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软土地区深基坑工程存在的变形与稳定问题及其控制——基坑施工全过程的稳定问题

文档作者：郑刚1 窦华港2 文档来源： 1. 天津大学建筑工程学院 2. 天津市建设交通管理委员会		点击数：	更新时间： 2025年11月13日
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2011 年5 月上
第40 卷第340 期
施工技术
CONSTRUCTION TECHNOLOGY 1
软土地区深基坑工程存在的变形
与稳定问题及其控制
———基坑施工全过程的稳定问题
郑刚1 ，窦华港2
(1. 天津大学建筑工程学院，天津300072; 2. 天津市建设交通管理委员会，天津300051)
［摘要］对基坑施工全过程可能产生的稳定问题进行了分析，指出了复杂深基坑的稳定问题复杂性。根据基坑失
稳的直接引发因素划分为基坑支护结构施工引发的稳定问题、坑内外土体形成滑动面引发的稳定问题、竖向支挡
结构( 排桩、地下连续墙等) 破坏引发的基坑稳定问题、水平支撑( 锚杆) 系统破坏引起的基坑稳定问题、水平支撑
的竖向支承系统( 立柱) 破坏引发的稳定问题和地下水引发的稳定问题6 类，对其失稳机理、危害、治理措施进行了
分析。最后，提出了基坑支护结构体系的冗余度设计概念和分类。
［关键词］软土;深基坑;支护开挖;稳定破坏;冗余度
［中图分类号］TU447 ［文献标识码］A ［文章编号］1002-8498(2011)09-0001-06
Stability and Deformation Problems During Deep Foundation Excavation
in Soft Soil Area and Their Control Measures
———Stability Problems During the Whole Process of Excavation Construction
Zheng Gang1 ，Dou Huagang2
(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China;
2. Tianjin Urban Construction ＆ Communications Commission，Tianjin 300051，China)
Abstract:The stability problem must be carefully examined to minimize the impact of excavation on
surroundings when deep excavation urban area is surrounded by various buildings， roads， buried
pipelines and underground tunnels. The stability problems during the whole process of excavation are
discussed and the complex of stability failure of braced deep excavation is illustrated. Based on the
element whose failure directly leads to the stability failure of brace excavation，the stability problems of
braced deep excavation is classified into 6 categories，namely stability problem induces by construction of
retaining wall，slip surface formed in ground，stability problem due to the failure of retaining wall，
stability problem caused by the failure of horizontal struts，stability problem due to the failure of vertical
columns supporting horizontal struts， stability problem due to and stability problem caused by
underground water. The mechanism of the 6 categories of stability failure problems，the damage may
caused by these stability failure problems and the countermeasures are analyzed. Finally，concept and
classification of redundancy of retaining structure are presented.
Key words:soft soil; deep foundation excavation; braced excavation; stability failure; redundancy
［收稿日期］2011-04-08
［基金项目］国家重点基础研究发展计划( 973 计划) 资助项目
(2010CB732106) ;天津市科技支撑计划资助项目(11ZCGYSF00800)
［作者简介］郑刚，天津大学建筑工程学院教授，博士生导师，天津
市卫津路72 号300072，电话: ( 022 ) 27402341， E-mail:
zhenggang1967@ yahoo. cn
1 深基坑的稳定问题
基坑的稳定性分析是深基坑设计施工中很重要
的一环，国内外都曾出现过很多基坑失稳破坏的实
例。由于深基坑多位于人口众多、建筑密集的城市，
其一旦发生失稳破坏，后果不堪设想。近20 多年
来，仅上海市因基坑失稳影响施工的事故就已多达
上百起，造成了很大的经济损失。另外，由于基坑的
稳定性与基坑的地面最大沉降、墙体最大水平位移
等变形性状直接相关，即使基坑本身不发生失稳破
坏，当其安全系数较小时也会导致很大的基坑变形，
从而对周围环境造成重大影响。抗隆起稳定不仅与
万方数据
2 施工技术第40 卷
基坑的稳定安全相关，也与基坑变形关系密切。
当基坑的支撑强度和刚度足够时，基坑的水平
方向位移被支护结构有效地限制了，这时最容易发
生的就是坑底隆起稳定破坏。基坑土体开挖的过
程，实际上是对基坑底部土体的一个卸荷过程，基坑
外的土体因基坑内的土体上部卸载而向坑内挤入，
从而发生坑底隆起稳定破坏，这种现象在基坑底部
为软土时尤其容易发生。另外，在桩墙式支护体系
中，基坑的整体稳定也是很重要的一方面。
2 深基坑稳定问题的复杂性
我国城市基础设施建设、高层建筑建设均涉及
到深基坑开挖问题，由于基坑开挖深度越来越大，对
于由软土-地下水-支护结构-坑内外土中结构物( 包
括桩) 组成的复杂多体多场系统，在外荷载作用下，
产生结构体的变形、土体变形和土中水的渗流，形成
应力场、位移场、渗流场，从而构成了多体在多场条
件下变形与稳定问题。国内外软土工程发生的大量
稳定破坏问题已表明，软土-地下水-支护结构及坑
内外工程桩等组成的复杂多场、多体体系的相互作
用越来越复杂，其稳定破坏机理越来越复杂，稳定破
坏的风险识别越来越困难。
例如，2004 年4 月20 日发生垮塌的新加坡
Nicoll 地铁基坑，其基坑剖面如图1 所示。新加坡
时间下午3:30 左右，新加坡地铁环线C824 标段的
一段明挖区段隧道，在挖至第10 道支撑的时候，长
约100m 区段的围护体系完全崩溃，基坑倒塌，造成
4 人死亡，3 人受伤。事故现场塌陷区宽150m，长
100m，深30m，紧邻基坑的Nicoll 快速道中断，相关
的城市生命线等受损严重。此事故使地铁环线工程
延期，车站被迫转移到100m 以外。基坑坍塌前后
的情况如图2 所示。
虽然稳定破坏常常被认为是一个突然的过程，
但该工程由开挖产生变形至发展至失稳破坏的过程
却是一个渐进的过程，并首先从第9 道支撑与腰梁
连接的节点屈服开始。失事前支撑轴力的变化可以
说明上述过程( 见图3) ，2004 年4 月20 日9:00 左
右，第9 道水平支撑的轴力开始出现下降，同时，第
8 道水平支撑的轴力开始增加。至10:00 开始，第9
道支撑的轴力急剧下降。至失事前，第9 道支撑轴
力急剧下降，而第8 道支撑轴力急剧上升，而后在2
道支撑失效的情况下地下连续墙断裂，至下午15:
30 左右整个围护体系彻底崩溃。
实际施工时，自第7 道水平支撑开始，将第7 ～
10 道水平支撑与腰梁节点处H 型钢腰梁的钢板加
强板改为槽钢，如图4 所示。事故发生后的模型试
验和数值分析均表明，虽然将钢板改为槽钢使腰梁
图1 事故发生地点典型剖面
Fig. 1 Typical profile of foundation
excavation at accident site
图2 基坑坍塌前后情况
Fig. 2 Foundation excavation conditions
before and after collapse
的极限承载力略微提高，但其延性大大降低。槽钢
在超过峰值承载力后屈服并产生偏斜失稳，此后水
平支撑与腰梁节点承载力急剧下降并导致其原承担
的荷载向其他支撑转移，使其他水平支撑腰梁连接
节点本身承载力不足的问题更加突出。
图3 失事前第8，9 道支撑轴力变化
Fig. 3 Axial forces of the eighth and
ninth supports in the accident
此外，在原支撑设计中，第7 ～ 10 道支撑与腰梁
万方数据
2011 No. 340 郑刚等:软土地区深基坑工程存在的变形与稳定问题及其控制3
图4 屈服的腰梁
Fig. 4 The failure waist beam
的连接有八字撑，如图5 所示。八字撑有增加支撑
整体性和稳定性、减小腰梁受力集中的作用。但是
实际施工中，部分水平支撑省略了八字撑，基坑坍塌
前最先屈服的支撑就是没有八字撑的。设计人员在
确定双肢型钢对撑作用在腰梁上的荷载时，假定八
字撑可承担1 /3 的荷载，对撑承担剩余70% 荷载。
当实际施工取消八字撑后，对撑作用在腰梁上的轴
力就变为100% 了。由于采用图4b 所示的槽钢加
劲板的腰梁节点抵抗失稳的承载力为2 218kN，作用
在腰梁上的实际荷载为3 543kN，当设有图5b 所示
的八字撑时，由钢管撑作用在腰梁上的轴力
(3 543kN × 0. 67 = 2 373kN) 虽然仍大于腰梁腹板
的抵抗失稳的承载力，但如果腰梁加强钢板仍采用
如图4a 所示的钢板，由于其延性较好，在加强钢板
发生失稳变形时，作用在其上的冗余荷载必然可向
八字撑转移，而不致发生实际工程中的迅速破坏。
此外，由于地下连续墙产生了较大的挠曲和水平位
移( 最大水平位移为45cm) ，墙体的转动也客观上
促进了腰梁节点的失稳，如图6 所示。
图5 两种八字撑形式与反力分配情况
Fig. 5 Two 八-shaped supports and reaction forces
从本工程可看出，在多体多场条件下，结构物
( 地下连续墙) 首先出现过大变形，以及腰梁与水平
支撑传力节点承载力不足，二者共同导致节点失稳，
使水平支撑轴力大幅度下降，并进一步引起地下连
续墙变形和内力的增大，最终地下连续墙断裂而引
发坑外软土整体滑动面的形成而导致基坑整体失
稳。对比图7a 和图7b，可看出地下连续墙的破坏
引发了基坑外土方滑坡失稳。
图6 地下连续墙转动使腰梁节点失稳
Fig. 6 Waist beam failure with rotation
of diaphragm wall
图7 结构破坏示意
Fig. 7 Structural failure
3 基坑施工全过程存在的稳定问题
根据国内外基坑失稳的研究成果和大量工程事
故案例，将基坑施工全过程的稳定问题根据其诱发
失稳直接原因，分为以下6 类，对其失稳机理、危害、
治理措施进行分析。
3. 1 支护结构施工引发的稳定问题
在基坑支护结构施工期间，也存在一些稳定问
题，例如地下连续墙成槽时槽壁的稳定、大直径灌注
桩成孔时孔壁的稳定问题。槽壁坍塌、孔壁坍塌均
会对环境造成影响。基坑支护结构施工阶段的稳定
破坏主要为以下几类。
1) 地下连续墙成槽塌槽产生机理:①槽段内
泥浆不能补偿槽段开挖前槽壁应力;②槽外超载过
大，堆载或交通等动荷载过大;③槽外施工振动扰
动。产生的危害:①地表下沉;②邻近建筑物沉降或
破坏;③邻近管线变形;④邻近地下隧道变形;⑤邻
近建筑物、桥梁桩基位移、产生附加弯矩。采取的控
制措施:①膨润土泥浆护壁;②与建筑物之间设置隔
离排桩或隔离墙;③减小槽段长度;④控制槽外荷
载;⑤控制槽外施工振动。
2) 大直径、密排灌注桩成孔塌孔产生机理:
①孔内泥浆不能补偿槽段开挖前孔壁应力;②孔外
地面堆载或交通等动荷载过大;③孔外施工振动扰
动。产生的危害:①地表下沉;②邻近建筑物沉降或
破坏;③邻近管线变形;④邻近地下隧道变形;⑤邻
万方数据
4 施工技术第40 卷
近建筑物、桥梁桩基位移、产生附加弯矩。采取的控
制措施:①膨润土泥浆护壁;②桩实行跳打;③设置
隔离排桩或隔离墙;④控制孔外荷载;⑤控制孔外施
工振动。
3. 2 坑内外土体形成滑动面引发的失稳
当土体强度低、支护结构尺寸不合理时，例如竖
向挡土结构插入基坑底以下深度不够时，可导致整
体失稳、隆起失稳或踢脚破坏等在土中形成滑动面
的失稳形式。当然，支护结构的破坏也可引起土体
中产生滑动面并导致基坑失稳。故第2 类失稳主要
指在支护结构没有破坏的情况下，即可在土中形成
滑动面的失稳。基坑内、外土体滑动导致的稳定破
坏如下。
1) 坑底隆起失稳产生机理:①坑底地基土承
载力不足;②桩、墙插入深度小;③坑底开挖减载土
体回弹过大;④地下水自坑外向坑内渗流;⑤坑底下
承压水的扬压力;⑥基坑内发生流土导致被动土体
强度下降;⑦基坑下部水平支撑位置未经验算而上
移或不设置;⑧基坑超挖。产生的危害:①严重时基
坑垮塌;②邻近建筑物沉降或破坏;③水平支撑的支
撑柱向上位移甚至破坏;④桩、墙向上位移甚至破
坏;⑤逆作法( 盖挖逆作法) 施工时中间柱、墙出现
差异变形甚至破坏;⑥工程桩中产生拉应力，严重时
桩断裂。采取的预防措施:①被动区土体加固;②增
大桩、墙插入深度;③坑内隆起变形大的区域设置减
小隆起的桩;④分块开挖、分块施工基础底板;⑤缩
短基坑暴露时间;⑥减小地下水渗流的水力梯度;⑦
降低承压水水头;⑧严禁基坑超挖;⑨不得随意改变
支撑设置标高，严禁减少支撑。
2) 整体稳定失稳产生机理:①地基土承载力
不足导致滑动面抗力不充分;②桩、墙插入深度小;
③桩、墙强度不足，产生切桩( 墙) 破坏或桩墙断裂;
④支撑强度不足，支撑破坏引起基坑整体滑动失稳;
⑤基坑内发生流土导致被动土体强度下降;⑥基坑
超挖。产生的危害:①基坑垮塌;②周围地表下陷;
③邻近建筑物沉降或破坏;④邻近地下隧道破坏或
变形;⑤邻近管线破坏或变形;⑥人员伤亡。采取的
预防措施:①主动区、被动区土体加固;②增大桩、墙
插入深度;③合理设计桩、墙强度;④降低坑内外水
头差;⑤合理设计支撑强度、刚度;⑥严禁基坑超挖。
3. 3 竖向挡土结构破坏引发的失稳
由前述新加坡Nicoll Highway 基坑坍塌案例及
杭州地铁湘湖路地铁基坑坍塌事故可看出，在多体
多场条件下，结构物( 排桩或地下连续墙) 首先出现
过大变形、开裂，然后弯曲破坏或剪切破坏，最终桩、
墙断裂引发坑外软土整体滑动面的形成而导致基坑
整体失稳。基坑支护结构构件破坏引发的稳定破坏
形式主要为竖向挡土结构弯曲剪切破坏，产生机理
如下:①桩( 墙) 体抗弯强度、抗剪强度不足:②支撑
安装不及时;③随意改变基坑下部水平支撑位置或
不设置;④土方开挖方案不合理;⑤坑外荷载过大，
堆载或交通等动荷载过大;⑥设计土压力偏小，高估
土体强度;⑦地表水渗入坑外土体引起土体强度降
低;⑧基坑内发生流土导致被动土体强度下降;⑨基
坑超挖;⑩在达到拆除支撑条件前，提前拆除支撑;
瑏瑡不按设计要求换撑;瑏瑢已拆除支撑部分的地下室
外墙外土方不回填或回填不密实。产生的危害:①
基坑垮塌;②周围地表下陷;③邻近建筑物沉降或破
坏;④邻近地下隧道破坏或变形;⑤邻近管线破坏或
变形;⑥人员伤亡。采取的预防措施:①保证桩
( 墙) 截面强度;②及时设置支撑;③不得随意改变
支撑设置标高，严禁减少支撑;④合理的开挖方案;
⑤控制坑外荷载;⑥准确的设计参数与合理的土压
力模型;⑦做好基坑外防排水措施;⑧严禁基坑超
挖;⑨按设计要求拆除支撑;⑩按设计要求换撑;瑏瑡
按规范或设计要求回填地下室外墙外土体。
3. 4 水平支撑系统( 或锚杆) 破坏引发的失稳
对软土中的深基坑来说，当设置多道水平支撑
时，如上部水平支撑( 或锚杆) 破坏，往往会引发竖
向挡土结构倾覆;而当下部水平支撑( 或锚杆) 破坏
时，如竖向挡土结构未穿过软弱土层进入较好土层
时，则会发生整体失稳破坏、隆起破坏或踢脚破坏;
当竖向挡土结构穿过软弱土层进入较好土层时，下
部水平支撑( 或锚杆) 的破坏则会首先引起竖向挡
土结构的破坏而导致基坑外软土形成滑动面，造成
基坑失稳。基坑水平支撑( 锚杆) 系统破坏引发的
稳定破坏形式主要为塌落失稳压碎，产生机理如下:
①钢筋或混凝土强度、截面不足;②坑外堆载或交通
等动荷载过大;③设计土压力偏小，高估土体强度、
土压力计算模型偏差;④随意改变基坑下部水平支
撑位置或不设置;⑤支撑上堆载、挖土机或重物碰
撞;⑥立柱间距过大;⑦立柱失稳;⑧基坑超挖。产
生的危害:①严重时基坑垮塌;②周围地表下陷;③
邻近建筑物沉降或破坏;④邻近地下隧道破坏或变
形;⑤邻近管线破坏;⑥人员伤亡。采取的预防措
施:①合理设计支撑强度、刚度;②不得随意改变支
撑设置标高，严禁减少支撑;③控制坑外荷载;④进
行精细的勘察及土体参数确定;⑤使用合理的土压
力模型;⑥减小立柱间距;⑥立柱间设置横撑;⑦严
禁基坑超挖。从机理上来说，新加坡Nicoll Highway
基坑坍塌案例属于这一类，当发生水平支撑破坏后，
导致竖向挡土结构的破坏，即又转化为第3 类原因
万方数据
2011 No. 340 郑刚等:软土地区深基坑工程存在的变形与稳定问题及其控制5
造成的失稳了。
3. 5 水平支撑的竖向支承系统( 立柱) 破坏引发的
失稳
立柱是保证水平支撑系统可靠承担水平力的关
键。然而软土中的深基坑，基坑开挖引起的立柱回
弹可引起立柱产生较大的附加轴力，水平向也可因
坑内土体滑坡、机械碰撞等造成横向失稳。一旦立
柱发生破坏，可能造成整个水平支撑系统的破坏，导
致基坑发生倾覆破坏或整体失稳破坏。基坑水平支
撑的竖向支承系统( 立柱) 破坏引发的稳定破坏形
式为横向失稳，产生机理如下:①立柱强度不足;②
立柱长细比过大;③立柱连接强度不足;④挖土机或
重物碰撞;⑤坑内土体滑坡导致立柱倾覆、断裂、失
稳;⑥基坑开挖回弹引起立柱过大轴力而失稳;⑦立
柱下桩竖向承载力不足;⑧基坑超挖导致立柱下端
嵌固条件变化。产生的危害:①水平支撑失稳;②水
平支撑塌落;③严重时导致整个支撑体系失效;④引
起竖向挡土结构破坏;⑤基坑坍塌。采取的预防措
施:①合理设计支撑强度、刚度;②合理布置支撑设
置标高;③严禁减少支撑;④增加立柱与支撑连接强
度;⑤严禁基坑超挖。
3. 6 地下水引发的失稳问题
地下水是软土地区深基坑破坏的一个非常重要
的原因，失稳破坏主要为以下两类。
1) 基坑突涌破坏产生机理:①承压水水头过
大;②局部深坑、钻孔、桩基施工等导致坑底不透水
层产生局部缺陷;③坑底不透水层土体强度不足;④
基坑超挖。产生的危害:①坑内涌水;②降低坑内土
体强度;③桩、墙支护结构位移过大或破坏;④给施
工造成巨大困难;⑤邻近建筑物沉降或破坏;⑥邻近
地下隧道破坏或变形;⑦邻近管线破坏或变形。采
取的预防措施:①准确掌握承压含水层;②采用减压
井降低承压水头;③增大地下连续墙或止水帷幕长
度以截断承压水层;④避免局部深坑、钻孔、打桩等
造成不透水层削弱或破坏;⑤进行坑底土体加固;⑥
严禁基坑超挖。
2) 基坑渗流破坏产生机理:①坑内外水头差
过大导致管涌或流土;②坑底、坑外存在砂性土层;
③止水帷幕施工缺陷;④封底措施缺陷;⑤基坑超
挖。产生的危害:①坑内涌水涌砂;②支护结构前被
动土压力减小或丧失;③桩、墙等支护结构位移过大
或破坏;④给施工造成巨大困难;⑤邻近建筑物沉降
或破坏;⑥邻近地下隧道破坏或变形;⑦邻近管线破
坏或变形。采取的预防措施:①增加地下连续墙或
止水帷幕长度;②增大坑内外渗流路径;③坑外降
水，减小坑内外水头差;④进行坑内土体加固;⑤严
禁基坑超挖。
4 基坑支护结构的冗余度
近年来，国内外发生了不少基坑工程事故，包括
因变形过大或支护体系强度不足导致的基坑坍塌等
并对环境造成严重影响。通过分析可以发现，目前
一些常用的设计主要是基于构件进行设计，一些支
护体系在设计与构造方面存在冗余度不足的问题。
因此有必要在基坑的设计理论中引入冗余度设计理
论，以此来增大基坑抵抗连续破坏和变形过大的问
题。对于基坑支撑体系来说，其进行冗余度设计的
目的就是，通过合理的布置支撑体系、采取必要的连
接构造措施，在不增加支撑体系造价或造价增加很
小的前提下，增加支撑体系的传力路径，防止局部支
撑构件的削弱、破坏引起整个支撑体系的变形显著
增大或崩溃。
图8a 是一个超静定结构的平面框架体系，在基
坑中可以看作为一个采用大直径环梁的平面支撑体
系，在外围受到由基坑竖向支挡结构( 地下连续墙
或排桩) 传递来的均布的平面内荷载。作用在外围
方形的外框梁上的外荷载通过辐射性的杆件传至内
环，内环是最终的承载体，当辐射杆件足够密时，由
辐射杆件传递至内环的荷载主要转化为内环的轴向
力，内环变成一个主要受压的杆件。在图8b 中，采
用了8 根放射性的杆件对平面框架体系进行加强，
在图8c 中，采用了4 根与外围方形梁斜交的杆件对
平面框架体系进行加强。可以看出，3 个结构均是
超静定结构，但8a，，8b 中，内环的任一点出现破坏，
均会导致整个平面框架体系在外荷载作用下崩溃。
但图8c 中，虽然增加的4 根杆件在总长度上与图
8b 中增加的类似，但这4 根杆件可分担内环的荷
载，减小内环的受力，降低内环破坏的风险;进一步，
由于这4 根杆件的存在，内环即使出现任一点A 局
部的破坏( 见图8d) ，则图8c 所示的平面框架体系
就转化为外围方形和4 根虚线所示杆件形成的平面
受力体系，该体系极可能经冗余度设计理论优化为
稳定体系，不至于马上转化为崩溃的体系，且造价并
不显著提升。
因此，提出如下基坑工程的冗余度定义与分类。
4. 1 基坑水平支撑系统的变形冗余度
即水平支撑体系承担竖向支挡结构传递来的荷
载时产生变形的冗余度。水平支撑的布置应保证整
个水平支撑体系在不同的与竖向支挡结构连接的位
置具有大致相同的刚度，整体上不同部位的变形差
异不至过大。当水平支撑体系中个别杆件强度或刚
度不够时，水平支撑体系能够将初始局部薄弱区域
的荷载有效传递到能够承担这些冗余荷载的周边结
万方数据
6 施工技术第40 卷
图8 基坑支护水平支撑结构的冗余度示意
Fig. 8 Redundancy of retaining structure for foundation excavation
构上，使薄弱区域的变形不会显著增加。
4. 2 基坑水平支撑系统的稳定冗余度
包括同一道水平支撑系统的冗余度、多道水平
支撑的冗余度及水平支撑与竖向挡土结构的连接节
点冗余度。
1) 同一道水平支撑系统的冗余度对重要基
坑工程的水平支撑系统进行合理设计，使其在局部
范围内主要水平受力构件失效后仍能保证荷载的有
效传递;或者在局部构件削弱时可将多余荷载传递
到其他受力路径;或者局部位置作用冗余荷载( 例
如基坑边局部施工荷载过大) 传递至邻近构件，从
而避免整个水平支撑体系出现破坏。例如，当地铁
区间隧道等条形基坑采用平行的钢管支撑时，为避
免某一根水平支撑出现破坏后导致水平支撑出现连
续破坏，可在水平支撑中每隔一段距离设置防止连
续破坏的加强支撑组合，可通过将2 根水平支撑加
强为一个桁架来实现。
2) 多道水平支撑的冗余度当水平支撑系统
有多道时，当某一道水平支撑失效时，其他标高的水
平支撑可对竖向挡土结构( 地下连续墙、柱列式排
桩等) 的破坏起到延迟的作用。这也是重大基坑工
程应具有的冗余度。
3)水平支撑与竖向挡土结构( 或腰梁) 的连接
节点冗余度指水平支撑与竖向挡土结构之间连接
节点的冗余度。当局部水平支撑承受过大荷载时，
除水平支撑本身应具有前述的冗余度外，水平支撑
与竖向挡土结构( 或腰梁) 之间连接节点也应具有
相应的冗余度。
4. 3 基坑竖向支挡结构的变形冗余度
基坑竖向支挡结构的变形冗余度是指基坑局部
出现坑外过大荷载、局部土质条件较差、基坑局部深
挖等导致竖向支挡结构可能出现局部的变形过大
时，由于基坑平面形状、竖向支挡结构形式( 地下连
续墙、排桩等) 等，可将局部过大的荷载传递至相邻
土体或竖向支挡结构，避免局部变形过大的能力。
例如，在向外凸出的基坑支挡结构部位，在凸出部由
于土拱等空间效应，加之地下连续墙或排桩中的腰
梁以及水平支撑的作用，向相邻部位转移冗余变形
的能力就比向坑内凸出的阳角形基坑好，后者变形
的冗余度就较差，需加强腰梁及水平支撑，提高其冗
余度。
4. 4 基坑竖向支挡结构的稳定冗余度
基坑竖向支挡结构的稳定冗余度是指基坑局部
出现坑外过大荷载、局部土质条件较差、基坑局部深
挖、竖向支挡结构局部强度不足、插入坑底以下深度
不足等导致竖向支挡结构可能出现失稳破坏时，由
于基坑平面形状、竖向支挡结构形式( 地下连续墙、
排桩等) 等，可将局部因稳定不足而产生的冗余荷
载转移至相邻土体或竖向支挡结构，避免局部失稳
的能力。很显然，地下连续墙比排桩更具有稳定冗
余度。
北京坍塌的某基坑，基坑开挖深度约18m，采用
土钉支护边坡。在基坑向坑内凸出的阳角部位发生
了垮塌。在该部位的土钉无法向相邻部位土钉转移
冗余荷载，在出现土钉锚拉力不足的情况下垮塌，基
坑其余部位则安然无恙。
4. 5 水平支撑竖向支承结构的冗余度
指支承水平支撑系统的竖向立柱的受力、变形
及稳定的冗余度。例如，在软土地区，当基坑开挖导
致基坑内土方高差过大时可导致立柱承受较大水平
荷载、深基坑开挖隆起可导致立柱因水平支撑约束
而产生较大附加轴力、挖土机及重物的侧向碰撞均
可能导致立柱产生失稳，导致水平支撑坍塌。
5 结语
对软土地区深基坑的支护开挖的稳定问题进行
了系统分析，可以看出，由支护结构-土-地下水-坑内
外桩基础等组成的复杂多体多场系统的稳定问题是
非常复杂的，最终将稳定问题划分为6 类，实际上，
由前文分析也可看出，这6 类稳定问题之间也是可
互相转化的。
软土地区的复杂深基坑一旦失稳，影响范围大，
( 下转第10 页)
万方数据
10 施工技术第40 卷
考虑到的问题一一暴露出来，并加以解决。②根据
确定的安装方案将虚拟建成的彩带进行拆解。③根
据加工制作及安装的各种要求，将拆解下来的三维
构件转换为平面图纸。
由于昆明新机场彩带的特殊造型，其构件中存
在大量扭曲构件。施工图设计阶段，原设计图信息
量不足，为保证图纸的准确性，只能通过现有线型成
型原则模拟出弯扭彩带的中心线及4 条棱线，如此
也可以建立准确的三维空间实体模型，因此，详图设
计采用AutoCAD2009 和自行开发的程序来实现。
由于该项目中既有常规的平板箱形构件，也存
在扭曲箱形构件，对于不同的情况采取不同的方法。
对常规构件，直接利用AutoCAD 的拉伸功能便可建
立准确的三维实体模型。对扭曲的箱形构件，则利
用在AutoCAD 平台上开发的程序RootModel 来建立
准确的三维实体模型。通过这种“人机结合”的方
式，就可以准确建立整个结构的三维实体模型，并将
三维模型转换为二维的平面图纸。
5 对钢结构深化设计的思考
1)国内土建设计院一般仅对结构受力提出一些
基本要求，较少考虑钢结构体系变形的特殊性，相对
于混凝土结构而言，绝大多数钢结构均为稳定控制。
而目前商业程序均没有自动校核压杆稳定的模块，一
般设计单位仅验算代表性的杆件，极易留下隐患。
2)钢结构与混凝土结构相比，最大的不同在
于，钢结构节点形式的合理及可靠是保证结构体系
安全的关键。一般而言，混凝土结构节点可以做到
完全刚接，故计算假定与实际结构基本吻合。而钢
结构则不同，绝大多数节点既非绝对刚接，亦非绝对
铰接。根据节点形式及构造的不同，节点刚度是一
个变量，但通常均将节点设定为刚接或铰接，造成理
论计算与实际结构不符。还有，钢结构节点造型日
趋复杂，很难按常规的梁、杆或板单元进行计算，必
须采用有限元方法才能找出内力分布规律，避免应
力集中，保证结构安全。
6 结语
昆明新机场航站楼钢彩带结构约1. 8 万t，2008
年10 月开始深化设计，2009 年3 月加工制造，2009
年9 月完成全部构件制作，11 月完成彩带吊装。整
个工作顺利进行，由于采用自行开发的软件建立准
确的三维实体模型，使弯扭构件深化设计的难题迎
刃而解。构件加工制作放样准确、线条流畅，完全符
合设计要求，取得了圆满成功。
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21-24.
( 上接第6 页)
后果严重，为此，提出了深基坑支护的冗余度问题，
并对支护结构体系的冗余度进行了讨论，提出了冗
余度的分类。
参考文献:
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