土釘墻與逆作拱墻復合支護體系在某超深錨碇基坑中的應用分析

鄧君君，王家斌，關(guān)鍵超

(柳州市勘察測繪研究院，廣西柳州 545006)

土釘墻與逆作拱墻復合支護體系在某超深錨碇基坑中的應用分析

鄧君君?，王家斌，關(guān)鍵超

(柳州市勘察測繪研究院，廣西柳州 545006)

對于某些超深基坑，若僅僅采用某種單一的支護形式，在安全性及經(jīng)濟性方面往往無法達到較佳的效果，而若要在安全性及經(jīng)濟性方面找到一個相對合理的平衡點，則往往需要采用多種支護形式結(jié)合的復合支護方案方可實現(xiàn)。本文介紹了土釘墻與逆作拱墻復合支護體系在某超深錨碇基坑中的成功應用，并簡要分析了該復合支護方案的設(shè)計計算，對某些超深基坑工程設(shè)計采用類似復合支護方案，具有一定的借鑒意義。

土釘墻；逆作拱圈；復合支護；超深基坑

1 前 言

隨著城市建設(shè)和工業(yè)的發(fā)展以及城市用地日趨緊張，更多的地下空間得以開發(fā)和利用，基坑開挖深度越來越大，基坑環(huán)境的復雜化以及工程地質(zhì)條件多樣化等諸多特點越發(fā)明顯，致使基坑工程的施工越發(fā)困難，支護成本亦越來越高。往往采用單一某種常規(guī)支護形式已難以滿足基坑工程支護，而需要采用多種支護方式相結(jié)合的復合支護方案，才能使基坑設(shè)計達到安全可行、經(jīng)濟合理的目的。

基坑工程是一項復雜而系統(tǒng)的工程，其設(shè)計內(nèi)容包含了圍護結(jié)構(gòu)、支撐系統(tǒng)、地下水控制、環(huán)境保護、土方開挖等等諸多內(nèi)容，且超深基坑工程其系統(tǒng)性表現(xiàn)尤為明顯。本文著重介紹作者參與設(shè)計的柳州市某大橋超深錨碇基坑的支護設(shè)計，并簡要分析設(shè)計過程中的結(jié)構(gòu)選擇及結(jié)構(gòu)受力計算等方面。在綜合考慮周邊環(huán)境、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件以及工期限制等因素下，并遵循安全可靠，經(jīng)濟合理的設(shè)計理念，該超深基坑的支護采用了土釘墻與逆作拱墻支護結(jié)合的復合支護方案，并取得了較好支護效果，創(chuàng)造了較佳的社會效益。

2 工程概況及基坑設(shè)計

2.1 工程概況

該項目大橋呈西北-東南走向橫跨柳江上，橋的西(北)岸位于鷓鴣江舊碼頭，南東(南)岸位于下茅洲屯以北。該主橋部分長510m，引橋長984.76m，道路部分長443.33m，立交總長1 436.8m。引橋?qū)挾?×18m，主橋全寬38m。根據(jù)大橋項目設(shè)計，需在南北兩岸各構(gòu)筑一個內(nèi)徑為28.5m，坑深達21.37m的錨碇基坑(本文僅分析南岸基坑)。南岸坑頂?shù)乇砑s89.0m標高，場地為柳江河二級沖積階地，基坑距柳江最小間距約100m，場地內(nèi)地下水與柳江水有明顯水力聯(lián)系，穩(wěn)定潛水水位77.0m，故坑底位于地下水位下9.37m。

勘察資料顯示，與南岸錨碇基坑工程相關(guān)巖土層情況如表1所示。

巖土層設(shè)計參數(shù)表 表1

2.2 基坑方案的選擇與設(shè)計

(1)基坑條件分析

根據(jù)分析。該基坑工程主要有以下幾方面特點:

①基坑開挖深度較大，且坑底位于地下水下9.37 m，支護結(jié)構(gòu)需承受水土壓力值較大。

②水面標高以上工程地質(zhì)條件及坑頂周邊環(huán)境相對較簡單，主要考慮西南側(cè)村民公共用地及東側(cè)施工通道、施工材料場地的安全，相對而言，坑頂四周有部分可利用空地，基坑周邊環(huán)境對位移變形要求不太嚴格。

③大部分地段坑底基本處于強風化基巖層，水位下坑壁及坑底地質(zhì)條件差異性大，且坑底巖面潛伏大，基巖巖溶現(xiàn)象發(fā)育，故需考慮基坑止水問題(具體止水方案本文不作介紹)。

(2)方案設(shè)計

根據(jù)基坑條件分析，結(jié)合地區(qū)工程經(jīng)驗，通過對技術(shù)、經(jīng)濟、及支護工期要求等方面比較，認為采用常規(guī)的某種單一支護方案，存在支護效果差，支護費用高等問題，且難以滿足業(yè)主對支護工期的嚴格要求。經(jīng)過多次論證，最終擬采用土釘墻與逆作圓形拱墻結(jié)合的復合支護方案，具體設(shè)計情況如下:

①分水上、水下兩部分考慮基坑支護體系，水位以上基坑采取土釘墻支護方案，水位以下基坑支護則采取在逆作圓形供墻+止水帷幕的支護體系，如圖1所示。

②施工設(shè)計方面，土釘墻支護施工要求嚴格執(zhí)行分層開挖，分層支護的施工原則；逆作拱圈按四級設(shè)計，要求“分段分層間隔實施”的施工原則，即分層開挖基礎(chǔ)上，須充分利用土體的時空效應，分段間隔實施土方開挖及支護施工。

圖1 基坑支護設(shè)計方案示意圖

a.土釘墻支護

依據(jù)文獻[1]相關(guān)理論，采用理正電算軟件輔助計算分析，土釘墻設(shè)計參數(shù)如表2所示。

土釘墻支護設(shè)計參數(shù)表 表2

b.逆作環(huán)形拱墻

考慮到該基坑77.0m標高下基坑條件較復雜，圍護結(jié)構(gòu)承受水平荷載亦較大，故利用二級平臺為施工平臺，預先在該平臺上，對基坑止水帷幕施工，通過土層旋噴樁及基巖內(nèi)壓力灌漿，在拱墻外側(cè)形成止水帷幕墻解決了基坑地下水問題，然后再分段分層開挖，邊開挖邊支護方式開展環(huán)形逆作拱圈施工。逆作拱墻分4道設(shè)計，各道高度分別為2.20m、2.60m、2.30m、2.27m，各道環(huán)形砼面板厚度分別為1.3m、1.20m、1.40m、1.60m。

3 基坑設(shè)計計算及其分析

3.1 土釘墻設(shè)計及其分析

土釘墻支護是由被加固土體、放置在其中的土釘筋體和噴射混凝土面層共同組成的一種擋土結(jié)構(gòu)[2]。與傳統(tǒng)支護相比，該支護方案在受力和結(jié)構(gòu)概念等方面有較大差異。其主要作用機制是充分利用原狀土的自承能力，把本來完全靠外加圍護結(jié)構(gòu)來支擋的被動土體，通過土釘技術(shù)的加固使其本身成為一個復合的擋土結(jié)構(gòu)[3]。由于其鮮明的經(jīng)濟性在國內(nèi)基坑工程中得到迅速推廣和應用，國內(nèi)外學者也對土釘墻支護做了大量的研究工作，也取得了豐富的研究成果，但目前仍存在著理論滯后于工程實踐現(xiàn)象。同時，實際工作中，由于標準化及安全管理等諸多現(xiàn)實因素的制約，設(shè)計人員基本上仍是需要按現(xiàn)有標準規(guī)范中的理論設(shè)計體系實施計算分析，同樣，該基坑設(shè)計是依據(jù)規(guī)程[1]相關(guān)設(shè)計計算理論，采用了電算軟件輔助計算分析的。在朗肯極限土壓力理論的基礎(chǔ)上，規(guī)程[1]中計算土釘墻的核心公式主要有下列兩式，其中，式(1)計算土釘抗拉標準值，式(2)分析土釘墻整體安全穩(wěn)定性。

可以看出，文獻[1]中設(shè)計理論是基于工程經(jīng)驗基礎(chǔ)上的極限力矩平衡分析理論，整體穩(wěn)定性分析采取圓弧滑動簡單條分法。

采取土釘墻支護地下水位以上基坑，主要是考慮其在本地區(qū)應用廣泛，推廣較多，是一種相對較成熟的技術(shù)方案，且本地區(qū)同類基坑條件下，作者負責參與設(shè)計過數(shù)十項此類施工案例，均取得成功。實踐證明，該支護方案在類似基坑條件下，具有良好的安全性及經(jīng)濟性，且能滿足業(yè)主對支護工期的嚴格要求。

3.2 逆作環(huán)形拱墻設(shè)計及其分析

逆作拱墻結(jié)構(gòu)是將基坑開挖成圓形、橢圓形等弧形平面，并沿基坑側(cè)壁分層逆作鋼筋混凝土拱墻，利用拱的作用將垂直于墻體的土壓力轉(zhuǎn)化為拱墻內(nèi)的切向力，以充分利用墻體混凝土的受壓強度。墻體內(nèi)力主要為壓應力，因此墻體可做得較薄，多數(shù)情況下不用錨桿或內(nèi)支撐就可以滿足強度和穩(wěn)定的要求。該深基坑計算中，視77.0 m標高平臺以上土釘墻支護部分為整體，且是安全穩(wěn)定的，按77.0 m標高考慮地下水，同時，以每層拱圈的中部位置水平荷載分別計算每層拱圈水平荷載值。依據(jù)規(guī)程[1]，結(jié)合文獻[4]相關(guān)理論分析，按均勻受力及不均勻受力兩種情況對環(huán)形拱圈設(shè)計分析，具體過程如圖2、圖3所示。

圖2 均勻受力分析簡圖

圖3 不均勻受力分析簡圖

(1)主動土壓力eajk

[1]

式中:Zj——計算點深度，m；

hwa——基坑外側(cè)水位深度，m；

mj——計算參數(shù)，當mj＜h(基坑開挖深度)，取Zj，當mj≥h時，取h；

ηwa——計算系數(shù)，當hwa≤h，取1，但hwa＞h時，取0。

(2)拱圈軸向壓力設(shè)計值

式中:R——圓拱的外圈半徑，m；

hi——拱墻分道計算高度，m；

ea——分道計算高度hi范圍內(nèi)基坑外側(cè)水平荷載標準值的平均值。

(3)根據(jù)文獻[5]中式Ni≤0.9φ(fcA+f′yA′s)，試算分析拱圈在均勻受力條件，初步確定拱墻厚度。最終確定不均勻荷載下，拱圈的尺寸及配筋。

可以看出，該拱圈的計算分析方法亦是基于朗肯線性土壓力基礎(chǔ)上的極限平衡分析法。設(shè)計中，考慮到水土荷載較大，對支擋結(jié)構(gòu)承載能力要求較高，故選擇逆作拱墻結(jié)合止水帷幕的支護方案，且要求分段分層間隔施工。一方面，該支擋方案可利用圓拱具有能把垂直于墻體的水土壓力轉(zhuǎn)化為拱墻內(nèi)的切向力能力，以便分利用墻體混凝土的受壓強度，使墻體內(nèi)力主要為壓應力，墻體可以較薄，同時亦可以減少配筋量；另一方面，采用分段分層逆作施工，土方開挖與支護施工可交叉同時進行，可滿足業(yè)主對工期的要求。

3.3 設(shè)計理論分析及其存在的問題

(1)不難發(fā)現(xiàn)，由于該規(guī)程[1]中考慮的土壓力分布形式，是直接采用朗肯土壓力線性分布，按此土壓力理論計算分析，土釘墻土釘往往都是自上而下逐步增大才能滿足計算要求，尤其，底部土釘常常需要很長才能滿足承載力要求。然而，該基坑工程的實際設(shè)計情況是:一方面，基坑坑壁是按一定坡度開挖的，土釘墻墻面是亦是傾斜的，傾斜墻面上的土壓力比同樣高度垂直墻面的土壓力小；另一方面，土釘墻支護是柔性支護支護體系[6]，需采取分層開挖分層支護的施工工序，土釘墻面墻是柔性的，且分層開挖裸露面上土壓力是零，允許一定位移變形后建立了新的力平衡，使得土壓力向周圍轉(zhuǎn)移，墻面上的土壓力重新得以分布。因此，采取按規(guī)程[1]計算理論設(shè)計分析土釘墻是不完全與實

(4)假定周圍土體內(nèi)摩擦角有±4°的差值，即東西以(φm+4)，南北兩側(cè)以(φm-4)土壓力，計算分析拱墻不均勻受力情況，圖3中，土壓力強度變化則按下式計算:

(5)依據(jù)文獻[4]，計算分析出單位高度圓環(huán)拱墻在不均勻受力情況下的內(nèi)力，計算式如下:

式中，MA、NA、MB、NB——圖3中所示A點和B點的彎矩(kN·m/m)和軸向力(kN/m)。

(2)逆作供圈雖能充分利用土供效應[7]，能轉(zhuǎn)化水平力為混凝土受壓強度，減小墻厚，降低配筋等優(yōu)點，但是，考慮到本基坑坑內(nèi)的空間內(nèi)徑達28.5m，拱圈軸線矢跨比的空間性影響著水平力轉(zhuǎn)化為正壓力的程度；此外，由于地層分布的不均勻性，拱圈實際的受力是不均勻的，存在彎矩、剪力及軸心壓力，拱圈的受力分析應是個空間概念，采用平面二維極限分析解決其不均勻的受力狀態(tài)有欠妥，可以看到，拱圈在時空效應及土供效應影響下的多維計算分析仍值得進一步研究分析。另一方面，依據(jù)規(guī)程[1]中分析的拱圈結(jié)構(gòu)是無嵌固深度，缺少對基坑產(chǎn)生繞過坡腳的整體滑移以及抗隆起等的計算分析，施工過程及施工后的，整體穩(wěn)定性有待我們進一步研究。

4 基坑工程回顧

該基坑工程2009年4月上旬開工，2009年6月上旬，開挖至77.0m標高處，并完成土釘墻施工；隨后，在平臺上進行拱圈外圍止水帷幕施工，并采取間隔性分段分層交叉開挖土方，及進行拱圈施工，于2009年11月底，完成了整個基坑工程的土方開挖及支護施工(效果如圖4所示)。雖然，施工期間經(jīng)歷柳江洪水漲至88.0m標高，僅局部地段出現(xiàn)輕微滲水及坡頂位移過大的現(xiàn)象，但基坑支護體系安全度汛，整個復合支護體系總體上是安全可靠的，實現(xiàn)了基坑支護目的。此外，該設(shè)計方案在安全、經(jīng)濟以及施工工期的控制上也均得到了業(yè)主的認可。

5 結(jié) 語

(1)本次設(shè)計，采用復合支護設(shè)計方式，成功地對該21.37 m深基坑項目實施支護設(shè)計，并充分利用邊開挖邊支護的施工方案，方案滿足了業(yè)主對基坑工程工期的嚴格要求，確保了大橋項目的總工期。土釘墻與逆作拱墻復合支護體系具有較可靠的安全性、較佳的經(jīng)濟性以及工期控制保障性，可以為類似超深基坑設(shè)計項目提供借鑒，有一定的參考價值。

圖4 錨碇基坑工竣工現(xiàn)場照片

(2)多種支護形式結(jié)合的復合支護方案，一定程度上可以解決基坑工程中經(jīng)濟性及安全性的矛盾關(guān)系，使基坑支護方案在安全與經(jīng)濟中找到一個比較好的平衡點，但是，怎么建立起復合實際工程的分析計算模型，并合理對復合支護方案的受力機理進行計算分析，解決好實踐超前理論的問題，有待我們做更多的研究。

[1] JGJ120-99.建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 崔京浩，陳肇元，崔巖等.土釘支護技術(shù)[J].工程力學增刊，2001，18(I):l91～209.

[3] 孫鐵成，張明聚，楊茜.深基坑復合土釘支護穩(wěn)定性分析方法及其應用[J].工程力學，2005，22(3):126～127.

[4] 林宗元.巖土工程治理手冊[M].沈陽:遼寧科學技術(shù)出版社，1993，954～956.

[5] GB 50010-2002.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[6] 李文江，王景春，周華保.土釘墻——邊坡防護中的一種柔性支護技術(shù)[J].石家莊鐵道學院學報，2000，13(4): 37～38.

[7] 彭述權(quán)，李夕兵，樊玲.剛性擋墻主動破壞墻后土拱效應細觀研究[J].中南大學學報·自然科學版，2011，04:10～12.

Application Analysis for the Compound Supporting System of Soil Nailing and Arch Wall in an Extra Deep Foundation Pit

Deng Junjun，Wang Jiabin，Guan Jianchao
(Liuzhou Geotechnical Investigation and Surveying Institute，Liuzhou 545006，China)

The effects in security and economy are unfavorable to some extra deep foundation pits which were supported with singlemeasure.Actually，in order to achieve a reasonable equilibrium point of security and economy in deep foundation pit supporting project，the various support forms are used together.This article introduces the successful application of the compound supporting system of soil nailing and arch wall in an extra deep foundation pit.The design calculation of scheme is analyzed in brief.The article gives some references and suggestions for the similar foundation pits.

soil nailing wall；arch ring；compound support；extra deep foundation pit

1672-8262(2013)05-168-04

TU471

B

2013—04—28

鄧君君(1980—)，男，工程師，注冊土木工程師(巖土)，從事巖土工程設(shè)計與施工工作。