土釘支護技術在臨近鐵路深基坑工程中的應用

高峰

（1.山西大同大學煤炭工程學院，山西大同037003；2.武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北武漢430070）

土釘支護技術在臨近鐵路深基坑工程中的應用

高峰1，2

（1.山西大同大學煤炭工程學院，山西大同037003；2.武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北武漢430070）

應用VisualSlope6.0對晉北地區臨近鐵路的一棟31層商住樓深基坑工程進行土釘支護內力和變形分析，對6種基坑土釘支護設計方案進行數值模擬，優化了土釘支護設計參數。數值分析結果表明:土釘間距、直徑和長度對基坑安全系數影響較大，施工設備和經濟條件允許時，應在保持一定的土釘密度的基礎上，適當增加土釘直徑和長度，以便有效提高土釘支護結構的安全性。實踐證明土釘支護技術適用于晉北地區的工程地質條件。

鐵路；深基坑；土釘支護；設計參數；VisualSlope6.0

自1972年法國承包商Bouygues在坡度為70°的鐵路黏性沙土邊坡開挖工程中采用25000多根鋼筋形成臨時支護結構以來，土釘支護技術在世界范圍內得到迅速發展。我國90年代中期開始利用該項技術，是目前深基坑支護中優先選用的方法。土釘支護技術源于新奧法基本原理，在支護結構體系中，土釘通過水泥漿體與周圍土體接觸，約束土體的變形并與土體共同作用。實際工程中，土釘受力復雜，主要承受拉力，為防止開挖面上的局部土體崩落和受到侵蝕而噴射的混凝土面層也起到調節表面應力分布作用，兩者共同作用以充分發揮土層自承能力，形成穩定結構，承受一定的變形壓力［1-2］。同時，土釘支護結構施工簡便、造價較低，施工過程中調整設計方便，在深基坑支護中應用十分廣泛［3］。

伴隨著晉北地區經濟迅速發展，深基坑工程日趨增多，深入研究土釘支護結構設計及其應用顯得很有必要。現行有關建筑基坑支護技術規程［4-6］給出了圓弧滑動條分法驗算土釘墻整體穩定性和土釘支護結構的基本設計方法。但傳統理論分析和常規分析方法難以反映土釘支護結構多個設計參數對支護效果的影響［7］。VisualSlope系列是由美國VisualSlope公司開發的新一代巖土工程專用計算軟件，簡單易行，倍受用戶青睞；尤其是最新VisualSlope6.0加入了很多符合中國設計規范的計算方法，用戶可通過選擇適合當地的規范進一步方便、快速地優化支護設計參數［8］。

本文應用VisualSlope6.0，對晉北地區臨近鐵路復雜環境中的某31層商住樓深基坑工程進行土釘支護內力和變形分析，對所提出的土釘支護設計方案進行優化，為土釘支護技術在本地區的應用提供理論依據。

1　工程概況

擬建7#，8#兩商住樓相鄰，位于晉北地區的大同市，均設2層地下室，采用整體筏板基礎，基底絕對標高1062m，基礎埋深為10.6～11.4m，持力層為⑤含礫粗砂層，其修正后的承載能力特征值為43.0MPa。根據總平面布置要求，場地整平后將形成高11.0m、長約200m的土質高邊坡；距坡頂3.0m處有一條寬3.5m的混凝土道路，距坡頂12.0m處有一條廠區鐵路。

根據工程地質勘察報告，該場地地下水位較深，建筑物基坑設計和施工可不考慮地下水影響。在基坑開挖深度范圍內，主要土層分布及其物理力學指標見表1。

2　無支護基坑邊坡穩定性分析

《高層建筑巖土工程勘察規程》（JGJ72—2004）規定，基坑安全等級為二級時，其重要性系數取1.0，安全系數取1.3。建筑場地周圍雖然不存在既有建筑物，但限于施工場地、施工臨時道路和廠區鐵路正常運行要求，基坑北側不能放坡開挖。參考有關規范和文獻［4-6，9-11］，數值分析時將列車荷載折算成靜力荷載，地面超載可取30kN/m，邊坡坡角設計為80°。所建立的VisualSlope6.0力學計算模型見圖1。

采用Bishop法即圓弧滑動條分法時，邊坡整體穩定性安全系數Fs計算公式為

式中：n，m分別為滑動體條分數和滑動體內土釘排數；Wi，Pi分別為土條i的自重和坡頂超載；αi為土條i的圓弧破裂面中點的切線與水平面的夾角；bi為土條i的寬度；cj，φj分別為土條i圓弧破裂面所在第j層土的黏聚力與內摩擦角；Tk為第k排土釘提供的拉力，Tk=πDLaτ（D為第k排土釘注漿后直徑；La為第k排土釘有效長度；τ為第k排土釘與土體間的界面粘結強度）；Sxk為第k排土釘的水平間距；βk為第k排土釘軸線與破壞面切線之間的夾角，βk=θ+αi（其中θ為土釘下傾角）。

利用VisualSlope6.0分析邊坡穩定性時，首先在下拉菜單中選擇“Bishop法”；然后用鼠標選取或鍵盤輸入指定圓弧滑動面起始的可能范圍，可與地面超載施加范圍相同。當最大破壞面數定義為500時，分析該土質高邊坡穩定性，得到未支護邊坡的危險滑動破壞面，見圖2。

深基坑不采取支護措施時，邊坡穩定性計算結果見表2。

綜上，特洛細胞存在于ApoE-/-小鼠的心臟、肝臟和腎臟內，在特定的區域內形成明顯的網狀結構，且因不同的組織結構表達不同的生物免疫學指標。由于本研究重點在于應用不同的免疫組織化學方法對特洛細胞進行研究，因生物標記物的不全面而難以全面地推測特洛細胞可能存在的功能，在接下來的研究中，需要增加免疫熒光、蛋白組學和光學透視電鏡，甚至基因測序等不同實驗方法綜合性地對特洛細胞進行研究，明確其在特殊實驗動物體內真正的調節功能。

由表2可知：若基坑不支護，邊坡整體穩定性安全系數的最小值Fs，min=0.58；尤其是第4滑動面，其邊坡整體穩定性安全系數Fs為0.61時，水平滑動力高達739kN/m。可見，基坑開挖后形成的土質高邊坡極不穩定，對基坑內工程的安全生產構成極大威脅，必須進行合理支護設計。

表1　主要土層物理力學指標

圖1　力學計算模型

圖2　邊坡滑動面示意

表2　未支護邊坡穩定性計算結果

3　土釘支護邊坡穩定性數值分析

土釘支護一般適用于安全等級為二、三級的基坑［4-6］，深基坑土釘支護技術在南方應用較多，晉北地區少有報道。考慮到該基坑平面尺寸較大、深度較深，地下水位普遍較低，在填土、粉土、砂土等土層中普通鉆機即可成孔等因素，經對可實施的地下連續墻、護坡樁+錨桿支護、水泥土墻、小放坡土釘支護等多種基坑支護方案的分析比較，拋棄了土釘支護只適用于本地區低邊坡支護的傳統理念，決定采用具有施工方便、工程造價低、對周圍環境影響小等優點的小放坡土釘支護技術，在整個地下工程施工期間對該深基坑邊坡進行臨時支護。

基坑開挖后，如果采用土釘掛鋼筋網噴射混凝土的支護形式，土釘長度、土釘直徑、土釘間距等支護設計參數應依據土層物理力學性能、基坑開挖深度與分層開挖高度、支護材料力學參數及安全性要求，應用可視化計算軟件VisualSlope6.0經詳細計算后確定。土釘入射角、鉆孔直徑可參照以往工程經驗及相關文獻［12-13］進行選取。若選用Ⅱ級螺紋鋼筋作為土釘，取其鋼筋抗拉強度設計值310MPa，作為土釘抗拉強度。巖土工程設計的原則是必須保證工程的適用性、安全性、耐久性和經濟性。根據這個原則進行多種方案的比較分析，從而最終確定最佳的設計方案。綜合已有資料，初步提出6種數值模擬計算方案，見表3。

表3　數值模擬計算方案

數值模擬計算結果表明：方案1，第3排土釘拉力為122kN，超過鋼筋的破斷力117kN，即土釘有被拉斷的可能，顯然該土釘支護結構不安全；方案2，邊坡整體穩定性安全系數最小值Fs，min=2.15＞1.30，邊坡整體相當穩定，但材料浪費較為嚴重，經濟性不好；方案3，第3排、第4排土釘出現滑移現象，即土釘支護結構失效；方案4，Fs，min=1.68仍明顯＞1.30，但材料仍偏向于浪費；方案5，邊坡穩定、經濟性能優良；方案6，Fs，min=1.28＜1.30，即邊坡整體偏于不穩定。對比方案1～方案6可見，土釘直徑和土釘長度的增加可明顯提高邊坡穩定性。若施工設備和經濟條件允許時，應在保持一定的土釘密度基礎上，適當增加土釘的直徑和長度，以便有效提高基坑穩定性。

從上述分析來看，方案5在滿足安全性的同時，經濟性能也較好。此外，為滿足土釘邊坡支護設計“保住中間、穩定坡腳”的基本要求，還應適當調整土釘長度。當第1～7排土釘的長度L分別為16，14，12，11，10，9，8m時，土釘支護結構受力及前6個最危險滑動面見圖3。

由圖3可知，土釘支護后Fs，min=1.41，所有Fs＞1.30；滿足了該土質高邊坡的穩定性要求。同時，土釘長度方向上受力為6.0～102.0kN，土釘所受拉應力為12.2～268.5MPa，均小于其抗拉強度設計值（310MPa），滿足強度設計要求。對比圖2與圖3還可以發現，設置的土釘從宏觀上提高了被加固土體強度，使得最危險滑裂面向土釘末端方向移動，增加了土體滑動面積，從而有效利用了土體自身抗滑能力。

圖3　土釘支護結構受力及前6個最危險滑動面示意

4　土釘支護設計與施工

經優化計算，最終確定的土釘支護結構設計參數為：鉆孔直徑100mm，采用水灰比1∶0.50純水泥漿錨固；豎向設置7排土釘，豎向間距1500mm，水平間距1500mm；坡頂3排鋼筋直徑25mm，坡底4排鋼筋直徑22mm（見圖4（a））。為加強噴射混凝土面層強度，使面層受力均勻，坡面掛φ6@200mm×200mm鋼筋網，并噴射厚200mm的C20細石混凝土進行護面。為了釋放網噴混凝土面層內的溫度應力，每隔30m設置1道瀝青木板伸縮縫（見圖4（b））。為確保土釘與面層有效連接，即土釘支護與坡面節點處傳力均勻，應對節點構造進行詳細設計（見圖4（c））。

按照上述方法優化后的土釘支護結構設計方案進行施工，基坑土釘支護效果見圖5。

圖4　土釘支護結構

5　基坑變形監測與分析

5.1側向位移

基坑開挖深度11m，依據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120—1999）［4］顯然屬于深基坑。為確保邊坡安全應采用信息化施工技術，施工全過程監測基坑周邊在整個深度上的側向位移，以便及時發現問題，采取應對措施，保證基坑安全和工程的順利進行。按照國家二等水準測量標準實施外業觀測，選取基坑中部約60m處的典型土體測斜結果，得到不同時間土釘支護剖面側向位移隨基坑深度的變化曲線，見圖6。

圖6　基坑側向位移隨深度變化曲線

從圖6可以看出：隨著開挖深度的不斷加大，土體側向位移整體上呈現上大下小的特征，上層較大、下層較小，最大位移值為23mm；基坑開挖完成后土體位移增加量為3～6mm，最終逐漸趨于穩定；地下水位低、有一定黏性的砂土和硬黏土的晉北地區基坑的側向位移增長最快的部位出現在基坑上部約1/4處和下部約1/4處，呈現類似S形曲線，與地下水位埋藏淺、塑性程度較高、水平位移隨深度呈拋物線形的軟土類基坑［14-15］相比，有很大不同。

5.2地表沉降

基坑周邊地表沉降的觀測結果見表4。

表4　基坑周邊地表沉降觀測結果

從表4來看，基坑沉降普遍較小，其值界于4～13mm。可見基坑開挖和臨近運營鐵路荷載會增加地表沉降量，但沉降并不顯著，在規范允許范圍之內，不會對周圍道路、管線及廠區鐵路路基造成較大影響。因此，選用的土釘支護方案可以明顯改善土質高邊坡的側向變形，有效控制該深基坑的側向位移，保證基坑開挖和地下工程施工期間的安全。鐵路路基范圍內的土體變形也控制在合理范圍之內。

6　結語

本工程基坑開挖深度高達11m左右，基坑面積大，周邊環境較為復雜，廠區鐵路的正常運行對變形要求較高。考慮巖土工程地質條件，經VisualSlope6.0數值分析結果優化后的土釘支護結構有效控制了基坑變形，取得了良好效果，可為晉北地區深基坑支護提供借鑒。

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AbstractT aking the deep foundation pit engineering of one 31 storey commerce-residence building near the railway in Jinbei region as the research subject，the internal force and deformation of the soil nailing support were analyzed by using Visual Slope 6.0，numerical simulation of 6 kinds of soil nailing support design schemes for foundation pit was made，and design parameters of soil nailing support were optimized.T he numerical analysis results showed that the spacing，diameter and length of the soil nailing have a great effect on the safety factor of foundation pit，the diameter and length of soil nailing should be increased properly in order to improve the soil nailing support structure safety based on maintaining a certain density of the soil nailing if construction equipment conditions and economic conditions are permitted.Practice has proved that the soil nailing support technology could be applied to engineering geological conditions of Jinbei region.

KeywordsRailway；Deep foundation pit；Soil nailing support；Design parameter；Visual Slope 6.0

（責任審編葛全紅）

Application of Soil Nail Supporting in Deep Foundation Pit near Railway

GAO Feng1，2
（1.Coal Engineering School，Shanxi Datong University，Datong Shanxi 037003，China；2.School of Civil Engineering＆Architecture，Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei 430070，China）

TU753.1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.23

1003-1995（2016）04-0087-05

2015-10-20；

2016-01-25

山西省軟科學研究計劃項目（2014041068-4）；大同市基礎研究計劃項目（201369）

高峰（1977—），男，副教授，博士。