某工程深基坑支護中預應力錨桿復合土釘墻支護體系性能分析研究

火高德，黃 瑞，張 鑫，潘有旺

（1.甘肅第六建設集團股份有限公司，甘肅 蘭州 730046；2.甘肅省建筑科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070 ）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，城市建設用地規模不斷增大，為了提高土體利用率，高層及超高層建筑在城市當中大量的被建造。為了使高層建筑達到使用功能、受力性能及節約用地的目的，高層建筑的地下部分越來越被地產開發商所重視，其已經成為高層建筑不可缺少的組成部分。隨著汽車的普及，在一些城市出現了停車位緊張，停車費昂貴的現象，由此，地下停車空間開始進入人們的視野。修建在廣場的地下停車場、大型的地下商業街等地下建筑物屢見不鮮。歐洲的有些城市，修建在地下的污水處理廠節約了大量的土地的同時，也節約了資源；在國內，有些城市提出了在城市的地下修建大型蓄水池的思想，在多雨的季節將雨水儲存并凈化，在干旱的季節里將儲蓄的雨水提到地表，作為城市的綠化用水。為了修筑地下建構筑物，人們不得不投入大量的資金去開挖基坑以及隧道。為了滿足人們的生活及生產需求，基坑及隧道尺寸也向著“大、深”發展，其數量也日趨增多。對于大型的基坑工程，明挖法施工具有出土方便，施工速度快的特點，被人們廣泛使用。但同時也存在著許多工程實際問題，有些基坑支護過于保守，浪費了大量的資源；有些基坑支護偏于危險，導致基坑周圍建構筑物產生過大的位移，甚至基坑失穩。

基坑支護最簡便的是放坡法，放坡法具有經濟方便的優點；但是，在城市當中，地表及地下的建構筑物密度往往較大，基坑工程所處的工程環境因此而比較復雜，采用放坡開挖的方法顯然是不可行的。因而不得不減小放坡開挖的坡度，由此基坑開挖中各種各樣的支護體系便應運而生。針對不同基坑的特點，選用相應的支護形式。越來越多的基坑工程表現出開挖深度深、土層條件復雜多變、受地下水影響嚴重、擬開挖基坑周邊建筑物密集、基坑可施工時間短以及事故易發等特點。于此同時，時空效應對基坑開挖的影響也應被考慮，基坑工程的復雜性可見一斑［1］。面對地層條件復雜多樣、基坑周邊環境嚴峻、具有“大、深”特點的特殊基坑工程，大量的新型支護技術不斷創新并得到了廣泛的研究及應用。基坑支護是基坑施工過程中的最重要的部分，尤其是自 21 世紀以來，深基坑支護問題引起了建筑工程界廣泛而深入的研究討論。對于高層建筑的基礎施工，得出這樣的一個結論“兩個三分之一”，即基礎施工約占建筑物造價的1/3，建筑物施工工期的1/3被基礎施工所占用。而基坑作為一個臨時性構筑物，如何快速、經濟地施作是在高層建筑建造過程中亟待解決的問題。

土釘墻支護［2］是一種年輕的新型支護形式，其主要組成部分為鋼質釘材、配有鋼筋網片的噴射混凝土面層，土釘影響范圍內的土體。土釘墻支護下的土體本身具有自穩能力，若坡頂具有外加荷載或坡體中有水壓力時仍然能夠保持邊坡及基坑的穩定性。土釘墻支護在結構施工速度快、經濟性能好的同時，能夠保證邊坡支護的可靠度，因此迅速在我國大面積地使用。在土釘墻支護設計過程中，土釘墻支護結構的釘長、截面積及間距等參數與被支護坡體的土體特性、施工區域地下水賦存狀態、支護坡面的角度、基坑周邊地下及地表建（構）筑物環境、坡體的設計使用年限以及坡體的用途等因素有關。

1 工程概況

工程位于蘭州市安寧區，基坑整體深度9.0 ～9.6 m，土層分布較均勻。基坑開挖深度大，且基坑周圍既有建筑物較多，場地不具備完全的放坡基坑開挖的條件。因此選擇預應力錨桿土釘結構在基坑的開挖過程中進行支護。在基坑開挖及支護范圍內，由上至下土層分布依次為雜填土、黃土狀粉土、卵石層，在卵石層的底部分布有泥巖。

各層土體巖性特征如下所述。

1）雜填土。松散，稍濕，主要由建筑垃圾、磚塊、水泥地坪、三七灰土等組成，黃土狀粉土填充其中。該層厚 0.40～2.30 m，場地內均有分布。

2）黃土狀粉土。灰黃、褐黃色，可塑，松散～稍密，稍濕～濕，中等～高壓縮性，上部含植物根系。主要以粉粒為主，巖芯呈散狀，層頂埋深 0.40～2.30 m，層頂標高 1 539.60～1 544.70 m，層厚 5.50～11.70 m，場地內均有分布。

3）卵石。中密，濕，顆粒相互交錯排列，磨圓度較好，呈圓形～亞圓形，顆粒直徑一般為 20～50 mm，最大粒徑為 20 0 m m，粒徑大于 20 m m 的含量占57.8 %～62.7 %，2～20 mm 的含量占 19.5 %～29.6 %，顆粒間由中粗砂充填。局部夾有中粗砂細砂薄層或透鏡體。鉆進較困難，層頂埋深 6.30～11.70 m，層頂標高 1 528.50～1 535.60 m，層厚 4.00～9.70 m，場地內均有分布。

該場地范圍內有地下水，地下水位埋深 7.80～12.80 m，地下水類型為孔隙潛水，主要含水層為卵石層，年水位變幅±1.0～3.5 m 左右，滲透系數大于 30.0 m/d。

2 試驗方案

選取該工程基坑作為本課題現場試驗的試驗場地。根據本課題的研究需要，在施工現場選取兩地質剖面進行坡體水平位移及坡頂豎向沉降的研究分析。

具體剖面的支護形式如圖1～2 所示，圖1 所示剖面為只有一道預應力錨桿支護的邊坡剖面，圖2 所示剖面為施作兩道預應力錨桿支護的邊坡剖面。兩剖面的地層條件相差不大，兩剖面所處位置處坡頂在施工過程中均不存在堆載及車輛荷載施加，圖2 所示剖面所在位置附近存在對位移控制要求較為嚴格的居民樓，因此，兩剖面較為符合本課題的研究需要。

3 試驗操作及監測點布置

圖1 單道預應力錨桿支護剖面（單位：mm）

本課題在研究過程中主要對基坑坡體的水平位移及基坑頂部的豎向位移進行監測。水平位移監測（見圖3）是通過埋設在基坑上口線位置的測斜管實施的，監測過程中嚴格按照儀器操作說明的要求進行使用，能夠有效地減小人為的誤差。豎向位移（見圖4）是通過打設在基坑附近的豎向位移監測點，再輔以水準儀進行實時監測。由于基坑開挖較淺，故測點布設較少，在監測過程中發現較遠測點位置位移基本為零（人為測量誤差范圍內），后僅對距離基坑較近監測點進行了實時的監測。

監測采用隔天一測的方式進行，在開挖基坑底部土體過程中采用一天一測的方式進行。由于基坑坡比為 1∶0.3，在基坑尚未開挖之前，放點結束以后，在距離基坑上口線 0.3 m 的位置布設側斜管，基坑開挖深度為 10 m，且基坑底部以下為卵石，測斜管埋置深度為 15 m，基本能夠保證測斜管端部處于穩定巖層中作為位移測量的零點控制端。在基坑開挖之前測斜管即被埋入土體當中。測斜管周邊先用細砂緩慢填充密實的同時，在管內灌入適量水，防止測斜孔成孔過程中的泥漿滲入測斜管內堵塞測斜管，提高測斜管成活率。等到測斜管與側斜孔之間縫隙內的土體填充密實后，在基坑開挖之前對測斜管進行首次測量，作為測斜管工作之前的初始數據備用。

沉降監測基本操作步驟同上，首先建立控制點，之后以控制點為基準點進行數據測量，初次測量值作為初始數據。本課題使用的沉降監測點位置距基坑上口線的距離為 3 m。

圖3 水平位移測斜管

圖4 沉降監測點

4 試驗規律分析

由于測斜持續周期較長，數據繁多復雜，只對每次基坑開挖完畢后，基坑水平位移監測穩定后的監測結果進行對比分析，以期為蘭州類似的基坑工程提供技術參考。兩剖面水平位移監測結果如圖5～6 所示。

圖5 兩道錨桿基坑水平位移

圖6 單道錨桿基坑水平位移

圖5 及圖6 為 2 剖面在各個階段使用測斜管測得的水平位移量數據。由數據監測結果可知，只有一道預應力錨桿的坡頂水平位移約為兩道預應力錨桿水平位移的 2 倍。當使用兩道預應力錨桿支護結構時坡面位移曲線較一道預應力錨桿支護結構時位移穩定。而在第二道預應力錨桿施加位置處基坑坡面的位移表現出明顯的約束效果。除坡頂以外的最大水平位移均出現在黃土狀粉土層的中間偏下位置。由此可以推測，在卵石層與黃土狀粉土層交界的位置，由于交界面的存在，能夠對土體的水平位移提供一定的約束作用。

5 結論

圖7為基礎監測點位置處沉降位移-時間關系曲線。由圖7 可知，基坑頂部沉降量隨著基坑開挖深度的增加而增加，若基坑保持在某一深度時，坑頂沉降不會發生較大突變。在基坑的開挖工程中，使用兩排預應力錨桿進行基坑的支護，可以有效地控制基坑頂部土體的豎向沉降量。

圖7 基坑監測點位置處沉降位移-時間關系曲線

使用兩排預應力錨桿與土釘復合能夠有效地控制坡體位移。在基坑支護設計過程中，可根據基坑位移的控制要求選用相應的支護形式對基坑進行支護。土釘相對于預應力錨桿具有工藝簡單、施工速度快的優點。選用土釘作為支護單元可以有效地縮短工期，有效減少資金投入，減小時空效應對基坑開挖帶來的不利影響。

6 結語

在本課題的研究中，預應力錨桿施加位置均來自于實際工程，其對基坑位移控制的效果僅通過實時監測來反映，沒有對其位移機理進行深入系統的分析研究，且預應力錨桿施加位置對位移控制的效果在本文中尚沒有進行研究。數值模擬過程中，土體模型、土體參數與實際工程中的數據尚存在較大的問題，需要廣大的巖土工作者一起努力，才能夠相對準確地通過理論計算分析得出與施工現場相符合的數據。

預應力錨桿軸力與土體位移相耦合的實測研究尚且存在較大的空白區，可以試驗測得的土體參數為基準，對土體模型進行合理的優化，將優化后的模型通過數值模擬的方法進行驗證，以期通過數值模型較為準確地指導設計、施工［3］。