基坑工程设计与施工中的一些重要问题总结

基坑工程设计与施工中的一些重要问题总结

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二OO五年九月七日

讲 座 内 容

一、基坑工程设计与施工必备的规范„„„„„„„„„„„„„1 二、基坑工程使用年限规定„„„„„„„„„„„„„„„„„2 三、基坑工程主要规范用语„„„„„„„„„„„„„„„„„2 四、基坑工程设计前的勘察要求„„„„„„„„„„„„„„„6 五、基坑工程设计和施工前的环境调查„„„„„„„„„„„„7 六、基坑工程设计荷载及设计原则„„„„„„„„„„„„„„7 七、基坑工程的主要设计内容„„„„„„„„„„„„„„„„9 八、基坑工程设计计算的常见问题„„„„„„„„„„„„„„11 九、基坑工程监测及相关控制值„„„„„„„„„„„„„„„25 十、基坑开挖对环境影响的防治理措施„„„„„„„„„„„„29

一、基坑工程设计与施工必备的规范

1、《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001； 2、《建筑结构荷载规范》GB50009-2001； 3、《岩土工程勘察规范》GB50021-2001； 4、《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99； 5、《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002； 6、《钢结构设计规范》GB50017-2003； 7、《混凝土结构设计规范》GB50010-2002； 8、《建筑桩基技术规范》JGJ94-94；

9、《建筑边坡工程技术规范》GB50330-2002； 10、《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB50086-2001； 11、《钢筋焊接接头试验方法标准》JGJ/27-2001； 12、《砌筑砂浆配合比设计规程》JGJ98-2000；

13、《预应力筋锚具、夹具和连接器应用技术规程》JGJ85-2002； 14、《建筑钢结构焊接规程》JGJ81-91； 15、《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2000； 16、《建筑地基基础施工质量验收规范》GB50202-2002； 17、《建筑变形测量规程》JGJ/T8-97；

18、《建筑与市政降水工程技术规程》JGJ/T111-98； 19、《加筋水泥土桩锚支护技术规程》CECS147：2004； 20、广东省标准《地下连续墙结构设计规程》DBJ/T15-13-95； 21、广东省标准《建筑基坑支护工程技术规程》DBJ/T15-20-97； 22、广州市标准《广州地区建筑基坑支护技术规定》GJB02-98； 23、深圳市标准《深圳地区深基坑支护技术规范》SJG05-96； 24、湖北省地方标准《基坑工程技术规程》DB42/159-2004（建议收集）；

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25、《铁路路基支档结构设计规范》TB10025-2001（参考使用） 26、《铁路路基设计规范》TB10001-99（参考使用）。 二、基坑工程使用年限规定

国标未见说明，省标及广州市标和深圳市标规定，基坑开挖至设计标高后至基坑回填完毕宜不超过一年，有些地方（如湖北）按1.5年考虑。如果基坑暴露或闲置一年以上，或遇台风暴雨季节，则在设计时应考虑这些因素的影响。

三、基坑工程主要规范用语

1、基坑工程

为保证基坑正常施工、主体地下结构的安全和周围环境不受损害而采取的各工程措施的总称。主要有：岩土工程勘察、支护设计与施工、地下水及地表水的治理、周围环境监测与保护、土方开挖与回填等内容。

2、主动土压力

基坑开挖至某一深度后支护结构向坑内方向产生一定程度的位移或转动致使主动侧土体达到极限状态时的最小土压力。

3、被动土压力

支护结构在外力作用下产生向坑外方向一定程度的位移或转动致使被动侧土体到极限状态时的最大侧向土压力。

4、支护结构

基坑工程中为保持边坡和坑底稳定并控制其变形而采用的支护桩（墙）、支撑（或土层锚杆）、围檩、隔渗帷幕等结构体系的总称。

5、悬臂式支护

采用桩（或墙）支护边坡，基坑底面以上无支点，仅靠嵌入段的土抗力保持平衡的支护方式。

6、桩锚支护

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采用排桩（如钻孔桩、挖孔桩）及锚杆支护边坡，依靠基坑底面以上锚杆的锚固力和嵌入段的土抗力保持平衡的支护方式。

7、内支撑

在基坑以内设置的水平向、斜向或桁架，给支护桩（墙）提供支点的受力构件系统。

8、弹性抗力法

将被动区土体视为弹性地基，认为被动土体对支护结构产生的抗力与支护结构的位移呈线性关系，用解析法、杆件有限元法、有限差分法等进行支护结构的平衡计算和内力计算的分析方法。

9、自稳边坡

按照一定的坡率削缓开挖的、不需要支挡而能依靠土体自身强度保持稳定的边坡。

10、分阶边坡

基坑开挖较深或坡底上下存在软弱土层时，为保持边坡稳定和坑底抗隆起稳定，将边坡分为二阶或多阶开挖，阶与阶之间设置一定宽度的平台，形成的边坡称为分阶边坡。

11、锚杆

埋入基坑土（或岩）体中承受拉力和剪力以维持边坡稳定的杆件（钢筋、钢铰线或钢管等）。

12、土钉墙

采用土钉加固的基坑侧壁土体与护面等组成的支护结构。 13、支点及支点刚度系数

锚杆或支撑体系对支护结构的水平约束点叫支点。支点处锚杆或支撑体系对支护结构的水平向反作用力与其位移的比值叫支点刚度系数。

14、突涌

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基坑底以下存在承压含水层，基坑开挖后，坑底剩余隔水层厚度不足，承压水冲破隔水层涌入基坑，造成破坏的现象。

15、管涌和流土

在超过临界水力坡降的地下水渗流作用下，土体中的细小颗粒随渗透流通过大颗粒的孔隙，发生移动或被带出的现象，称为管涌；粉土、粉细砂层随水流失称为流土或淅土。

16、隔渗（截水）

在基坑侧壁、基坑底部或侧壁加底部人工设置不透水围幕，防地下水进入基坑，称为隔渗。一般有：搅拌桩、施喷桩、注浆或地下连续等型式。一般有落底式和悬挂式两种。

17、降水

采用轻型井点或管井抽水，降低地下水位，以防止地下水对基坑的危害，称为降水。有疏干降水和减压降水两种。

18、明沟排水

在基坑顶或底设置排水沟和集水井等排水。 19、时空效应

基坑土方开挖时，支护结构和土体的变形与一次开挖的深度、长度，开挖后暴露时间的长短及支护设施到位的及时与否有密切关系，一次开挖暴露面愈大，开挖时间愈长，支撑到位愈迟则变形愈大。这种效应称为时空效应。

20、水泥土挡墙

通过设置密排水泥土桩，形成腹式或格构式水泥土墙体，按重力式挡墙进行计算的支护结构。

21、坑内扶壁或暗撑

在深厚软弱土层中为了增加被动区抗力，提高支护结构的稳 定性并减

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少变形而设置的位于基坑底面上、下墙状水泥土体。仅接触一侧支护结构并向坑内延伸一定距离的称为扶壁；位于基坑底以下且直抵基坑相对两侧支护结构的称为暗撑。

22、喷锚支护

由面板（钢筋混凝土）和群锚（钉）组成的支护结构。基本上与土钉墙一样，有时即为加强型土钉墙。

23、复合喷锚支护

在基坑侧壁或底部在软弱土层时，采用水泥土桩（墙），微型桩等坚向结构与喷锚共同工作的支护结构型式。

24、逆作法施工

利用地下结构的各层楼面梁板或核心部分及其外伸部分作为基坑四周支护结构的水平支撑，从地面由上而下逐层开挖土方和建造地下室结构的施工方法。

25、基坑整体稳定性

基坑抵抗整体滑动破坏的能力。桩锚（撑）、土钉墙（喷锚）及复合喷锚的支护计算方法不同。

26、基坑变形控制值

基坑支护工程设计或施工时控制基坑变形的目标值，与基坑周边环境，基坑支护结构型式密切相关。

27、基坑变形预警值

作为基坑变形量达到足以引起重视的界限，目前无统一的标准。一般包括总量上的控制值（可取控制值的80%）和速度上的控制值（可取2-5mm/d）。

28、基坑周边环境

基坑周围受基坑开挖（降水）影响范围内的已有建筑物、构筑物、道

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路、管线、地下设施等的总称。 四、基坑工程设计前的勘察要求

勘察报告是设计依据中最重要的依据，在基坑工程设计时应引起高度重视。勘察应包括勘探、现场测试和室内土工试验。

1、勘探

勘察范围应根据开挖深度及场地的岩土工程条件（地形地貌）确定，条件允许时，勘探点布置范围应扩大到基坑开挖边线外1～2倍开挖深度，最好扩大到锚杆端部。对地形或地质条件复杂的基坑，尚应进一步扩大勘察范围。

基坑周边勘探点的深度应根据基坑支护结构设计要求确定，一般不应小于2倍开挖深度，软土地区应穿越软土层。

勘探点平面间距应视地层条件而定，一般应按12m～24m的间距布孔，地层变化较大时，应加密勘探点，查明分布规律。

水文地质勘察应查明开挖范围及邻近场地地下水含水层和隔水层的层位、埋深和分布情况，查明各含水层的补给条件和水力联系。测量场地的含水层的渗透系数和渗透影响半径。还应分析施工过程中水位变化对支护结构和周边环境的影响。

2、现场测试

现场测试可采用静力触探、动力触探、标贯、十字板剪切等手段。对软土及粉土夹层或粉粘土、砂层交互层宜侧重采用静力触探试验。

现场取土应按1.0～1.5m的间距，且每一层土应不少于6组岩土样。对于重要基坑，水文地质勘察时应布置水文地质试验孔，进行现场抽水或压水试验。试验应尽量模拟工程降水时的特点，合理布置试验孔和水位观测孔。对多层含水层应分层进行抽水试验，当降水深度超过12m，抽水试验应采用群孔干扰试验。

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3、室内土工试验

室内土工试验，应包括能提供各岩土层的抗剪强度指标及重度指标，软土的无侧限抗压强度及灵敏度，老粘性土应测定膨胀性指标，一般粘性土及粉土应测定垂向方向和水平方向的渗透系数，对重要工程尚应提供土的静止土压力系数。

基坑岩土层抗剪强度指标的确定应符合以下原则：对粘性土和粉土采用直接快剪或不固结不排水三轴剪，一般取总应力法的C、Ф指标；对粘性土与粉土、粉砂交互层土的C、Ф值取其中的最小值；对老粘性土以及残积土、软岩应充分参考基坑开挖暴露后的强度衰减，其中对老粘性土应按室内试验确定的粘聚力乘以0.3～0.6的折减系数，且最大不宜大于50kpa；对于较纯净的砂土，C值按零考虑，Ф值宜根据标贯击数相关公式计算。 五、基坑工程设计和施工前的环境调查

基坑工程的环境调查和勘察同等重要，也是基坑工程设计保护环境的必然要求。环境调查应包括以下内容：

1、查明基坑四周一定范围内（至少是2倍基坑深度）相邻建（构）筑物分布位置、层数、结构类型、基础型式与埋置深度以及使用年限和完好程度等；

2、查明基坑附近的各类地下设施，包括各种地下管线及地下人防工程的位置及其规模、埋置深度、结构类型和构筑年代等；

3、查明基坑周边道路、宽度及车辆动载情况；

4、查明基坑附近所分布的湖泊、水塘等地表水体和暗塘、暗沟的位置、范围、规模、水深（埋深）以及与地下水的联系等。

5、查明已有旧、危房的变形、开裂情况。 六、基坑工程设计荷载及设计原则

1、设计荷载及其效应组合的几个主要概念

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永久荷载：在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。

可变荷载：在结构使用期间，其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载。

偶然荷载：在结构使用期间，不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载。

准永久荷载：对可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载。

荷载设计值：荷载代表值与荷载分项系数的乘积。

荷载效应：由荷载引起结构或结构构件的反应，例如内力、变形和裂缝等。

荷载组合：按极限状态设计时，为保证结构的可靠性而对同时出现的各种荷载设计值的规定。

基本组合：承载能力极限状态设计计算时，永久作用和可变作用的组合。

标准组合：正常使用极限状态计算时，采用标准值或组合值为荷载代表值的组合。

准永久组合：正常使用极限状态计算时，对可变荷载采用准永久值为荷载代表值的组合。

2、荷载分项系数

永久荷载的分项系数：当其效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合应取1.2；对由永久荷载效应控制的组合应取1.35。当其效应对结构有利时，一般情况下取1.0；对结构倾覆，滑移验算应取0.9。

可变荷载的分项系数：一般情况下取1.4。

3、基坑支护结构设计采用的荷载效应组合（按临时结构）

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计算土压力、滑坡推力及锚杆（土钉）抗拔力时，荷载效应组合应采用承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，其分项系数和组合系数均取1.0。

按地基承载力确定支护结构（如挡土墙、支撑立柱桩等）的基底面积及其埋深时，荷载组合应采用正常使用极限状态下的标准组合，其组合系数取1.0。其相应的抗力采用地基承载力特征值或立柱桩的承载力特征值。

验算支护结构变形时，荷载效应组合应采用正常使用极限状态下的准永久组合，相应的限值应为支护结构变形允许值。其组合系数取1.0。

确定支护结构（桩墙、锚杆、支撑等）截面尺寸及配筋和验算材料强度时，荷载效应组合应采用承载能力极限状态下荷载效应的基本组合。其组合设计值S应采用下式：

S=1.35·r0·Sk≤R （1）

R—结构构件抗力的设计值； Sk—荷载效应的标准组合值；

r0—基坑支护结构的重要性系数，分别按一级、二级、三级取1.1、1.0和0.9。

4、基坑工程设计原则

基坑工程支护结构应采用以分项系数表示的极限状态设计表达式进行设计。极限状态分为：

承载能力极限状态：对应于支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大变形导致支护结构或基坑周边环境破坏。

正常使用极限状态：对应于支护结构的变形已妨碍地下结构施工或影响基坑周边环境的正常使用功能。

七、基坑工程的主要设计内容（包含应取得的资料）

1、设计应取得的基本资料

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一般应有：用地和建筑红线图，场区地形图及地下工程结构施工图（含桩位图）；场地岩土工程勘察报告，水文地质勘察报告；基坑周边环境资料；相邻地下工程施工情况和经验性资料；基础施工对基坑支护设计的要求；基坑周边的地面堆载和活荷载；建设方或政府的特定要求等等。

2、基坑支护类型及护坡方法

基坑支护类型包括：放坡、坡体加固、排桩、地下连续墙及圆筒等五种，各种支护类型采用的护坡方法如下：

放坡：采用自稳边坡，护坡法按土质条件和一定坡率放坡，坡面采取保护措施，坡脚采用砂袋、土包反压坡脚、坡面。

坡体加固：采用加筋土重力式挡墙、水泥土重力式挡墙、喷锚或复合喷锚等护坡方法。加筋土重力式挡墙一般有土钉、螺旋锚、钢管注浆等型式。水泥土重力式挡墙一般有注浆、旋喷、搅拌桩等型式，平面上成壁式、格栅式及拱式，竖向上有扶壁式及暗撑式。喷锚一般是面层为钢筋混凝土，加横向（斜向）锚杆。复合喷锚除了面层和横向（斜向）锚杆外，另在竖向加水泥土桩或其它支护桩，以解决深部整体滑移和坑底隆起问题。

排桩：采用悬臂桩、双排桩、锚固式排桩（锚桩）和内支撑式排桩等形式。桩型一般有：钻孔桩、挖孔桩、预制桩及钢板桩等。双排桩指双排平行布置的桩，桩顶部用钢筋混凝土横梁连结，必要时对桩间（软土）进行加固处理。锚桩一般是上列桩型加锚杆（预应力锚杆）、螺旋锚或锚定板等。内支撑式排桩一般是上列桩型加型钢或钢筋混凝土支撑，支撑有水平向的，也有竖向斜撑，外加立柱桩。

地下连续墙：是既挡水又挡土的双效支护结构，有悬臂式也有锚撑式。 圆筒：利用圆形、椭圆形，拱形或复合型的较好受力体系，进行支护的方法。筒形结构体一般为桩和地下连续墙，辅以少量环撑。该方法一般是基坑平面形状接近上述形态，利用结构受力特点，径向位移小，筒壁弯

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矩小。

3、基坑工程设计内容

首先，应全面分析场地的地层结构和岩土的物理力学性质以及周边环境的要求，进行支护方法的选型和技术经济比较。

其次，应综合考虑地下水及地表水的特性，确定地下水的控制方法。 第三，在确定了支护方法后，应先确定基坑开挖范围内建（构）筑物的荷载、地面超载，包括施工材料和设施的荷载。再准确确定设计计算中的相关参数，计算土体的主、被动土压力。

第四，对基坑支护结构的强度、稳定性和变形进行准确计算，对基坑内外土体进行稳定性计算。

第五，对地下水和地表水的控制进行设计计算，并应分析地下水水位变化引起的土体和周边环境的影响。

第六，根据基坑支护方法和周边环境状况，以及地下水和地表水的控制方法，确定施工过程中应采取的监测或检测方法。

第七，指出基坑开挖流程，应注意的关键问题，以及可能出现突发情况的预处理方案。

第八，编写设计详细说明及完整的设计施工图。

第九，应根据施工过程中反馈的信息进行设计调整或变更。 八、基坑工程设计计算的常见问题

1、地面荷载产生侧向土压力的确定

准确确定地面荷载是准确计算支护结构受力和变形的先决条件，它同准确确定土压力一样重要，地面荷载一般包括地面建（构）筑构荷载、地面堆载和车辆荷载等。

车辆荷载按15～20KPa考虑即可，大型或重型车辆荷载按30KPa考虑，地面堆载按堆放材料的密度（重度）乘以高度计算。

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地面建（构）筑物荷载相对复杂一点，它与建（构）筑物的结构类型、层数、基础类型及埋深\\基础荷载大小及室内可变荷载等有关，还与建（构）筑物与基坑边相对关系有关。很多规范针对不同地面荷载产生侧向压力的计算方法都有说明。当建（构）筑物长边平行于基坑边时，规范规定附加荷载起始点按基础底外缘30°（矩形基础）和45°（条形基础）角画线至支护结构；但当长边垂直于基坑边时，规范未见规定，我的论文“深基坑边坡超载计算方法及其工程应用”（水文地质工程地质，2000年第2期）有详细堆导，这里作一简介，详细情况见论文原文。

如图1，当建筑物长边垂直于基坑边时，除了要计算建筑物宽度范围内的土压力外，还应计算宽度外一定范围内的土压力，计算范围B0=（H-d）·tgØ，Ø取30°（短形基础）或45°（条形基础）。

建筑物宽度范围内附加土压力扩散角а=45°－Ф/2，附加土压力大小为：e0=Ka·q0；

建筑物宽度以外Bo 范围内附加土压力扩散角β=45°+φ/2，附加土压力大小为e0=Ka·q0·L·B/[B+2z·tgØ）（L+2z·tgØ）]。工程设计人员经常忽视了这部分土压力，往往导致分界处开裂或变形过大。

LL0L0Lq0L0LB0BB012建筑物12基坑dHαqHβ TTd+z(a)平面图(b)1-1剖面图(c)2-2剖面图图1 基坑坡顶超载计算分析简图- 12 -

2、分级放坡

当基坑深度大于12m时，为了减少支护难度，可采用分级放坡的办法，降低下级坡的支护高度。我的论文“深圳地铁水晶岛站深基坑支护设计算方法简介”（岩石力学与工程学报，1999年第18卷），介绍了深度16.8m的深基坑采用分两级坡的型式，上下坡各8.4m，上坡按1:0.82的自稳边坡放坡，下坡采用1:0.2的喷锚支护方法，节省了大量造价，且边坡位移不足2cm。这里要提请注意的是，该方法应是在四周空旷或有一定的放坡空间且对变形要求不很严格的基坑支护中采用。

分级放坡可先计算上级坡的稳定性，按上级坡高进行支护设计；计算下级做的稳定性时，把上级坡当超载考虑，从而对下级坡进行支护设计。

3、喷锚或复合喷锚在软土边坡支护中的应用问题

许多规范关于喷锚或复合喷锚在软土层边坡支护中的应用作出了禁用的规定。但是，大量的工程实践表明，只要设计得当，软土层边坡还是可采用喷锚或复合喷锚的支护方法，值得一提的是设计经验不是的工程师慎用。我在论文“软土层深基坑边坡支护工程实例分析与设计”（岩石力学与工程学报，2000年第19卷）中，把软土层分布状态归为四种类型，如图2所示。

0.000.00土钉填土锚杆淤泥中粗砂粘性土-7.10-3.00土钉填土淤泥质土-6.10粘性土钢花管注浆-3.10砂包压脚旋喷桩插筋(a)软土位于坑底以上(b)软土层底与坑底平行图2 软土层分布层位与支护方法- 13 - 0.000.00土钉填土土钉土钉-4.00长土钉淤泥质土-6.80搅拌桩(多排)-13.80-15.80粘性土锚杆-7.80-9.80微型桩淤泥质土粘性土(c)软土层底超过坑底(d)软土层位于坑底以下且较厚图2 软土层分布层位与支护方法在图2中，列举了四个典型软土层分布层位和相应的支护方法。对于图2（a）类型，稳定性分析思路为：当支护不当时，也坡土体会沿着淤泥层与中粗砂层界面滑移，因此，支护设计应验算该界面的抗滑安全系数，一般要求抗滑安全系数大于1.5。

对于图2（b）类型，稳定性分析思路为：当支护不当时，淤泥质土层将产生侧向挤压，因此，支护着重考虑淤泥质土层的水平移动，一方面采用钢花管注浆改善软土的性质，另一方面验算钢管及注浆体和反压砂包的稳定性问题，重点验算其抗倾安全系数，一般要求其抗倾安全系数大于1.4。

对于图2（c）类型，稳定性分析思路为：当支护不当时，边坡将产生整体失稳，因此，应着重考虑抗滑移措施，并验算整体稳定性安全系数，一般要求整体稳定性安全系数大于1.5。

对于图2（d）类型，稳定性分析思路为：当支护不当时，坑底以上的填土层会沿着软土层顶面滑移，或者产生坑底以下深层滑移。因此，支护设计时，一方面要验算填土与软土层界面的抗滑安全系数，一般要求抗滑安全系数大于1.5；另一方面要验算深层（以搅拌桩底为界面）抗滑移安全系数，一般要求深层抗滑移安全系数大于1.2。

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应引起高度注意的是，上列四种软土层坡深度均未超过8.0m，当超过8m时应专门研究，近几年出现了不少超过8m深的软土层基坑采用喷锚支护时，出现滑移和整体失稳的工程事故。

4、悬臂桩（也含锚桩）变形计算

支护桩的变形计算是基坑支护设计计算的重要内容之一，它既要分析支护桩的特性、撑锚特性，又要分析岩土特性，比支护桩的受力计算复杂得多。因支护桩包括悬臂桩、锚桩（支撑桩）及双排桩，各种支护桩的受力状态及变形特征存在较大差异，目前的变形计算方法有线弹性地基反力系数法、弹性理论法和有限无法等三种基本方法。其中线弹性地基反力系数法中有张氏法、m法、c法和k值法等，目前规范大多推荐采用m法，该法假定地基水平反力系数Kh与深度x呈线变化，即Kh=mx，m为地基水平反力系数的比例系数（kN/m4）。但是，现行规范在推荐该法时，未注意到该法的不足之处，以下以悬臂桩为例，在计算悬臂桩的变形时，把桩分为两部分：如图3所示，坑底以上部分按悬臂梁考虑，坑底以下部分按线性地基梁考虑。计算时，把坑底以上主动土压力移植到坑底处，得到一个主动土压力合为Q0，另一个主动土压力形成的弯矩M0，建立桩身挠度微分方程式：

d4yEIdx4b0Khy=0 (Kh=mx，b0—土压力计算宽度) （2）

式（2）可用幂级数法求解，从而得出坑底处桩的水平位移y0和转角Ф

0的表达式为：

y0=Q0δQQ+M0δMQ

QM+M0δMM）

（3）

Ф0=-（Q0δ

（4）

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Y0坑底支护桩(变形前)支护桩(变形后)H坑底M0M0Q0P0y0Q0(a)支护桩原型剖面图(b)规范简化型(c)实际简化型(d)坑底处桩的位移图3 悬臂支护桩变形计算简图有了坑底处桩的水平位移和转角，就可以计算出坑底以上桩身的位移，如桩顶位移Y0=△y+y0-Ф0·H (△y—桩身在桩顶处的弹性变形量，按材料力学方法计算）。该方法的不足之处是，未考虑边坡土体自重产生的竖向荷载P0，实际计算时不应忽视该部分荷载，因此式（2）应改为：

d4yEIdx4+ b0Khy= b0P0Ka (ka—主动土压力系数) （5）

式（5）也可以用幕级数法进行求解，当然与式（2）比要复杂得多，通过求解式（5）也可以得到坑底处的水平位移和转角表达式为：

y0=Q0δ

QQ+M0δMQ+b0P0Kaδpp

(6)

Фp

Ф0=-（Q0δQM+M0δMM+ b0P0Kaδ

） (7)

同样有了坑底处桩的水平位移和转角，就可以计算出坑底以上桩身及桩顶的位移。

经多个工程实例验算表明，考虑边坡土体自重荷载P0计算的桩身位移与实测值较吻合，不考虑边坡土体自重荷载P0计算的桩身位移比实侧值小20%左右。

式（5）、（6）（7）的详细推导见我的论文“悬臂支护桩的变形计算方法探讨”（岩土力学，2000年第3期），式中的符号及各种系数亦见该文。

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有了悬臂桩的变形计算方法后，锚（撑）桩和双排桩的变形计算亦可类推。

5、地基水平反力系数计算方法

前面已谈到求解支护桩的变形方法大多采用线弹性地基反力系数法，该方法中m法是目前规范推荐的方法，该方法假定地基水平反力等数Kh与深度x呈线性变化，即Kh=m·x式中。m是地基水平反力系数的比例系数（kN/m4），可以根据单桩水平荷载试验求算，求算式为：

m=式中

Hcr(X)x)3cr5b0(EI)23 （8）

Hcr—单桩水平临界荷载（kN），Xcr一单桩水平临界荷载对应

的位移（m），x—桩顶位移系数，b0—计算宽度。大家知道，基坑工程是临时性工程，况且单桩水平荷载试验无法在坑底处实施，故该法在工程实际几乎不能实现。国标基坑规范推荐了层状土的m求算公式，表达表为：

1mi=(0.2Øik-Øik+cik) (9)

2式中，Øik、cik分别为第i层土的快剪内摩擦角和粘聚力的标准值，△为基坑底面处的位移量，无经验处可取10。工程实践发现△值的随机性极强，而且与支护方法有关。我在论文“深基坑围护地连墙设计中几个问题探计”（水文地质工程地质，2004年第3期）中就刘屋洲泵站地连墙工程大量的实测数据分析后认为，m值与锚（撑）方式有关，经实测数据反算得出，锚拉结构△应在5左右，而内支撑结构△则在20左右。有些地方规范对式（9）作了修正，如湖北基坑规范在式（9）右边加了一个修正系数ξ，ξ一对一般粘性土、砂土取1.0，对老粘土、中密以上砂砾石取1.8～2.0，对软土则取0.6～0.8。无经验地区，式（9）应慎用。有些地方规范推荐查表法，即根据地基土类别不同、状态不同和相应单桩在地面处水平位移不同，查国标桩基规范m值一览表。但是该表推荐值为一范围值，且单桩在地面

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处的水平位移并不知道，因此，不同的人查出的结果也不一样。

因上种种原因，我在基坑工程设计中根据实测数据反算和岩土层的物理力学指标及地基承载力相关的计算公式，提出了直接利用岩土层的物理力学指标和承载力相关系数计算地基水平反力系数的经验公式，具体过程见我的论文“有限线单元法用于锚杆桩支护系统的计算分析”（工程勘察，1997年第3期）。下面列出我提出的Kh计算公式：

Kh=K01·K02·（C·Nc+r·z·Nq） （10） 式中，Nc、Nq—承载力系数，可查国标地基基础规范；C—土的粘聚力；r—土的重度，z—计算点深度；K01—与土质有关的系数（m-1），对硬粘土和密砂取30，对一般粘性土和中密以下砂土取40；K02—桩距，但无量纲。

本人推荐的Kh计算式的精确度详见上述论文全文。 6、挡土桩（墙）前堆载或预留土体分析

在挡土桩（墙）前堆载土方或反压砂包，是基坑支护工程施工过程中或使用过程中处理位移过大或破坏失稳常常采用的简易快捷的方法，该法也称堆载反压法。而挡土桩（墙）前预留土体是逆作法和中心心岛施工方法常用的方法，该法把预留土体作为支护体系的一部分，且具有内支撑的功效，因此，越来越多的超大深基坑常采用此方法。多年前，由于类似工程设计的需要，我采用力的平衡和等代推算方法，提出并推导了堆载反压或预留土体的设计计算公式。详见论文“挡土墙前堆载反压或预留土体分析“（岩土力学，1999年第3期）。该方法的计算包括两部分，如图4所示，一部分是计算堆载或预留土体产生的坑底以下支护结构被动侧的被动土压力Ep,另一部分是计算堆载或预留土体产生的坑底以上作用给支护结构的水平抗力E。

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坑顶Bt堆载(或预留土体)HHoBo挡土桩Bt.tanφ坑底qoKaeBoKa（a）基坑剖面图（b）Ep计算分析图（c）E计算分析图图4 挡墙前堆载或预留土体分析简图

经力的等代推算，得出堆载或预留土体产生的被动土压力合力Ep=12[B0·

2ka+Bt·tanФ]·kp·q0,合力作用点离坑底的距离

hp=[B0ka+Bt·ka·tanФ+Bt2·tan2φ]/3(B0ka+Bt·tanφ).

经力的平衡分析并求解积分式，得出堆截或预留土体产生的水平抗力合力E=1，合力作用点离坑底2（B0+Bt）Ho·r·tanФ+BoC（r－土的重度）的距离h=（B0+2Bt）(r·tanФ+c)H0/[3(B0+Bt)Ho·r·tanФ+6BoC]

上述公式的提出和推导，为准确计算该类型的基坑抢险或预留土体提供了量化设计计算依据，建议大家使用。

7、打入式和掏土式土钉载力

由于土钉的钉材由以往常用的钢筋拓展到现在常用的钢管和钢铰线，因此，土钉的成孔方法也由过去常用的人工掏土和机械掏土发展到现在的打入式，少数一次性成钉，而且在填土层、软弱土层和砂性土层中则基本上采用打入式。那么，打入式土钉如何确定土钉的直径和摩阻力呢？现行所

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有的规范没有此内容，此前，未见前相关理论研究。1998年，我在进行深圳市香密三村五号楼基坑支护土钉施工检测中发现，打入式土钉的摩阻力比相同地质条件下掏土式土钉的摩阻力大很多，于是，在以后的6年多12个不同地质条件下的基坑工程中又作了对比试验。试验的结果见我的论文“不同成钉方法的土钉抗拉承载力试验研究”（工业建筑，2004年增刊，全国第三届基坑会议论文集）。在该文中，首先分析并推导了两种成钉方式下孔壁径向应力的计算式，从而揭示出两种不同成钉方式下土钉摩阻力存在差异的本质和量化求算式。

利用弹塑性理论和摩尔一库仑极限平衡条件，推算出掏土条件下孔壁上径向应力бr的表达式为：

бr=б0（1-sinφ）－C·ctgφ·sinφ（б0—上覆土体自重） (11) 打入式条件下孔壁上的径向应力бr的表达式为：

бr=б0（1+sinφ）+C·ctgφ·sinφ（б0—同上） (12) 假设摩阻力f=бr·tgφ+c，不难发现打入式土钉摩阻力恒大于掏土式土钉摩阻力，两者差值可由上述两式计算出来。工程实测结果发现，打入式土钉摩阻力比掏土式土钉摩阻力大50%以上。工程设计时，建议按规范推荐值乘以1.5倍系数采用。打入式土钉的现场拉拔试验表明，在砂性土中，可以乘以2～3倍系数采用。

打入式土钉的现场开挖及钉材加工实际需要等，锚固体直径基本上是钉材外径加一个△值，△值一般在20～25mm之间。比如，打入一根φ60的钢管，设计时土钉孔直径可按80mm考虑。

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8、锚杆相关问题

A、单根锚杆的轴向拉力标准值和设计值计算公司

Nak=cos （13） Na=1.35·ro·Nak （14） 式中，Nak—锚杆的轴向拉力标准值（kN），Na—锚杆轴向拉力设计值（kN），Htk—锚杆所受水平拉力标准值（kN），—锚杆水平倾角（°），ro—重要性系数。

B、锚杆极限抗拔力和轴向拉力的关系

Nak≤Nuk/1.7 （15）

nNuk =Ai·fi （16）

i1Hik

式中，Ai、fi—锚杆锚固段穿越的第i层土中锚固体面积（m2）和极限摩阻力（kPa），fi—可根据试验确定，也可查表取得；Nuk—锚杆极限抗拔力标准值（kN）。

C、锚杆杆体材料截面面积计算公式

As≥Na （17） fy式中，As—锚杆杆体材料截面面积（m2），fy—杆体材料抗粒强度设计值（kPa），ξ—锚杆工作系数，临时性的取0.92，永久性的取0.69。

D、锚杆张拉锁定要求

锚杆张拉锁定一般要求是：先加载到锚杆轴力拉力设计值的1.1～1.2倍，然后退回到零，再加载到锁定值锁定。很多工程技术人员认为只需要加载

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到锚杆锁定荷载即锁定即可，这是错误的，也很危险。 E、基本试验和验收试验

一般情况下，在做工程锚杆施工前，应先做不少于3根的基本试验，基本试验时应将锚杆拉至破坏或加载至锚杆设计拉力的1.3倍（实际大约为1.26倍）以上。验收试验是对工程锚杆抗拨力的检验试验，试验数量应大于工程锚杆的5%，检验荷载应达到锚杆设计拉力的1.2倍以上。试验荷载的加载等级应为0.2T、0.4T、0.6T、0.8T、1.0T、1.1T、1.2T、1.3T、1.4T、1.5T等。

9、锚杆施工的新技术

传统的锚杆施工大多采用钻机成孔，或锚杆机成孔。现在已经出现了很多新的施工技术，比如在软土层中，可以先加固锚固土体，再在锚固土体中施工锚杆，或直接作大直径的软土层锚杆（已达到0.3～0.5m直径）。在砂性土中，采用一次性成锚技术，直径可达0.17m。在粘性土中作扩大头锚杆，扩大头直径可达到0.5～0.8m，这些技术已在工程实践中大量应用，建议大家积极引进，增强竞争力。

10、地下水控制

在基坑工程设计中，必须有有效的地下水控制措施，防止因地下水引起的管涌、流土等渗透变形造成的危害。具体要求是：保证基坑边坡和坑底土层的渗透稳定，保证基坑土方开挖期间和地下室施工期间不受地下水的影响，保证降水不影响邻近建（构）筑物及地下管线、道路的正常使用。地下水控制方法一般有：明沟、盲沟排水，降水（疏干降水和减压降水），

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隔渗，以及隔渗、降水及明沟排水相综合的结合方法，隔渗有竖向隔渗（悬挂式和落底式两种）、水平隔渗或两者相结合的周底隔渗。

在进行地下水控制设计时，除了进行降水、隔渗的设计计算外，还应包括变形预测、变形观测设计，信息化施工组织，信息反馈处理程序及应急应变措施等内容。各控制措施的技术要求如下：

A、明沟、盲沟排水

明沟边线应距坡脚0.3～0.5m，沟底应低于挖土层面0.3m，集水井应比沟底低0.5m以上，纵横排水沟应有导流坡度。盲沟有永久性的也有临时性的，应进行专门设计。

B、轻型井点降水

当填土、粉土及薄层粉砂的粉质粘土含水层涌水量不大时，方可采用轻型井点降水。成孔直径100～150mm，管材可用Ф48的钢管，在底部3m长范围内设滤眼，井间距1.0～1.5m，抽水设备宜用真空泵。应注意单级轻型井点降水水位降深不宜超过6m，一般影响半径要控制在5～6m范围内。

C、管井降水

管井降水设计应根据水文地质条件确定降水类型，并应先行进行现场降水试验，校核或获取水文地质参数。在疏干降水的情况下，降深应大于基坑底面以下0.5～1.0m；在减压降水的情况下，应根据基坑底以下保留的土层性质和厚度而定。

当基坑周边有建筑物及地下管线需要保护或坑外水位降低范围较大时，应采用回灌措施，设置回灌井点，回灌井的位置一般距离降水井不宜

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小于6m，以避免回灌形式反漏斗，反而增加基坑外壁的水头高度。具体降水计算见相关规范。

D、降水引起地面某点的沉降量估算

由于基坑降水引起坑外地面某点的沉降是可按下式估算

n△ =K1·K2·σ

i1hi (18) wi·Esi式中，△—水位下降引起的地面沉降（m）；k1—与土层类别有关的经验系数，一般粘性土可取0.3～0.5，粉质粘土、粉土、粉砂互层可取0.5～0.7，软土可取0.7～0.9；K2—与抽水时间有关的系数，当抽水时间在3个月之内可取0.5～0.7，当抽水超过3个月时可取0.7～0.9；n—计算分层数；hi—受降水影响（自降水前的水位至含水层底报之间）的分层厚度（m）；σwi—水位下降引起的计算土层有效应力增量（kPa）；Esi—受降水影响土层的压缩模量（kPa）。

在计算承压水水位下降引起的有效应力增量时，应充分考虑常年地下水位变化及拟开控基坑附近已竣工的降水工程对计算点地面沉降的影响。设置于基坑内的降水井应避开基础承台或底板，当确是不能避开时应在井周设止水环。

E、隔渗

当基坑开挖深度以上或坑底以上接近坑底部位分布有粉土、粉砂或砂粘性土，有可能产生流土时；当邻近基坑有地表水体（湖塘、渠道、河流）与基坑之间没有可靠隔水层时；有承压水突涌可能，且无降水措施时等情

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况下应设隔渗措施。在设计隔渗围幕时，应根据场地地下水的渗流规律，合理预估隔渗围幕内外的水压力差和坑底浮托力，以此作为隔渗围幕厚度及强度的验算依据。

竖向隔渗：可采用深层搅拌桩、高压旋喷桩、双液灌浆、钢花管注浆，钢筋混凝土地下连续墙，塑性墙（素砼板墙、水泥土墙、素砼咬合桩墙）等。各种隔渗措施应充分结合地质条件，支护结构型式，现场施工条件及经济比较等综合因素进行选择，重要或复杂的工程还应进行工法及参数试验。

水平隔渗：可采用高压旋喷桩，双液灌浆或钢花管注浆等方法。 悬挂式竖向隔渗：应充争满足渗流稳定的要求，当基坑底部上、下存在砂质粘土层时，隔渗围幕应穿过坑底以下不少于1.5m。近几年已出现过几个悬挂式竖向隔渗深度不够导致基坑失稳的重大事故。

落底式竖向隔渗：隔渗围幕应穿过透水层进入下卧完整的隔水层2～3m，在富含水层和强透水层和厚度大的透水层中，应在围幕内侧设置一定数量的抽水井，以防围幕质量不好出现突发情况，在超深超大基坑中采取这样的附助措施很有必要。

当水平隔渗与悬挂式竖向隔渗相结合，形式五面封闭的周底隔渗时，应采取一定的其它附助措施，如布设减压井。

九、基坑工程监测及相关控制值 1、制定监测方案

在基坑开挖前，应进行实行考察，根据基坑安全等级、设计要求、基

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坑周边环境状况及开挖施工方案等，制定严密、合理、可行的方案。监测方案应包括：监测目的、监测项目、监测方法及其精度要求、监测仪器，监测点的布置、监测频率，以及监控预警值以及信息反馈系统等。

2、监测项目

监测项目应综合考虑基坑安全等级，周边环境状况以及基坑使用期限及所处施工季节等因素综合选择。下列项目可供设计参考。

监测项目参考表

基坑安全等级 监测项目 一级 二级 三级 复杂 边坡土体顶部、支部结构顶部水平位移 边坡土体、支护结构的水平位移观测 边坡上体沉降观测 支护结构沉降观测 边坡土体内部沉降观测 周围建（构）筑物变形观测 地下设施变形观测 立柱变形观测 坑底回弹和隆起观测 支护结构的受力状态监测 土压力及孔隙水压力监测 裂缝观测 √ √ √ √ △ √ √ √ △ √ △ √ √ △ √ √ * √ √ √ △ △ △ √ √ △ √ √ * √ △ △ * △ * △ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 简单 √ √ √ √ * √ △ △ * △ △ △ 周边环境状况 - 26 -

地下水动态观测 采用降水措施时必须监测 注明：1、“√”为必测，2、“△”有条件时宜测；3、“*”可不测。 3、监测范围

在建筑物密集及地下管线复杂的城区，基坑监测应从基坑顶边缘向外3～5倍基坑开挖深度的范围内对建（构）筑物进行监测，对地下管线、地面道路也必须进行监测。出现异常情况应加大监测范围，异常情况包括涌砂、突水、支护结构和邻近建筑物变形过大。对降水的基坑监测，范围应延至降水影响半径以外5m左右。

4、监测技术要求

监测基准点：不少于3个，应设在基坑开挖和降水影响范围以外。 精度要求：符合测量等级要求。

监测成果：沉降观测应计算出观测点的高程、累计沉降量、本次沉降量、沉降速率；水平位移观测应计算出观测点累计位移、本次位移和位移速率。并绘制沉降一时间、水平位移一时间关系图。

监测点数量及间距：每个基坑的土体、支护结构顶部位移点间距按10～15m间距设置。测斜孔大多应布置在跨中，平面间距20～30m，测点间距0.5～1.0m，周边建（构）筑物主要测沉降，测点应沿建筑物四角、立柱或外墙每10～15m设点。地下管线有条件时可直接观测，测点尽量布置在接头部位，通常用抱箍式和套筒式设点。立柱测点直接布设在立柱支撑面上。支撑结构轴力的测点一般应设在主撑跨中上、下面上。桩（墙）内力监测点应选择在基坑每侧受力最大处，竖向测点宜内外均匀布置，点间距1.5～2m。锚杆拉力监测可在其外端部安设压力传感器，数量及位置按设计要求

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布置。土压力的监测宜与桩（墙）内力监测配套设置，尽量设在拟测桩（墙）后侧，通常有挂布法、顶入法、弹入法、钻孔法设置土压力盒。孔隙水压力应在地下水丰富且易受影响部位设置，数量不限。裂缝监测直接在裂缝表面贴纸用平尺法监测，一般包括地面裂缝监测、支撑结构裂缝监测和建（构）筑物的裂缝监测。地下水动态观测包括：地下水位、抽（排）水量、含砂量的定期观测。

5、监测时间间隔（频率）

以上各个监测项目在基坑开挖前应测定初始数据，且不少于两次。开挖初期观测时间间隔不宜超过5天，开挖中期不宜超过2天，开挖后期应每天观测。当测试数据接近监控预警值时，应加密观测次数。基坑开挖间歇期，变形趋向稳定时，观测间隔可为5～7天，基坑使用期间隔可为10～15天。

6、监测项目预警值建议参考值

目前，国内还未见有统一的基坑监测项目的监控预警值，但监控制预警值应由总变化量和速率两部分控制是不存在争议的，根据预警值的确定原则，并参照国内各地方的经验数据，现提出一些监测项目的预警值，供大家参考使用。

A、基坑边坡土体、支护结构的水平位移控制，一般按基坑安全等级计算控制值的80%作为预警值，另外连续三天位移速率超过5mm/d，也可作为预警值。对于周围有严格保护要求的建（构）筑物，应根据保护对象的需要来确定。如基坑边有地铁隧道通过时，地铁隧道水平位移不得超过2cm，升降不得超过3cm，预警值取其80%。

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B、基坑周边建（构）筑物的变形可按国标地基基础规范中地基变形允许值的80%作为监控预警值。

C、支撑轴力、桩墙内力、锚杆拉力的监控预警值由设计根据构件工作状态确定，一般取设计值乘以1.0 以上的系数。

D、对于测斜数据、支护结构的轴力、内力、拉力等随时间变化的曲线，若平滑曲线上出现明星的拐点时，也可作为监控预警值。

E、市政管道变形监控预警值：煤气管道变形，其沉降或水平位移不应超10mm，连续三天超过2mm/d；供水管道变形，其沉降或水平位移不应超过30mm，连续三天超过5mm/d；污水管和雨水管变形，其沉降或水平位移不超过35mm，连续三天超过3mm/d；电力线、通讯线因常没有管沟，其沉降或水平位移的监控值应参照相应管沟的构造要求为限，工程实践表明，砖砌管沟沉降或水平位移通常不应超30～50mm。 十、基坑开挖对环境的影响与防治措施

1、基坑工程对坑内环境的影响

基坑开挖由于土体应力状态改变并发生变形，会引起坑周紧邻建（构）筑物的不均匀沉降，出现裂缝或倾斜。放坡开挖时，由于变形不可避免，会引起地表水下渗入土体，降低土体强度，引发局部或整体失稳，导致滑移区建（构）筑物严重倾斜至倒塌，地下管线断裂或丧失功能并引发生灾害。隔渗、降水措施不当，引起基土渗流破坏，也会引起地面建（构）筑物急剧沉降和地下管线断裂。长时间大面积降水也会引起大范围建筑物沉降和变形开裂。支护结构出现突然失效引发连锁事故。采用挤土桩作为支护结构时，打桩施工给邻近建（构）筑物造成损害的可能性。超出地界设

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置锚杆或土钉，造成对邻近建筑物地基基础造成的损害或施工障碍等等。

2、基坑工程对坑内环境的影响

基坑工程支护结构位移控制不当或边坡位移过大，基底隆起成坑内已有工程桩受到横向挤压偏斜甚至断桩，基坑变形过大，使得坑内的降排水系统、内支撑立柱破坏失效。挖土方式和顺序不当，造成对坑内已有工程桩的完整性产生不利影响。基坑支护结构施工先于工程桩施工时，工程桩施工对支护结构产生挤压和振动从而引导致失稳等等。

3、对环境影响的防治措施

在基坑工程设计时，应本着“预防为主”的原则，方案选择和各项设计必须满足承载力和正常使用两种极限状态的要求，并预留必要的安全储备，并提出对环境保护的具体有效措施。基坑工程施工阶段，必须采用信息化施工和确保及时监测的要求。严密掌握和控制基坑及环境状态。基坑土方开挖应严格遵守分层、分段、对称、平衡、适时的原则，在软土和砂土地段应特别注意掌握开挖时间和开挖顺序，处理好开挖、支护、降水之间的衔接关系，充分考虑基坑开挖的时空效应，做好整个地下工程的计划安排，在江、河、湖、边开挖基坑应避开汛期，而且尽量缩短工期减少暴露时间，并及早回填，设置锚杆时应考虑对锚杆伸入范围已有建筑物的影响，以及锚杆自身的施工和工作时的影响。大型基坑工程，应对地下水控制采取降水或隔渗与降水、降水与回灌相结合的方法。

对紧邻基坑边的重大、重要或对变形敏感的建（构）筑物尚应采取有效、合适的方法进行预防性托换、加固或迁移。其中预防性托换有单纯性托换和托换结构和支护结构合二为一的桩式托换。单纯性托换，除采用刚

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性托换桩外，还常采用旋喷、摆喷、钢花管注浆桩以及树根桩等托换形式。联合托换，托换桩本身还担负着相应长度范围内坑壁的支护作用。

4、预防性托换结构的设计

对于长条形的民用建筑，若纵轴顺坑边延展，可以近坑一侧纵轴外布置足够的托换桩；若纵轴垂直于坑边延展，除近坑山墙外，还必须在近坑二至三个横轴线范围内布置托换桩，室内轴线可不布桩。点式建筑物除坑边一侧纵轴线外，还要在两端山墙外布置适量的托换桩。

托换桩桩端应进入良好的持力层一定上深度。

托换布置应尽量布置在靠近建筑物纵横轴线交点处或附近。对于独立基础，宜按轴对称布桩。对条基或整板基础，可仅在建筑物轮廓线外边布桩。

位于坑边的且结构刚度较差的工业厂房、仓库、食堂等，必须在近坑一至三排轴线上对独立基础逐一进行托换。

兼作坑壁支护结构用的近坑托换桩必须有足够的抗弯刚度和强度。当坑深大于6m，则宜采用桩锚结构以减少桩身的内弯矩。采用锚杆静压桩作为近坑托换桩，不得作为坑壁支护结构使用。

托换结构施工时，应充分考虑托换施工可能引起的基土的扰动和强度的降低，确保扰动和影响降到最低，施作时可在空间上和时间上跳开。托换结构施工过程中必须严格保护被托换基础的完整性和强度不致损害。确保托换桩（特别是旋喷桩、钢花管注浆桩等）和基础间的紧密和牢固联结。

谢谢大家！

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