在砂卵石地層深基坑支護(hù)中土釘墻技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

牟聯(lián)合， 馮升學(xué)

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

成都地區(qū)建筑物基坑施工由于受周邊建筑物的場(chǎng)地限制影響，以及建設(shè)工期和節(jié)省造價(jià)的要求,在深基坑臨時(shí)支護(hù)方式中，選擇使用土釘墻支護(hù)技術(shù)。土釘墻是由間距較小、長(zhǎng)度較短的土釘(注漿的錨管)、噴射混凝土面層和被加固土體組合而成的加筋式復(fù)合土體的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，因其工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)、施工簡(jiǎn)便、施工周期短、對(duì)場(chǎng)地要求較小等特點(diǎn)，在高邊坡工程、深基坑工程中得到了廣泛的應(yīng)用，上世紀(jì)90年代后逐漸應(yīng)用于高層建筑的深基坑開(kāi)挖的支護(hù)工程中，但在砂卵石地層深基坑支護(hù)方案采用土釘墻支護(hù)的施工難度較大，有一定設(shè)計(jì)技術(shù)水準(zhǔn)。通過(guò)一工程實(shí)例，探討了在砂卵石地層中采用土釘墻支護(hù)的設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 基本情況

某大樓位于光華大道南側(cè)，正北面為溫江花博會(huì)主會(huì)場(chǎng)，距溫江城區(qū)約1 km；擬建建筑物包括19層的辦公主樓(1號(hào)樓)和2層的檔案館及會(huì)議中心(5號(hào)樓)等，1號(hào)樓部分設(shè)置2層地下室，5號(hào)樓部分設(shè)置1層地下室，兩部分基坑在地下室一層連為一整體，基坑形狀呈“L”形。1號(hào)樓基坑坑底標(biāo)高為-11.50 m，5號(hào)樓基坑坑底標(biāo)高為-6.80 m，地面標(biāo)高為-0.80 m，基坑開(kāi)挖深度分別為10.70 m和6.00 m?；A(chǔ)形式采用筏形基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)類型為剪力墻結(jié)構(gòu)。為保證結(jié)構(gòu)施工時(shí)基坑邊坡穩(wěn)定及場(chǎng)地周邊設(shè)施、建筑物安全，決定在基坑開(kāi)挖時(shí)采用土釘墻進(jìn)行支護(hù)(見(jiàn)表1)。

表1 基坑概況

1.2 工程地質(zhì)

場(chǎng)地處于成都平原中部，該區(qū)域構(gòu)造屬新華夏系第三沉降帶四川盆地西部，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造和地震活動(dòng)較微弱，歷史上未發(fā)生過(guò)強(qiáng)烈地震，從地殼穩(wěn)定性來(lái)看應(yīng)為穩(wěn)定區(qū)。根據(jù)勘察所揭露深度40.2 m范圍內(nèi)地層，表層為耕植土層，下部為第四系更新統(tǒng)沖洪積層(粉質(zhì)黏土、砂層及卵石層)?；邮┕し秶鷥?nèi)大部分為砂卵石地層,各層的巖性特征如下：

耕植土①層：淺黃色、灰黑色，干～稍濕，松散。主要由黏性土組成，含大量植物根系，場(chǎng)地內(nèi)廣泛分布，層厚0.40～1.30 m。

粉土②層：灰黃色、淺黃色、灰色，稍濕，松散。主要由粉粒組成，含部分黏粒，場(chǎng)地內(nèi)廣泛分布，層厚0.40～3.2 m，埋深0～1.5 m。

粉質(zhì)黏土③層：灰黃色﹑淺黃色﹑黃褐色，稍濕，松散。主要由黏粒和粉粒組成，層厚0.50～1.60 m。

細(xì)砂④1層：灰色、灰白色、淺灰色，稍濕，松散。主要由石英、長(zhǎng)石、云母片和大量暗色礦物組成。主要分布于卵石層頂部，個(gè)別地段漸變?yōu)橹猩盎虼稚埃植紡V泛，厚度變化大，層厚0.20～1.3 m，埋深0.50～2.6 m。

中砂④2層：褐黃、褐灰、黃灰色，很濕～飽和，松散。以長(zhǎng)石、石英為主，含少量云母片、暗色礦物，其中混有少量卵石及圓礫。該層呈薄層或透鏡體狀不規(guī)則分布于卵石層中，層厚0.5～2.9 m，埋深0.70～21.1 m。

卵石⑤層：母巖成分以花崗巖、石英巖、閃長(zhǎng)巖為主，一般粒徑3～10 cm，最大粒徑20 cm左右。上部花崗巖呈中～強(qiáng)風(fēng)化。充填物以中細(xì)砂為主。磨圓度、分選性中等，各段卵石含量不均勻，大部分在50%以上，有愈向深處愈為密實(shí)的趨勢(shì)。卵石層埋深0.5～3.7 m。

1.3 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地地下水主要賦存于第四系砂卵石層中，屬孔隙潛水，受大氣降水及地下水徑流補(bǔ)給，場(chǎng)地內(nèi)地下水位埋深5.5～6.9 m，在進(jìn)行地下水位以下基坑開(kāi)挖施工前進(jìn)行基坑降水，將地下水位降至開(kāi)挖底面以下。

2 土釘墻支護(hù)的作用原理

土體的抗剪強(qiáng)度較低，抗拉強(qiáng)度幾乎為零，但土體具有一定的整體性，在基坑開(kāi)挖時(shí)可使土體保持直立的臨界高度，超過(guò)這個(gè)高度將發(fā)生突發(fā)性、整體性破壞。在土體中放置土釘與土共同工作，形成復(fù)合土體，有效地提高土體的整體剛度，彌補(bǔ)土體抗拉、抗剪強(qiáng)度的不足。通過(guò)相互作用和應(yīng)力重分布，使土體自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的潛力得到充分發(fā)揮，改變土體破壞形態(tài)。

3 土釘墻設(shè)計(jì)

由于基坑距已有建筑較遠(yuǎn)，地表載荷較小，且具備一定的放坡開(kāi)挖條件，根據(jù)場(chǎng)地所處位置、巖土工程條件和施工條件，結(jié)合成都市區(qū)常用的、既經(jīng)濟(jì)又安全的基坑支護(hù)方式，并經(jīng)多種支護(hù)方式的分析比較，確定采用土釘墻支護(hù)方案。支護(hù)段周長(zhǎng)約725 m，護(hù)壁高6.0～10.7 m，總支護(hù)面積約6 967 m2。

3.1 土釘支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

(1)巖土物理力學(xué)參數(shù)。支護(hù)設(shè)計(jì)所需的巖土物理力學(xué)參數(shù)按巖土工程勘察報(bào)告選用。

(2)放坡寬度。根據(jù)場(chǎng)地施工條件和土釘墻支護(hù)的特點(diǎn)，基坑開(kāi)挖放坡寬度為2.6～2.8 m，局部1.8 m。

(3)開(kāi)挖深度。擬建建筑地下室頂板標(biāo)高相對(duì)±0.000的高程為-5.85和-9.90 m，需開(kāi)挖至-6.80～-11.50 m。根據(jù)場(chǎng)地現(xiàn)狀基坑開(kāi)挖深度為6.0～10.7 m，局部4.7 m。

(4)地表堆載。在基坑開(kāi)挖和基礎(chǔ)施工過(guò)程中，場(chǎng)地周邊會(huì)堆放一些建筑材料以及施工機(jī)具和人員的通行，地表堆載按均布荷載考慮，均布荷載q0取5 kN/m2。

3.1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算

(1)地表堆載q0引起的側(cè)壓力σ0k，用公式(1)計(jì)算。

σ0k=q0

(1)

(2)自重豎向應(yīng)力σrk。

①計(jì)算點(diǎn)位于基坑開(kāi)挖面以上時(shí)，用公式(2)計(jì)算:

σrk=γmjzj

(2)

式中γmj——深度zj以上土的加權(quán)平均天然重度。

②計(jì)算點(diǎn)位于基坑開(kāi)挖面以下時(shí)，用公式(3)計(jì)算:

σrk=γmhh

(3)

式中γmh——開(kāi)挖面以上土的加權(quán)平均天然重度；

h——基坑開(kāi)挖深度。

(3)基坑外側(cè)豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值σajk，用公式(4)計(jì)算。

σajk=σ0k+σ1k+σrk

(4)

(4)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值eajk。

①當(dāng)計(jì)算點(diǎn)位于地下水位以上時(shí)，用公式(5)計(jì)算:

eajk=σajkKai-2cik(Kai)1/2

(5)

②計(jì)算點(diǎn)位于地下水位以下時(shí)，用公式(6)計(jì)算:

eajk=σajkKai-2cik(Kai)1/2+[(zj-hwa)-(mj-hwa)ηwaKai]γw

(6)

式中Kai——第i層土的主動(dòng)土壓力系數(shù)；Kai=tg2(45-φik/2);

φik——第i層土的內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值；

cik——第i層土的黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值；

hwa——基坑外側(cè)水位深度；

ηwa——計(jì)算系數(shù)；

mj——計(jì)算參數(shù)；

γw——水的重度；

h——基坑開(kāi)挖深度。

(5)單根土釘抗拉承載力計(jì)算，用公式(7)計(jì)算。

1.25γ0Tjk≤Tuj

(7)

Tjk=ζeajkSxiSzi/cosαj

Tuj=(πdnj∑qsikli)/γs

式中Tjk——第j根土釘受拉荷載標(biāo)準(zhǔn)值；

Tuj——第j根土釘抗拉承載力設(shè)計(jì)值；

ζ——荷載折減系數(shù)；

Sxi、Szi——第j根土釘與相鄰?fù)玲數(shù)钠骄?、垂直距離；

αj——第j根土釘與水平面的夾角；

dnj——第j根土釘錨固體直徑；

qsik——土釘穿越第i層土體與錨固體極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

li——第j根土釘在直線破裂面外穿越第i層穩(wěn)定土體內(nèi)的長(zhǎng)度。

3.2 土釘墻整體穩(wěn)定性分析

土釘墻應(yīng)根據(jù)施工期間不同開(kāi)挖深度與基坑地面以下可能滑動(dòng)面采用圓弧滑動(dòng)簡(jiǎn)單條分法按下式進(jìn)行整體穩(wěn)定性驗(yàn)算，用公式(8)計(jì)算：

∑cikLi+s∑(wi+q0bi)cosθitgφik+∑Tnj×[cos(αj+θj)+sin(αj+θj)tgφik/2]-sγkγ0∑(wi+q0bi)sinθi≥0

(8)

Tnj=πdnj∑qsiklni

式中Tnj——第j根土釘在圓弧破裂面外錨固體與土體的極限抗拉力；

lni——第j根土釘在圓弧破裂面外穿越第i穩(wěn)定土體內(nèi)的長(zhǎng)度。

3.3 設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算參數(shù)和依據(jù)進(jìn)行計(jì)算，具體確定的支護(hù)技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)基坑土釘墻護(hù)壁段總長(zhǎng)度為725 m，護(hù)壁面積約6 920 m2，護(hù)頂寬度1.0 m，局部0.7 m。第一排距地面1.0～1.2 m，豎向間距1.5 m，水平間距1.2～1.5 m，土釘傾角為15°。具體布置見(jiàn)表1。

(2)土釘是選用直徑Ф48、壁厚3.3 mm的鋼管，且管壁預(yù)鉆Ф8的灌漿梅花孔洞，管內(nèi)灌注0.5 ∶1純水泥漿構(gòu)成，土釘外露端部用縱、橫向加強(qiáng)筋均為Ф14；基坑深度4.7 m和6 m的鋼筋網(wǎng)為Ф6.5、間距為300 mm×300 mm，基坑深度10.7 m的鋼筋網(wǎng)為Ф8、間距為200 mm×200 mm，所有鋼筋網(wǎng)翻卷寬度1.0 m，其上作護(hù)頂。

噴射C20細(xì)石素混凝土，厚度100 mm；設(shè)置排水管采用Ф30PVC管，長(zhǎng)度500 mm，縱橫向間距3 m。

表1基坑各斷面土釘支護(hù)布置

基坑斷面土釘排數(shù)土釘長(zhǎng)度/m豎向間距/m橫向間距/mD1712、11、11、10、8、6、51.51.2D2710、10、9、8、7、6、51.51.5D3711、9、8、7、7、6、51.51.5D4710、9、9、8、8、6、51.51.5D5710、9、9、8、7、6、41.51.5D649、8、7、61.51.5D746、5、4、31.51.5D846、5、4、41.51.5D935、4、31.51.5D10711、11、10、9、8、6、51.51.5D11711、9、9、8、7、6、41.51.5

4 土釘墻的主要施工

工程施工于2007年6月開(kāi)始，10月結(jié)束；土方開(kāi)挖采用“先周邊，后中間”原則，分段開(kāi)挖，作業(yè)面在水平方向上按20 m距離分段開(kāi)挖?；又ёo(hù)施工在每一層周邊開(kāi)挖完成后進(jìn)行，與該層中間的開(kāi)挖交叉施工，每層的開(kāi)挖深度控制在1.5～1.8 m以內(nèi)，在遇含砂層時(shí)控制在1 m以內(nèi)。

4.1 主要設(shè)備和人員投入(見(jiàn)表2)

電動(dòng)空壓機(jī)額定功率55 kW，混凝土噴射機(jī)7.5 kW，電焊機(jī)20 kW，注漿機(jī)11 kW，灰漿攪拌機(jī)7.5 kW，砂輪切割機(jī)2.5 kW。

4.2 土釘結(jié)構(gòu)示意(見(jiàn)圖1)4.3 工藝流程

主要施工工藝流程為：

圖1 錨管土釘

土方開(kāi)挖→人工清坡到位→錨桿機(jī)就位→土釘施工→掛鋼筋網(wǎng)及焊接加強(qiáng)筋→噴射混凝土→一次土釘灌漿→待凝→二次灌漿→下一層土方開(kāi)挖的循環(huán)順序進(jìn)行施工作業(yè)。

表2 勞動(dòng)力及施工機(jī)具

當(dāng)施工遇見(jiàn)純砂層或砂卵石地層時(shí)，則在人工清坡后錨桿施工前進(jìn)行初噴混凝土及掛鋼筋網(wǎng)，以防止砂(卵)石層坍塌。

4.4 土釘墻施工過(guò)程控制要點(diǎn)

(1)在基坑邊坡分層分段開(kāi)挖后，應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)土釘墻施工，防止開(kāi)挖邊坡的長(zhǎng)時(shí)間裸露，尤其是砂層要及時(shí)素噴覆蓋。

(2)土釘施工前按設(shè)計(jì)要求定出位置并作標(biāo)記和編號(hào)，位置誤差小于150 mm，土釘傾角誤差小于3°，孔深誤差小于+200 mm、-50 mm，土釘施工過(guò)程中遇障礙物或難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，可適當(dāng)調(diào)整位置或增加土釘數(shù)量。

(3)錨管的注漿質(zhì)量是保證土釘拉拔力的關(guān)鍵，嚴(yán)格控制注漿質(zhì)量，主要抓好對(duì)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)及注漿壓力的控制，在每一次灌漿結(jié)束且終凝后，即可進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿。

(4)噴射混凝土順序自下而上進(jìn)行，噴頭與受噴面距離0.8～1.5 m，射流方向與噴射面垂直，鋼筋部位應(yīng)先噴填鋼筋后方，再噴面層覆蓋?；炷两K凝后，應(yīng)噴水精心養(yǎng)護(hù)。

(5)對(duì)于場(chǎng)地分布有細(xì)砂、中砂地段，應(yīng)嚴(yán)格控制土方開(kāi)挖深度不超過(guò)1.5 m，并挖探槽，若層厚超過(guò)1.0 m，應(yīng)先做斜管，注漿24 h后才開(kāi)挖下一層；現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備一定數(shù)量裝滿砂的紡織袋及撐木，以備急用于土質(zhì)差地段(淤泥、砂層、雜填土、人工填土等)或嚴(yán)重滲水地段，土方開(kāi)挖及噴錨支護(hù)過(guò)程中，應(yīng)隨時(shí)觀察坑壁坑頂有無(wú)裂縫及其變化情況，若有變化，采取加固措施。

(6)在基坑支護(hù)期，直至地下室回填，堅(jiān)持做好基坑邊坡變形觀測(cè)，在基坑周圍平均布置了15個(gè)變形觀測(cè)點(diǎn)，在基坑成型初期每天觀測(cè)1次，在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形趨于穩(wěn)定后，3天至1周觀測(cè)1次，若出現(xiàn)位移值較大等異常情況應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理，從變形觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，除剛提到的變形觀測(cè)點(diǎn)最大為28 mm外，其余各段變形值都較小，說(shuō)明土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)整體上是穩(wěn)定的。

(7)對(duì)于第一排土釘距地表大于2 m或地層松軟的地段，加設(shè)Φ16地表錨拉筋；在距坡口6～10 m以外打Φ50的鋼錨拉桿，并與邊坡鋼筋網(wǎng)上的Φ16鋼筋連接，垂直錨桿間距3～5 m，以預(yù)防坡頂?shù)淖冃巍?/p>

(8)要做好坡頂排水和防水工作，在坡頂1.5 m范圍內(nèi)，用15 cm水泥砂漿封口，避免水滲漏沖刷邊坡，引起邊坡失穩(wěn)；特別要做好基坑周邊降水設(shè)施的有效運(yùn)行，雨季坡頂?shù)呐潘ぷ?，確?；舆吰轮ёo(hù)期的安全。

(9)地表堆載：在基坑開(kāi)挖和基礎(chǔ)施工過(guò)程中，場(chǎng)地周邊會(huì)堆放一些建筑材料以及施工機(jī)具，地表堆載按均布荷載考慮，均布荷載q0控制在5 kN/m2以內(nèi)。

(10)遇密實(shí)砂卵石層或粒徑大于15 cm的卵石，采用錨桿機(jī)鉆進(jìn)時(shí)，鉆進(jìn)至4～5 m深后，錨桿很難繼續(xù)鉆進(jìn)，該工程中遇到此類問(wèn)題，只有移孔位、采取人工掏孔或增補(bǔ)錨桿措施，沒(méi)有其他更好的處理方法。

5 結(jié) 語(yǔ)

該項(xiàng)目土釘墻支護(hù)工程設(shè)計(jì)和施工為建筑主體的順利實(shí)施提供了充分的保障和條件，期間經(jīng)受了“5·12”汶川大地震沖擊的安全考驗(yàn)，為在砂卵石地層實(shí)施土釘墻方案提供了成功的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在砂卵石地層深基坑支護(hù)中土釘墻技術(shù)得到了很好的應(yīng)用。