基坑的开挖按其坑壁结构可分为直壁无支撑开挖、直壁内支撑开挖和直壁拉锚开挖。
(一)直立壁无支撑开挖
这是一种重力式坝体结构,一般采用水泥土搅拌桩作坝体材料,也可采用粉喷桩等复合桩体作坝体。重力式坝体既挡土又止水,给坑内创造宽畅的施工空间和可降水的施工环境。
(二)直壁内支撑开挖
在基坑深度大、地下水位高、周围地质和环境又不允许做拉锚和锚杆的情况下,一般采用直壁内支撑开挖形式。基坑采用内支撑,能有效控制侧壁的位移,具有较高的安全度。只要支撑结构布置得当,一般不会对坑内的机械化挖土产生很大的制约,仍能保持良好的机械化作业程度。
(三)直壁拉锚开挖
当周围的环境和地质可以允许进行拉锚和采用土层锚杆时,应选用此方式。由于直壁拉锚开挖坑内的施工空间宽畅,容易组织不同的施工方案,进行优化比较,因此可加快挖土施工速度。
如果采用直立壁无支撑开挖,重力坝采用水泥土搅拌桩等复合材料,基坑深度在5~6m,可采用反铲挖土机配合运土卡车在地面作业。由于采用止水重力坝的基坑,地下水位一般都比较高,因此很少使用正铲下坑挖土作业。
当基坑深度大且直立壁必须加支撑或拉锚时,土方开挖的施工工艺必须与支撑结构形式、平面布置相配套。如采用周边桁架支撑形式,可拟定岛式挖土方案,先行挖去周边土层,进行桁架式支撑结构的架设或浇筑,待周边支撑形成后再开挖中间岛区的土方,利用中间岛区的土方对开挖中基坑中心区域底部的压力来有效控制周边围护壁在支撑前的初始变形,能获得令人满意的效果。当采用十字对撑式支撑形式时,由于支撑设置后会对下层土方开挖的机械化作业产生一定的限制,所以常拟定盆式开挖的施工方案。在尽量多挖去下层中心区域的土方后,架设十字对撑式钢支撑并施加预紧力,或在挖去本层中心区域土方后,浇筑钢筋混凝土支撑,并逐个区域挖去周边土方,逐步形成对围护壁的支撑。这时使用的机械一般为反铲和抓铲挖土机。
当基坑深度大,但周围土层地质条件适宜用锚杆或锚钉作围护壁的支承点,则基坑内的挖土作业条件比较宽畅,一般按锚杆设置位置进行分层开挖,每层开挖深度需满足锚杆施工机械的作业,挖土过程可进行各种优化,挖土机械的配置较为容易,因为施工空间较大。
(一)挖土栈桥
大型基坑挖土施工时,合理地设置栈桥,对解决施工场地紧张,便于挖土机械及运土车辆的开行是十分有效的。当采用抓铲施工时,栈桥的作用更为显著。挖土栈桥一般与上道支撑合二为一,这样可充分利用支撑结构,既可缩短工期,又降低了造价。
栈桥的受力路径为:挖土机械、满载的车辆及路基箱自重等传递至水平支撑,由支撑传到立柱,再传至立柱桩和下卧地基土。
计算荷载应考虑动荷载的效应系数,但不必考虑移动荷载及各跨荷载分布的不利组合,这是因为施工中是按限定施工顺序进行开挖的。
栈桥的宽度应考虑机车的最大宽度并增加 1~2m的行车间隙,一般可取 5m左右。这样的宽度对路基箱的受力较为有利,栈桥的纵向跨度应根据立柱设置状况确定,一般可取6~9m。主支撑间宜设置联系梁,使其连成整体。专为栈桥设计的立柱桩应进行验算,如利用工程桩,则一般可不作验算,因为与主体结构相比,栈桥施工阶段作用于立柱桩的荷载要小得多。
(二)挖土坡道
在多道支撑条件下开挖土方,由于受支撑的影响,下层土方运输十分困难,有时需用多台反铲挖土机驳运,大大影响施工效率。设置挖土坡道,使运土车辆下坑,既便于运土,又大大提高运输效率。但由于卡车爬坡的坡度不能过大,因此坡道需有一定的长度,故在小型基坑中难以实现。
挖土坡道多采用钢结构。在坡道两侧设置支承立柱,其上架设钢桁架,再铺设路基箱,由此组成一个挖土坡道。在土方开挖过程中,支承立柱间加设系杆,以保证坡道的整体稳定。
支承立柱的设置与栈桥立柱相同,也可采用格构式或H型钢等,前者则需另设立柱桩。
坡道的坡度不宜大于10° ,一般取6°~8° ,坡道过陡,会使卡车爬坡困难,甚至爬不上坡。为便于卡车上坡,应在坡面上焊接棍肋防滑,此外,在两侧应安装防护栏杆。
坡道的宽度应保证车辆正常行驶,可取车身宽度加2m。坡道底端应有平台,以便挖土机械及卡车的依靠及回转。