永久性邊坡組合型支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用

李大為 范蒙飛 張 沖 高 元 喬海峰 張 定

陜西建工第九建設(shè)集團(tuán)有限公司 陜西 榆林 719000

隨著沙漠邊緣風(fēng)積相砂土地帶土地利用率大幅度提高，工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在工程中尤其重要。已建項(xiàng)目地處毛烏素沙漠邊緣一級(jí)臺(tái)地，旁邊是城市主干路。經(jīng)勘探揭露，場(chǎng)地地層主要由風(fēng)積相砂土組成，該地層在地質(zhì)運(yùn)動(dòng)或風(fēng)力搬運(yùn)作用下會(huì)產(chǎn)生水平的位移而對(duì)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)成危害。本項(xiàng)研究成果將在風(fēng)積相砂土地質(zhì)環(huán)境情況下有力地解決土體對(duì)建筑主體的損壞。

近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)地質(zhì)移動(dòng)引起的邊坡和相應(yīng)的控制措施進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐工作，劉情情等[1]研究了支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的危害，并分析了某工程中臨時(shí)支護(hù)與永久支護(hù)相結(jié)合的施工應(yīng)用情況。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，在節(jié)省造價(jià)的基礎(chǔ)上，加快了施工進(jìn)度。

1 工程概況

榆林市會(huì)展中心項(xiàng)目位于陜西省榆林市西南新區(qū)，內(nèi)含6座展廳和1座國(guó)際會(huì)議中心，同時(shí)具有大型宴會(huì)廳及相應(yīng)配套功能，是一座集國(guó)內(nèi)外大型會(huì)議、展覽、宴會(huì)、商務(wù)活動(dòng)等多功能于一體的綜合型公共建筑。

榆林市會(huì)展中心車庫(kù)北側(cè)緊鄰市政道路（路邊有高壓線、燃?xì)狻⑾馈⑼ㄐ殴芫€），高差6.5 m，基坑深度較深，場(chǎng)地空間有限，不具備自然放坡條件。為了保證安全施工以及避免對(duì)緊鄰市政道路的影響，需要進(jìn)行專項(xiàng)治理。榆林市會(huì)展中心車庫(kù)設(shè)計(jì)理念為地下室外墻不受土體側(cè)向推移危害，需要一種支護(hù)結(jié)構(gòu)將主體外墻與周邊土體隔斷。

綜上可知，即需要一種既要保證臨時(shí)性基坑施工安全，又要保證車庫(kù)外墻不受土體側(cè)向推力危害的經(jīng)濟(jì)、合理的永久性支擋結(jié)構(gòu)。

2 設(shè)計(jì)及原理

2.1 支護(hù)工程設(shè)計(jì)

2.1.1 支護(hù)體系的要求

1）保證邊坡的穩(wěn)定性，滿足地下室施工有足夠空間，同時(shí)阻斷土體向主體結(jié)構(gòu)傳遞水平推力的要求。

2）保證邊坡位移受控，確保邊坡形變處于坡肩地下各管線抗變位承受力范圍內(nèi)的要求。

3）滿足經(jīng)濟(jì)性、施工工期及施工便捷兼顧的要求。

4）滿足基坑階段及主體施工階段的使用周期要求。

2.1.2 支護(hù)設(shè)計(jì)條件

1）工程地質(zhì)條件。項(xiàng)目臨時(shí)開挖深度為6.28～6.73 m，永久使用階段高度為7.7 m。原始地貌低洼區(qū)域進(jìn)行了填土整平。據(jù)勘察資料，邊坡支護(hù)區(qū)段場(chǎng)地自上而下的巖土層分布情況為：②粉細(xì)砂、③細(xì)砂、③1粉土，各土層相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 場(chǎng)地土層相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)

2）水文地質(zhì)條件。場(chǎng)地的地下水屬于潛水類型。勘察測(cè)得的穩(wěn)定水位埋深為9.2～9.4 m，相應(yīng)絕對(duì)標(biāo)高為1 117.10～1 117.27 m。其水位動(dòng)態(tài)變化主要受降水、自然蒸發(fā)、人工開采、地面蒸發(fā)和地下側(cè)向徑流等因素影響，場(chǎng)地地下水位年變化幅度為1.0 m左右。

2.1.3 支護(hù)方案及典型剖面

1）支護(hù)方案。本支護(hù)工程設(shè)計(jì)堅(jiān)持安全、經(jīng)濟(jì)、方便施工的原則。在掌握本支護(hù)工程要求、場(chǎng)地工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、場(chǎng)地周邊環(huán)境條件等資料后，對(duì)影響邊坡工程支護(hù)體系的安全、功能、工期、經(jīng)濟(jì)等因素的主要矛盾進(jìn)行分析。

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，綜合比對(duì)選取了能同地基與基礎(chǔ)、主體結(jié)構(gòu)并行施工的永臨組合型支護(hù)體系。在地基與基礎(chǔ)開挖施工階段，采用復(fù)合土釘墻支護(hù)，車庫(kù)主體施工階段采用板肋式錨索擋墻支護(hù)（同時(shí)阻斷向主體結(jié)構(gòu)傳遞的土推力）[2]，兩者預(yù)應(yīng)力錨索為共用構(gòu)件，錨索使用生命周期貫穿臨時(shí)階段及永久性階段。

2）支護(hù)典型剖面。經(jīng)計(jì)算，臨時(shí)階段土釘長(zhǎng)度7.5～9.0 m，面板厚度80 mm；永久階段板肋式錨索擋墻預(yù)應(yīng)力錨索抗拔安全系數(shù)為2.6，為彌補(bǔ)巖土層錨固力的不足，選用了分散拉力型預(yù)應(yīng)力錨索，預(yù)應(yīng)力錨索第1道長(zhǎng)度為22.0 m，第2道長(zhǎng)度為15.0 m，肋柱為500 mmh 600 mm，擋板厚250 mm。

永久性使用階段，支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部存在覆土及車輛動(dòng)荷載，根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)覆土荷載、車輛荷載、構(gòu)件自重及預(yù)應(yīng)力錨索豎向分力等具體條件，經(jīng)計(jì)算，板肋式錨索擋墻采用樁基礎(chǔ)，受力段嵌固深度約6.9 m，樁間距2.5 m。

具體設(shè)計(jì)工況及相應(yīng)工況說(shuō)明見表2，支護(hù)結(jié)構(gòu)典型剖面見圖1。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面示意

表2 設(shè)計(jì)工況匯總

2.1.4 有限元分析法

依托于有限元分析法，在數(shù)值計(jì)算中，土體為連續(xù)的彈塑性體，符合Mohr-Coulombm模型。以有限元分析法為理論基礎(chǔ)，分析各階段的穩(wěn)定性及變形趨勢(shì)。臨時(shí)階段總位移云圖、剪切耗散與強(qiáng)度折減示意見圖2、圖3。

圖2 臨時(shí)階段總位移云圖

圖3 臨時(shí)階段剪切耗散與強(qiáng)度折減示意

永久性階段水平位移云圖、豎向位移云圖及矢量位移趨勢(shì)示意見圖4～圖6。

圖4 永久性階段水平位移云圖

圖5 永久性階段豎向位移云圖

圖6 永久性階段矢量位移趨勢(shì)示意

剪切耗散與強(qiáng)度折減示意見圖7。

圖7 永久性階段剪切耗散與強(qiáng)度折減示意

2.2 施工原理

考慮到支護(hù)安全的重要性，先在護(hù)坡階段采用土釘加錨索護(hù)坡施工技術(shù)，錨索在護(hù)坡面層施工完成后首先張拉鎖定并封錨，然后緊鄰車庫(kù)外墻設(shè)置1道肋板式鋼筋混凝土擋墻，并與車庫(kù)外墻設(shè)置寬10 cm變形縫，最后錨索在肋板式鋼筋混凝土上再次張拉鎖定并封錨。本技術(shù)在充分利用臨時(shí)性支護(hù)的基礎(chǔ)上結(jié)合永久性擋墻施工，達(dá)到永臨結(jié)合的擋墻支護(hù)工程。

3 工藝原理及操作要點(diǎn)

3.1 工藝原理

本工程施工工藝原理如圖8所示。

圖8 施工工藝原理

3.2 開挖修坡

本工程采用自上而下水平分段、垂直分層開挖修坡的明挖法施工，分段長(zhǎng)度不宜超過(guò)20 m，分層開挖厚度按土釘/錨索/摩擦固定筋位置＋0.5 m進(jìn)行控制（圖9）。

圖9 開挖修坡示意

3.3 土釘施工

本工程土釘成孔直徑120 mm，傾角15e ，重力孔內(nèi)灌注水泥漿，孔內(nèi)漿體應(yīng)灌注飽滿。土釘與面層鋼筋必須有效連接。在注漿體及噴射護(hù)坡混凝土面層達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%后方可開挖下層土方。土釘施工過(guò)程中遇到不明障礙物時(shí)，可適當(dāng)調(diào)整孔位和傾角。

3.4 錨索施工

錨索材料釆用高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線，強(qiáng)度1 860 MPa。鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)每孔地層變化（巖粉情況）、進(jìn)尺速度及一些特殊情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)記錄。錨索下料采用砂輪切割機(jī)切割，避免電焊切割。采用水灰比為0.50～0.55的水泥漿進(jìn)行注漿。當(dāng)漿體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，方可進(jìn)行張拉鎖定，在漿體未完全固化以前不得拉拔和移動(dòng)錨索。錨索張拉完成后進(jìn)行自由段注漿，注漿材料同錨固段（圖10）。

圖10 錨索自由段與錨固段剖面示意

3.5 護(hù)坡面層施工

每層開挖修坡完成后及時(shí)搭設(shè)施工架體，綁扎面層鋼筋網(wǎng)片及水平向加強(qiáng)筋，面層鋼筋保護(hù)層采用水泥墊塊進(jìn)行控制。待土釘及錨索孔道注漿完成，同時(shí)面層鋼筋綁扎驗(yàn)收完成后方可進(jìn)行噴射護(hù)坡面層混凝土（圖11）。

圖11 面層鋼筋混凝土原理示意

3.6 錨索第1次張拉封錨施工

預(yù)應(yīng)力張拉前做好技術(shù)交底工作，張拉機(jī)械操作人員經(jīng)過(guò)培訓(xùn)合格后方能上崗。首先做好預(yù)應(yīng)力筋和錨索、夾具的安裝檢驗(yàn)，張拉設(shè)備的校驗(yàn)，然后吊張拉設(shè)備定位安裝，安裝工作錨板、夾片，最后安裝千斤頂、工具錨、夾片等。

預(yù)應(yīng)力筋的張拉采用以應(yīng)力控制為主，伸長(zhǎng)量為輔的方法。臨時(shí)性張拉一次張拉到設(shè)計(jì)值封錨，永久性張拉在張拉到設(shè)計(jì)值后觀察其變形量，在變形穩(wěn)定后封錨。輕輕松開油泵截止閥，使油壓緩慢降至零，則完成了對(duì)鋼絞線的錨固。油泵向回程油缸供油，活塞慢慢回程到底。張拉最終鎖定后將錨具外多余的鋼絞線用機(jī)械切斷，并留長(zhǎng)5～10 cm的外露錨索，以防滑落。

3.7 永久性階段擋墻基礎(chǔ)施工

成孔采用泥漿護(hù)壁施工工藝隔樁法施工。鋼筋籠應(yīng)整體制作，待吊裝鋼筋籠完成并驗(yàn)收合格后澆筑混凝土。

3.8 肋板式擋墻結(jié)構(gòu)施工

柱、墻插筋的錨固及插筋和柱、墻上部縱筋的連接均應(yīng)符合圖集11G01相關(guān)要求。模板材料必須具有足夠的剛度，模板加固應(yīng)編制專項(xiàng)方案并嚴(yán)格按照方案要求施工，施工時(shí)要注意泄水孔與錨索套管不可遺漏，錨索套管坡度與錨索角度一致[3]（圖12）。

圖12 肋板式擋墻示意

3.9 土方回填及二次張拉封錨

在張拉下層錨索前先進(jìn)行回填土，至下層錨索底部時(shí)，停止回填，及時(shí)張拉下層錨索并鎖定，下層錨索張拉鎖定完成后繼續(xù)回填，當(dāng)回填至上層錨索底部時(shí)停止回填，同時(shí)對(duì)上層錨索張拉并鎖定，最后回填到位。

張拉最終鎖定后將錨具外多余的鋼絞線用機(jī)械切斷，并留長(zhǎng)10 cm的外露錨索，以防滑落[4]（圖13、圖14）。

圖13 分階段回填并張拉示意

圖14 二次最終封錨示意

4 控制項(xiàng)目

1）錨索張拉完成后，進(jìn)行自由段注漿，注漿材料同錨固段。自由段錨索外面套了塑料管，注漿漿液不能進(jìn)入自由段鋼絞線，可保證自由段錨索的自由伸縮。

2）孔道灌漿時(shí)水泥漿液從孔口溢出后停止注漿；注漿后漿液面下降時(shí)，應(yīng)進(jìn)行孔口補(bǔ)漿。

3）肋板式擋墻施工時(shí)要注意泄水孔與錨索套管不可遺漏，錨索套管坡度與錨索角度一致。

4）護(hù)坡與肋板式擋墻回填土必須與最終錨索張拉相配合，當(dāng)回填至上層錨索底部時(shí)停止回填，同時(shí)對(duì)上層錨索張拉并鎖定，最后回填到位。

5 結(jié)語(yǔ)

臨時(shí)性支護(hù)及永久性擋墻從勘察、設(shè)計(jì)到施工，項(xiàng)目全過(guò)程參與，勘察收集市政數(shù)據(jù)、提出方案、方案選擇、確定支護(hù)方案、材料采購(gòu)、施工。施工前注意方案選擇的合理性以及方案中重難點(diǎn)捕捉，最大程度把施工中碰到的重難點(diǎn)消化在設(shè)計(jì)中，本項(xiàng)目在施工前解決了錨釘和錨索與市政管網(wǎng)沖突的問(wèn)題、鉆孔孔壁坍孔、錨索張拉等難點(diǎn)問(wèn)題[5]，同時(shí)根據(jù)項(xiàng)目場(chǎng)地實(shí)際情況，充分應(yīng)用了永臨結(jié)合的理念，節(jié)省了造價(jià)。施工過(guò)程嚴(yán)格準(zhǔn)確區(qū)分臨時(shí)性階段與永久性階段錨索張拉封錨工藝；臨時(shí)性張拉一次張拉到設(shè)計(jì)值封錨；永久性張拉在張拉到設(shè)計(jì)值后觀察其變形量，在變形穩(wěn)定后封錨。各階段張拉時(shí)采取旁站監(jiān)督、檢測(cè)措施，確保錨索張拉符合設(shè)計(jì)要求。