大量材料，且不便于挖土施工时，可以考虑选用土层锚杆在基坑外面拉结固定挡墙，我国在很多工程中已应用成功，并取得较好的经济效益。