土釘支護(hù)在鄭州金成紫荊大廈基坑工程中的應(yīng)用

馮志先，梁姝穎，齊 艷

（天津市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，天津 300204）

0 引言

現(xiàn)代土釘支護(hù)技術(shù)是20 世紀(jì)70 年代在新奧法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種支護(hù)技術(shù)。 土釘支護(hù)是由被加固土體、放置在其中的土釘體和噴射混凝土面層共同組成的一種擋土結(jié)構(gòu)。 其特點(diǎn)是沿通長(zhǎng)與周?chē)馏w接觸，以群體起作用，與周?chē)馏w形成一個(gè)組合體，在土體發(fā)生變形的條件下，通過(guò)與土體接觸界面上的黏結(jié)力或摩擦力，使土釘被動(dòng)受拉，并主要通過(guò)受拉工作給土體以約束加固或使其穩(wěn)定。 在基坑開(kāi)挖中，土釘支護(hù)已成為樁、墻、撐、錨支護(hù)之后又一項(xiàng)較為成熟的支護(hù)技術(shù)[1]。

1 工程概況

擬建的金成紫荊大廈位于鄭州市紫荊山路與商城路交叉口西南角，場(chǎng)區(qū)概況如圖1 所示。該工程為高層商住樓，地上24 層，地下2 層，高度86.4 m，總建筑面積約10 萬(wàn)m2，基坑開(kāi)挖深度為9 m。 底層平面尺寸呈圓形，直徑72 m，框剪結(jié)構(gòu)，采用CFG 復(fù)合地基。 基坑分兩次開(kāi)挖，第一次深度為6 m，是為方便CFG 樁施工而開(kāi)挖的。 第二次深度達(dá)到9 m，即基底設(shè)計(jì)標(biāo)高。

1.1 工程特點(diǎn)

圖1 鄭州金城紫荊大廈施工現(xiàn)場(chǎng)平面圖Fig.1 Construction spot planar graph of Jinchengzijing building of Zhengzhou

該基坑支護(hù)工程主要有以下4 個(gè)特點(diǎn)：（1）基坑深、難度大。垂直開(kāi)挖深度為9m，是鄭州市同類(lèi)工程中開(kāi)挖最深的工程之一。（2）環(huán)境條件復(fù)雜。工程區(qū)南側(cè)法院東街對(duì)面是明潭加油站，設(shè)備荷載大，東側(cè)緊鄰紫荊大道，北側(cè)5m 為商城路，沿路埋設(shè)了上下水和電纜等管線，西臨商城路住宅小區(qū)。周?chē)h(huán)境對(duì)基坑變形較為敏感，不允許有較大變形，因此控制基坑變形是支護(hù)的關(guān)鍵。（3）第一次和第二次開(kāi)挖間隔為6 個(gè)月，基坑長(zhǎng)時(shí)間暴露，必然會(huì)帶來(lái)各種不利影響。 第二次開(kāi)挖深度在地下水位以下，需要降水，又正逢汛期，降雨可形成較大的地表徑流。 另外，排污管道滲漏水也可通過(guò)結(jié)構(gòu)松散、透水性好的雜填土、粉土、粉細(xì)沙滲入基坑。因此，降水防滲，防止坡角和土釘施工中涌水、涌沙現(xiàn)象，也是保證支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重點(diǎn)。 （4）基坑平面為圓形，在每步土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成之后，形成一個(gè)非閉合的擋土拱圈。而產(chǎn)生拱圈效應(yīng)有利于邊坡的穩(wěn)定， 其性能較常規(guī)土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)將有所提高。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)鉆探揭露、原位測(cè)試及土工試驗(yàn)資料，基坑及其影響范圍內(nèi)的地層特性如下：第一層為素填土，灰褐色至黑色， 結(jié)構(gòu)松散， 淺部多為磚碴等建筑垃圾，平均層厚3.8 m。 第二層為粉土，褐黃色，局部灰黃色，濕，稍密～中密，層厚0.5～3.5 m。第三層以粉土為主，部分地段為粉細(xì)沙，黃褐色，濕，中密～密實(shí)，層厚0.8～5.7 m。 第四層為粉沙，灰褐黃色，飽和，中密～密實(shí)，局部松散，層厚1.6～6.6 m。第五層為粉土，褐黃色，灰黃褐色，濕，中密～密實(shí)，含少量鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)，層厚1.0～3.3 m。第六層為粉細(xì)沙，褐黃色，飽和，密實(shí)，含鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)，層厚2.5～7.3 m。

1.3 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地勘察期間，地下水位埋深為6.9～7.2 m，屬第四系松散層孔隙潛水，主要受大氣降水及徑流補(bǔ)給影響。

2 土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析和計(jì)算

在一般情況下，土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)以安全系數(shù)為準(zhǔn)則。 對(duì)臨時(shí)性結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)安全系數(shù)一般大于或等于1.3；對(duì)于永久性工程結(jié)構(gòu)，一般大于1.5。

2.1 滑裂面選取

目前，常用的滑動(dòng)面有楔體滑動(dòng)面、圓弧滑動(dòng)面、對(duì)數(shù)螺旋曲線滑動(dòng)面3 種。 在土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及設(shè)計(jì)中，工程界大多采用圓弧滑動(dòng)法。 本工程采用瑞典條分法計(jì)算邊坡最危險(xiǎn)滑裂面，對(duì)每個(gè)土條進(jìn)行極限平衡分析，得出邊坡喪失穩(wěn)定性安全系數(shù)最小的危險(xiǎn)滑裂面。 計(jì)算公式為

式中：Fs為穩(wěn)定安全系數(shù)；ci為第i 條土滑動(dòng)面上的凝聚力；Li為第i 條土條弧長(zhǎng)；qi為第i 條土頂面作用的荷載；Wi為第i 條土自重力；αi為第i 條土弧線中點(diǎn)切線與水平線夾角；φi為第i 條土條滑動(dòng)面上的內(nèi)摩擦角；bi為第i 條土條的寬度。

采用工程軟件、選取不同的圓心坐標(biāo)進(jìn)行試算，當(dāng)圓心橫坐標(biāo)X1＝-17.647、縱坐標(biāo)Y1＝12.089、半徑R＝20.761，圓弧與坡面(或坡底)交點(diǎn)橫坐標(biāo)X2＝0.000、縱坐標(biāo)Y2＝1.152，圓弧與坡頂交點(diǎn)橫坐標(biāo)X3＝2.514、縱坐標(biāo)Y3＝9.000 時(shí)，得到天然土坡的最小安全系數(shù)Fs＝0.404。 此圓弧即為最危險(xiǎn)滑裂面。

2.2 內(nèi)部穩(wěn)定性分析

滑裂面可能出現(xiàn)在支護(hù)內(nèi)部，可以穿過(guò)全部或部分土釘，底部通常與坡角相交。 按上面所確定的圓弧滑裂面，采用條分法進(jìn)行穩(wěn)定性分析。 分析時(shí)，可取單位長(zhǎng)度，按式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：Wi、Qi為作用于土條i 的自重和地表荷載；αi為土條i 圓弧破壞面切線與水平面的夾角；Δi為土條i 的寬度；φi、ci為土條i 圓弧破壞面所處第j層土的內(nèi)摩擦角和凝聚力；TRK為破壞面上第k 排土釘?shù)淖畲罂沽Γ沪耴為破壞面上第k 排土釘軸線與該處破壞面切線之間的夾角，所處土層為第j 層；Sh為土釘?shù)乃介g距。

分析計(jì)算時(shí)，地面荷載取值考慮了堆載和動(dòng)荷載的影響。 地層力學(xué)參數(shù)在原勘察報(bào)告的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了折減。 按（2）式進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得Fs＝1.631，符合安全要求。

2.3 外部穩(wěn)定性分析

根據(jù)重力式擋墻的方法計(jì)算簡(jiǎn)化擋土墻的抗滑穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性和墻底部土的承載能力。 抗滑安全系數(shù)KH＝4.230， 抗傾覆安全系數(shù)KQ＝3.510，支護(hù)外部穩(wěn)定性滿足要求。

2.4 計(jì)算結(jié)果

1）土釘設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)土釘支護(hù)剖面圖(見(jiàn)圖2)。鉆孔直徑為15cm，水泥砂漿強(qiáng)度等級(jí)為M20，水灰比≤0.5，根據(jù)工況可適量摻加外加劑。

圖2 土釘支護(hù)剖面圖Fig.2 Soil nail supporting section

2）支護(hù)面層為厚70～80 mm 的網(wǎng)噴混凝土，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，采用φ6@230×230 鋼筋網(wǎng)片，加強(qiáng)筋采用φ18，沿土釘端部布置。

3）防水系統(tǒng):（1）在支護(hù)面層背部設(shè)置水平間距為2 m、 長(zhǎng)度為50 cm 的水平塑料排水管， 管壁帶孔，內(nèi)填濾水材料，將其插入邊壁土體。 （2）基坑地表水的防滲。 可在基坑周邊近邊坡處地表作1.0 m泛水層，與土釘面網(wǎng)參數(shù)相同。 （3）為排除積聚在基坑內(nèi)的滲水，在坑底設(shè)置排水溝及集水坑，離邊壁0.5～1.0 m。

3 支護(hù)施工信息化監(jiān)測(cè)管理

信息化施工技術(shù)是運(yùn)用系統(tǒng)工程于施工之中的一種現(xiàn)代化施工管理方法，包括信息采集→信息分析處理→信息反饋→控制與決策 （調(diào)整設(shè)計(jì)、施工方案及采取相應(yīng)措施）[3]。 它是基坑支護(hù)施工的一個(gè)特點(diǎn)，也是確?；娱_(kāi)挖安全的措施。 監(jiān)測(cè)是信息化施工的重要一環(huán)。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

本基坑開(kāi)挖較深，為保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全可靠，將其對(duì)相鄰建筑物的影響限制在允許的范圍內(nèi)，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。 監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：（1） 布置水位觀測(cè)井。 （2）對(duì)鄰近建筑物進(jìn)行沉降觀察。 （3）進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè)。（4）設(shè)定警戒值。支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移達(dá)到開(kāi)挖深度的0.3%時(shí)，該變形值視為警戒值。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析與控制

通過(guò)對(duì)整個(gè)基坑工程系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，獲得了詳盡的基坑坡頂水平位移、地下水位、鄰近建筑物沉降變形及地質(zhì)條件的變化等資料，及時(shí)調(diào)整了施工工藝。 例如：根據(jù)土建施工需要，對(duì)塔吊部位進(jìn)一步加固；監(jiān)測(cè)土層變化，對(duì)易坍塌的無(wú)黏結(jié)力沙土，采取邊壁修整后先噴一薄層混凝土、然后設(shè)置土釘?shù)姆椒ǎs短了邊壁土體的裸露時(shí)間，防止了土體的坍塌；施工中考慮到紫荊山路安全和超載對(duì)基坑安全的負(fù)面影響，在東側(cè)部分地段采取了加設(shè)地錨措施等。

4 圓形支護(hù)結(jié)構(gòu)的性能分析

本基坑土釘支護(hù)完成后，形成一個(gè)非閉合巨厚圓拱（局部放坡作運(yùn)土通道）。 水平圓拱的作用使土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)性能有了許多新的特點(diǎn)。

4.1 支護(hù)完成后形成的巨厚圓拱特點(diǎn)

（1）圓形基坑的對(duì)稱(chēng)性和支護(hù)結(jié)構(gòu)上荷載的對(duì)稱(chēng)性，可使巨厚圓拱四周土壓力大部分達(dá)到自身平衡。

（2）土釘支護(hù)加固范圍內(nèi)的土體，形成圓形巨厚類(lèi)重力式擋墻，類(lèi)似于彈性力學(xué)中的圓筒受均布荷載。 作用于擋墻上的主動(dòng)土壓力為均布荷載，它隨深度和土層性質(zhì)而變化。

（3）土釘支護(hù)分步施工，每開(kāi)挖步驟完成后，形成拱圈，承受該道拱圈高度內(nèi)的土壓力，拱圈之間不相互影響。

4.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)性能

（1）巨厚圓形擋土墻利用土體自身的起拱作用，有效地減小了作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力。 圓形支護(hù)土壓力分布如圖3 所示。

圖3 圓形支護(hù)土壓力分布Fig.3 Round supporting soil stress distribution

（2）土釘支護(hù)形成的圓拱，增強(qiáng)了支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少了開(kāi)挖對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。

這個(gè)巨厚型圓拱的受力特點(diǎn)和支護(hù)性能，也區(qū)別于閉合擋土拱圈。 閉合擋土拱圈最常用的是橢圓形或拋物線組合拱圈，拱圈厚度一般不大，是以受壓為主的結(jié)構(gòu)，可將土壓力對(duì)圓弧面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為軸應(yīng)力，且大部分可以自身平衡。 它對(duì)混凝土構(gòu)件抗壓強(qiáng)度有較高要求[2]。

5 結(jié)語(yǔ)

深基坑工程是一項(xiàng)高技術(shù)含量、高風(fēng)險(xiǎn)性工程，其成敗關(guān)系到整個(gè)工程能否順利進(jìn)行、周邊環(huán)境能否正常使用和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。 紫荊大廈基坑開(kāi)挖及支護(hù)工程，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)、信息管理、科學(xué)施工，順利地完成了施工任務(wù)。 回顧過(guò)去的施工經(jīng)歷，有以下體會(huì)：

（1）本工程確定支護(hù)方案時(shí)，根據(jù)基坑深度、周邊環(huán)境及地質(zhì)情況，按照安全經(jīng)濟(jì)、節(jié)省工期的原則，進(jìn)行了多種方案的比較，發(fā)現(xiàn)不同的支護(hù)造價(jià)和工期差別很大。 而土釘支護(hù)方案比其他支護(hù)形式節(jié)省造價(jià)1/3 左右， 土方工程和基坑支護(hù)可同時(shí)施工，從而縮短工期。

（2）第一次開(kāi)挖和樁基施工期間，土釘支護(hù)承受了超載、動(dòng)載、振動(dòng)等諸多不利因素的影響，支護(hù)性能穩(wěn)定，基坑坡面最大水平位移不到8 mm。 第二次支護(hù)結(jié)束后，最大水平位移為12 mm，經(jīng)過(guò)7、8 月大雨的考驗(yàn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)、周?chē)慕ㄖ锖徒值谰鶡o(wú)異常。

（3）信息化施工是深基坑施工的重要手段和必要措施。

（4）選擇支護(hù)方案時(shí)，在基坑四周允許起拱的條件下，可以采用閉合或近閉合的拱圈來(lái)支擋土壓力，充分發(fā)揮圓形、橢圓形、拋物線和拱形的力學(xué)性能[2]。

（5）在鄭州地區(qū)采用土釘支護(hù)的基坑中，本工程的開(kāi)挖深度最大。 它的成功，豐富了鄭州地區(qū)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的方法，對(duì)深基坑土釘支護(hù)設(shè)計(jì)與施工有較高的參考價(jià)值，必將產(chǎn)生良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 陳肇元， 崔京浩. 土釘支護(hù)技術(shù)在基坑工程中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

[2] 趙錫宏，陳志明，胡中雄，等. 高層建筑深基坑圍護(hù)工程實(shí)踐與分析[M]. 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1996.

[3] 秦四清，萬(wàn)林海，賈金祿，等. 深基坑工程優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京：地震出版社，1998.