专利名称：基坑支护方法
技术领域：
本发明涉及一种基坑支护方法，特别是一种釆用拱形支撑的动态支 护方法，属于基坑支护技术的创新技术。
背景技术：
国内外现有基坑支护中所使用的支撑，如角撑、水平撑、斜撑、衍 架撑、井字撑等，都是釆用如图1所示的直线形支撑(简称直撑)结构(3 ),
即用直线型结构及其组合水平或倾斜地架设在连续墙、桩体或者环梁等围 护结构的一定高程上，以抵挡由于开挖卸荷及其他不确定因素引起的土压 力和坑壁坑周可能出现的过大变形。但直撑支护方法由于其特定的结构形 式，故存在以下一些不足
1) 对支撑前坑壁坑周已有变形不具恢复能力。基坑开挖到已设计支 撑的安装并发挥作用必定存在一定的时间间隔，由于侧向卸荷作用，该时 间段内坑壁坑周已向坑内产生了一定的位变，施工扰动和地下水流场变化 导致的坑周土体固结沉降也会增加这种位变量，如图3-图5所示，」为 坑壁在支撑点处发生的位变量。直撑作用下，这部分变形是永久性的，不 可恢复。
2) 支撑材料的压缩变形不可恢复。现有支撑都非绝对刚性材料，具 有十分典型的弹塑性，在土压力作用下也会产生一定的纵向压缩，如图4 图5所示，e为直撑纵向压缩量，s'为拱形支撑纵向压缩量，进而增加 壁坑周的位变量。这种压缩及位变在直撑作用下也是永久性的，随着施工 的进行，S ( )这部分变形还有进一步增加的趋势。
3) 对不确定因素引起的变形不具有调节控制能力。基坑本身的不确 定因素极多，坑周荷载的不确定性、温度气候的不确定性、施工因素的不 确定性、时空效应的不确定性等等，这必然会引起坑壁土压力随时地发生 变化，即坑壁土压力是一个变动的量，而设计支撑时土压力采取的大都是 确定的值， 一 次设计到位的直撑支护系统对土压力的频繁变化及其相应变 形不具有调节能力。
4) 水平直线型支撑基本不具有抵抗横向作用的能力。水平直线型支 撑结构可以简化成一个细长杆，而两固端受压的细长杆在很小横向力作用
下也易发生挠曲失稳，进而对基坑和周围构筑物构成影响。
5) 直撑的空间利用率较低。直撑作用后，基坑内部的作业空间受到 一定的限制，而且，支撑上部的空间，由于直撑不具有抗侧向能力，也进 一步降低了利用的可能性。
在直撑作用下，这些不利因素及其可能引起的变形都是不可恢复的， 不可调节的，并有逐步增大的趋势，当积累到一定的程度，便会引起基坑 本身甚至坑周构筑物的破坏。因此，按固定的土压力值一次性设计的直撑 系统很难保证整个基坑生存期的安全与稳定。
对于动态支护方法，只在矿业和隧道工程等领域有过一定的应用。矿 业和隧道工程等领域的动态支护技术的基本原理是，在充分利用岩体自稳 能力的基础上，结合围岩的强度弱化规律和阶段性变形特征，对硐室、巷 道、隧道等进行及时锚注、滞后补注、分步加固。
矿业和隧道工程等领域的动态支护技术，是按照岩体的自稳能力和渐 进变形，向一个方向阶段性地对支护结构进行人工补强，即分步骤地增强支护结构的支护能力，而对另一个方向，即支护结构负载减小时，需要对 支护强度降低的方向没有给予考虑。基坑工程是一个典型的不确定性系 统，受诸多不确定因素影响，土压力和变形存在可大可小两个方向动态变 化的特征，并且定时定量地准确把握这些变化也是非常困难的。这就要求 支护能力除了能向增大支护强度方向动态调节外，还能向相反的方向，即 减小支护强度的方向动态地改变。这一点对事故高发的基坑工程是十分具 有实际意义的。此外，其他行业提出的动态支护技术，利用了岩体的自稳 能力，都是分步或分阶段地人工加固，时间和空间上可以相隔较长。而基 坑工程涉及的处理对象大部分是土体，自稳能力非常的差，这就要求对变 形处理必须要有很好的连续性和及时性。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述诸问题而提供一种可随施工和其他不确
定因素引起的坑壁坑周变形的变化，动态地改变支护系统的支护能力，保
证坑壁坑周变形始终处于变形控制标准之内，且对坑壁坑周已发生的变形
具有恢复补偿能力的基坑支护方法。本发明操作简单，方便实用。
本发明通过如下方式实现在基坑围护结构(1)的特定位置水平地
安装拱形支撑U),拱背向上，且结合土压力和变形监测信息，在拱形支
撑(2)的拱背施以相应可以使围护结构抵御坑壁坑周的进一步变形、甚
至可以促使坑壁坑周已有变形逐步恢复、实现围护结构的支护能力随变形
控制需要的动态调节的可调节荷载P。
上述可调节荷载P在拱形支撑(2 )的拱背上的作用位置及大小可按 公式？(/ —2《'=《来确定，P为可调节荷载的大小，/为拱形支撑的跨
度，^为可调节荷载P在拱形支撑(2)上距右端的作用位置，/为拱形支
撑的矢高，脱为通过附加刚臂方法获得的拱形支撑中央截面上的弯矩，Et 为实时测定的作用在拱形支撑两端的土压力值。
上述可调节荷载P通过在拱形支撑(2 )的拱背上堆载或悬挂重物的 加载作用方式来实现，动态支护的支护能力在增大和减小两个方向都可实 现调节，可以通过增加或减小可调节荷载大小和改变可调节荷载在拱背的 作用位置，使支护系统的支护能力相应地在增加或减小两个方向都可以进 行调节。
上述拱形支撑(2)包括若干根拱形支撑，若干根拱形支撑彼此分离， 单独调节单独作用，或若干根拱形支撑连接成整体共同调节共同作用。
上述拱形支撑(2)的若干根拱形支撑单独调节单独发挥支撑作用， 每根支撑的两端均固定在坑壁围护结构(1)上，支撑之间相互分离，对 每根支撑单独监控单独调节。
上述拱形支撑(2 )中同一支撑高度平面的若干根拱形支撑可以连接
成冠状整体，共同调节共同发挥作用；同一支撑平面内的每根拱形支撑的
一端均与基坑围护结构(1)固定，另一端向基坑中心靠拢并连接固定在 一起，形成一个空间冠状的整体拱形支撑结构，统一进行监控、调节。
上述拱形支撑(2)中同一支撑高度平面的拱形支撑可以连接成柱状 整体，共同调节共同发挥作用；同一支撑平面内的每根拱形支撑的一端均 与基坑围护结构(1)固定，另一端平行地向空间伸展，并连接成一个空 间柱状整体拱形支撑结构，统一进行监控、调节。
上述拱形支撑U)中所有的拱形支撑可以连接成一个统一整体，共 同调节共同发挥作用；把每层形成的冠状或柱状整体结构竖向连接在一 起，形成更大的一个空间整体支护结构，统一进行监控、调节。
上述坑壁坑周和拱形支撑(2 )上布设有监测坑壁坑周土压力和变形 信息的应力应变监测元件，其按强度控制标准和变形控制标准设定有报警 阀值，在土压力和变形达到报警阀值时，动态地改变可调节荷载P的大小 和作用位置，调节坑壁坑周和拱撑(2)的土压力和变形。
本发明由于采用通过在基坑围护结构的特定位置水平地安装拱形支 撑，拱背向上，且结合土压力和变形监测信息，在拱形支撑的拱背施以相 应的抵御坑壁坑周的进一步变形、促使已有变形逐步恢复、确保基坑即周 围构筑物安全稳定的、实现支护能力调节的可调节荷载P的结构，因此， 本发明可以动态地改变支撑的轴力和支护结构上的土压力，进而减小、恢 复坑壁坑周已发生的位变量，甚至可以促使坑壁及围护结构向基坑外侧发 生位变，确保安全稳定，最大程度地减小对坑周环境的影响。拱形支撑在 可调节荷载P作用下，对坑壁坑周变形具有较强而又灵活的控制能力，确 保基坑本身和坑周构筑物安全稳定。而且，拱形支撑作用下的整个基坑系 统抗不确定因素的效果较好，可以结合监测手段，及时地改变可调节荷载 户的大小和位置，对不确定因素引起坑壁坑周的过大土压力和变形进行实 时调节。此外，拱形支撑支护体系作用下的基坑工程，内部施工作业空间 较之直撑支护系统时的要大，对建筑密集、施工场地受限的城巿建设，空 间利用率较好。而且拱形支撑可以承受住较大的横向作用，可以通过拱形 支撑所在的路径进行人员材料的运送，以及在拱形支撑上进行临时性施 工，充分有效地利用拱形支撑所在的空间位置。本发明是一种操作简单， 方便实用的基坑支护方法。
图l为本发明的原理框图2是现有技术中基坑直撑系统的纵剖面示意图。
图3是本发明基坑拱形支撑系统的纵剖面示意图。
图4是支撑时刻坑壁变形示意图。
图5是支撑后直撑坑壁变形分析图。
图6是支撑后未施加可调节荷载作用坑壁拱形支撑变形分析图。
具体实施例方式
实施例
本发明的原理图如图2所示，在基坑围护结构1的特定位置水平地
安装拱形支撑2，拱背向上，且结合土压力和变形监测信息，在拱形支撑
2的拱背施以相应可以使围护结构抵御坑壁坑周的进一步变形、甚至可以
促使坑壁坑周的已有变形逐步恢复、实现围护结构的支护能力随变形控制
需要的动态调节的可调节荷载P。
上述可调节荷载P在拱形支撑2的拱背上的作用位置及大小可按公 式<formula>see original document page 11</formula>来确定，P为可调节荷载的大小，7为拱形支撑的跨度，
a为可调节荷载P在拱形支撑2上距右端的作用位置，广为拱形支撑的矢 髙，通过附加刚臂方法获得的拱形支撑中央截面上的弯矩，戊为实时 测定的作用在拱形支撑两端的土压力值。
上述可调节荷载P通过在拱形支撑2的拱背上堆载或悬挂重物等加 载作用方式来实现，动态支护的支护能力在增大和减小两个方向都可实现 调节，可以通过增加或减小可调节荷载大小和改变可调节荷载在拱背的作 用位置，使支护系统的支护能力相应地在增加或减小两个方向都可以进行 调节。
上述拱形支撑2包括若干根拱形支撑，若干根拱形支撑彼此分离，单独调节单独作用，或若干根拱形支撑连接成整体共同调节共同作用。
上述拱形支撑2的若干根拱形支撑单独调节单独发挥支撑作用，每根 支撑两端均固定在坑壁围护结构l上，支撑之间相互分离，对每根支撑单 独监控单独调节。
上述拱形支撑2中同一支撑高度平面的若干根拱形支撑可以连接成 冠状整体，共同调节共同发挥作用；同一支撑平面内的每根拱形支撑的一 端均与基坑围护结构1固定，另一端向基坑中心靠拢并连接固定在一起， 形成一个空间冠状的整体拱形支撑结构，统一进行监控、调节。或上述拱
形支撑2中同一支撑高度平面的拱形支撑可以连接成柱状整体，共同调节
共同发挥作用；同一支撑平面内的每根拱形支撑的一端均与基坑围护结构 l固定，另一端平行地向空间伸展，并连接成一个空间柱状整体拱形支撑
结构，统一进行监控、调节。或上述拱形支撑2中所有的拱形支撑可以连
接成一个统一整体，共同调节共同发挥作用；把每层形成的冠状或柱状整 体结构竖向连接在一起，形成更大的一个空间整体支护结构，统一进行监 控、调节。
上述坑壁坑周和拱形支撑2上布设有监测坑壁坑周土压力和变形信 息的应力应变监测元件，按强度控制标准和变形控制标准设定有报警阀 值，在土压力和变形达到报警阀值时，动态地改变可调节荷载P的大小和
作用位置，调节坑壁坑周和拱撑2的土压力和变形。
本实施例中，本发明的基坑支护方法包括如下步骤 1 )设计拱形支撑
按照基坑的岩土条件、几何尺寸和开挖规模、拱形支撑拟选建筑材料 的强度条件，设计拱形支撑的轴线方程、截面大小、安装位置，其中拱形 支撑的截面形状为矩形、或圆形；
2) 设计荷载
按照拱结构横向张力和纵向荷载、轴向变形和纵向荷载的对应关系， 确定可调节荷载尸和轴向变形、坑壁变形之间的对应关系，以及可调节荷
载,在拱形支撑上的初始作用位置；
3) 确定调节时间
结合强度控制标准和变形控制标准，确定变形和土压力的临界阀值； 结合已获得的可调节荷载,和坑壁变形、土压力之间的对应关系，确定坑 壁变形和土压力发展到什么程度即开始对可调节荷载进行动态调节，即确 定调节时间；
4) 制作拱形支撑
按选定的建筑材料和截面形状，以及设计的拱形支撑几何尺寸和轴线 方程，制作拱形支撑；
5) 安装拱形支撑
当基坑开挖到按支撑设计原则设计的、或根据工程经验确定的支撑作 用高度和位置时，安装拱形支撑；
6) 监测
在坑壁和拱形支撑上布设土压力、变形监测元件和信息釆集系统，部 分监测元件在基坑开挖前便需布置好；
7) 调节
随开挖扰动及其他不确定因素引起坑壁和围护结构的变形、土压力达 到调节时间时，按照变形、土压力和可调节荷载户之间的对应关系，在拱 形支撑上施以相应可调节荷载、或者改变可调节荷载的作用位置，确保坑
壁及坑周变形处于安全控制标准之内；
8)拆卸
基坑开挖到设计深度，坑壁及坑周变形调节到较为安全的状态后， 浇注地板后，根据工程进度和需要，拆除拱形支撑。
本发明工作时，通过拱形支撑上可调节荷载P的作用，可以动态地改 变支撑的轴力和支护结构上的土压力，进而减小、恢复坑壁坑周已发生的 位变量，确保基坑安全稳定，甚至可以促使坑壁及围护结构向基坑外侧发 生位变，最大程度地减小对坑周环境的影响。如图6所示，①、②、③分 别是在不同可调节荷载尸作用下拱形支撑的变形及其位置示意图，①为坑 壁及围护结构变形发展到基坑内部的拱形支撑，②为坑壁及围护结构正好 在基坑设计边界时的拱形支撑，③为坑壁及围护结构被作用到基坑外侧的拱形支撑。I、 II、 III是相应的坑壁(围护结构)变形及其位置，i表示 的是由于开挖卸荷后坑壁在土压力的作用下向坑内移动的情况，n为坑壁 在拱形支撑作用下恢复到开挖初始设计位置的情形，in为在拱形支撑作用 下，坑壁被推挤到基坑设计边界外侧某位置的情况。
可以看出，拱形支撑在可调节荷载P作用下，对坑壁坑周变形具有较 强而又灵活地控制能力，可以根据工程实际情况，设计调节坑壁的最佳位 置，达到确保基坑本身和坑周构筑物安全稳定的目的。而且，拱形支撑作 用下的整个基坑系统抗不确定因素的效果较好，可以结合监测手段，及时 地改变可调节荷载p的大小和位置，对不确定因素引起坑壁坑周的过大土 压力和变形进行实时调节。
权利要求
1、一种基坑支护方法，其特征在于在基坑围护结构(1)的特定位置水平地安装拱形支撑(2)，拱背向上，且结合土压力和变形监测信息，在拱形支撑(2)的拱背施以相应可以使围护结构抵御坑壁坑周的进一步变形、甚至可以促使坑壁坑周已有变形逐步恢复、实现围护结构的支护能力随变形控制需要的动态调节的可调节荷载P。
2、 根据权利要求l所述的基坑支护方法，其特征在于上述可调节荷载P在拱形支撑(2 )的拱背上的作用位置及大小可按公式7^ ——2《=《来确定,,为可调节荷载的大小，/为拱形支撑的跨度，s为可调节荷载P在拱形支撑(2) 上距右端的作用位置，/为拱形支撑的矢高，私为通过附加刚臂方法获得的拱 形支撑中央截面上的弯矩，A为实时测定的作用在拱形支撑两端的土压力值。
3、 根据权利要求l所述的基坑支护方法，其特征在于上述动态支护的支 护能力在增大和减小两个方向都可实现调节，可以通过增加或减小可调节荷载 大小和改变可调节荷载在拱背的作用位置，使支护系统的支护能力相应地在增 加或减小两个方向都可以进行调节。
4、 根据权利要求1至3任一项所述的基坑支护方法，其特征在于上述可 调节荷载P通过在拱形支撑(2)的拱背上堆载或悬挂重物的加载作用方式来 实现，拱形支撑(2)包括若干根拱形支撑，若干根拱形支撑彼此分离，单独 调节单独作用，或若干根拱形支撑连接成整体共同调节共同作用。
5、 根据权利要求4所述的基坑支护方法，其特征在于上述拱形支撑(2 ) 的若干根拱形支撑单独调节单独发挥支撑作用，每根支撑的两端均固定在坑壁 围护结构(l)上，支撑之间相互分离，对每根支撑单独监控单独调节。
6、根据权利要求4所述的基坑支护方法，其特征在于上述拱形支撑(2)中同一支撑高度平面的若干根拱形支撑可以连接成冠状整体，共同调节共同发 挥作用；同一支撑平面内的每根拱形支撑的一端均与基坑围护结构(1)固定, 另一端向基坑中心靠拢并连接固定在一起，形成一个空间冠状的整体拱形支撑 结构，统一进行监控、调节。
7、根据权利要求4所述的基坑支护方法，其特征在于上述拱形支撑(2)中同一支撑高度平面的拱形支撑可以连接成柱状整体，共同调节共同发挥作 用；同一支撑平面内的每根拱形支撑的一端均与基坑围护结构U)固定，另 一端平行地向空间伸展，并连接成一个空间柱状整体拱形支撑结构，统一进行 监控、调节。
8、 根据权利要求4所述的基坑支护方法，其特征在于上述拱形支撑(2)中所有的拱形支撑可以连接成一个统一整体，共同调节共同发挥作用；把每层形成的冠状或柱状整体结构竖向连接在一起，形成更大的一个空间整体支护结 构，统一进行监控、调节。
9、 根据权利要求4所述的基坑支护方法，其特征在于上述坑壁坑周和拱 形支撑(2)上布设有监测坑壁坑周土压力和变形信息的应力应变监测元件， 其按强度控制标准和变形控制标准设定有报警阀值，在土压力和变形达到报警 阀值时，动态地改变可调节荷载P的大小和作用位置，调节坑壁坑周和拱撑(2 ) 的土压力和变形。
10、根据权利要求4所述的基坑支护方法，其特征在于包括如下步骤1 )设计拱形支撑按照基坑的岩土条件、几何尺寸和开挖规模、拱形支撑拟选建筑材料的强 度条件，设计拱形支撑的轴线方程、截面大小、安装位置，其中拱形支撑的截 面形状为矩形、或圆形；2) 设计荷载按照拱结构横向张力和纵向荷载、轴向变形和纵向荷载的对应关系，确定 可调节荷载P和轴向变形、坑壁变形之间的对应关系，以及可调节荷载P在拱形支撑上的初始作用位置；3) 确定调节时间结合强度控制标准和变形控制标准，确定变形和土压力的临界阀值；结合 已获得的可调节荷载P和坑壁变形、土压力之间的对应关系，确定坑壁变形和 土压力发展到什么程度即开始对可调节荷载进行动态调节，即确定调节时间；4) 制作拱形支撑按选定的建筑材料和截面形状，以及设计的拱形支撑几何尺寸和轴线方 程，制作拱形支撑；5) 安装拱形支撑当基坑开挖到按支撑设计原则设计的、或根据工程经验确定的支撑作用高 度和位置时，安装拱形支撑；6) 监测在坑壁和拱形支撑上布设土压力、变形监测元件和信息釆集系统，部分监 测元件在基坑开挖前便需布置好；7) 调节 随开挖扰动及其他不确定因素引起坑壁和围护结构的变形、土压力达到调 节时间时，按照变形、土压力和可调节荷载P之间的对应关系，在拱形支撑上 施以相应可调节荷载、或者改变可调节荷载的作用位置，确保坑壁及坑周变形 处于安全控制标准之内；8)拆卸基坑开挖到设计深度、坑壁及坑周变形调节到较为安全的状态，浇注地板 后，根据工程进度和需要，拆除拱形支撑。
全文摘要
本发明涉及一种基坑支护技术。本发明在基坑围护结构(1)的特定位置水平地安装拱形支撑(2)，拱背向上，结合土压力和变形监测信息，在拱撑(2)的拱背施以随变形控制需要可对围护结构支护能力进行动态调节的可调节荷载P。P在拱撑(2)上的作用位置及大小可按公式(P(l-a)-2M<sub>m</sub>)/2f=E<sub>t</sub>来确定，l为拱撑的跨度，a为可调节荷载P在拱撑(2)上距右端的作用位置，f为拱撑的矢高，M<sub>m</sub>为通过附加刚臂方法获得的拱撑中央截面上的弯矩，E<sub>t</sub>为实时测定的作用在拱撑两端的土压力值。本发明可随施工和其他不确定因素引起的坑壁坑周变形的变化，动态地改变支护系统的支护能力，保证坑壁坑周变形始终处于变形控制标准之内，确保基坑和周围构筑物的安全稳定。
文档编号E02D17/04GK101173518SQ200710027900
公开日2008年5月7日 申请日期2007年4月30日 优先权日2007年4月30日
发明者吴忠诚, 宋明健, 廖化荣, 汤连生, 辉 胡 申请人:中山大学