馮志先，梁姝穎，齊 艷

（天津市水利勘測設計院，天津 300204）

0 引言

現(xiàn)代土釘支護技術是20 世紀70 年代在新奧法的基礎上發(fā)展起來的一種支護技術。 土釘支護是由被加固土體、放置在其中的土釘體和噴射混凝土面層共同組成的一種擋土結構。 其特點是沿通長與周圍土體接觸，以群體起作用，與周圍土體形成一個組合體，在土體發(fā)生變形的條件下，通過與土體接觸界面上的黏結力或摩擦力，使土釘被動受拉，并主要通過受拉工作給土體以約束加固或使其穩(wěn)定。 在基坑開挖中，土釘支護已成為樁、墻、撐、錨支護之后又一項較為成熟的支護技術[1]。

1 工程概況

擬建的金成紫荊大廈位于鄭州市紫荊山路與商城路交叉口西南角，場區(qū)概況如圖1 所示。該工程為高層商住樓，地上24 層，地下2 層，高度86.4 m，總建筑面積約10 萬m2，基坑開挖深度為9 m。 底層平面尺寸呈圓形，直徑72 m，框剪結構，采用CFG 復合地基。 基坑分兩次開挖，第一次深度為6 m，是為方便CFG 樁施工而開挖的。 第二次深度達到9 m，即基底設計標高。

1.1 工程特點

圖1 鄭州金城紫荊大廈施工現(xiàn)場平面圖Fig.1 Construction spot planar graph of Jinchengzijing building of Zhengzhou

該基坑支護工程主要有以下4 個特點：（1）基坑深、難度大。垂直開挖深度為9m，是鄭州市同類工程中開挖最深的工程之一。（2）環(huán)境條件復雜。工程區(qū)南側法院東街對面是明潭加油站，設備荷載大，東側緊鄰紫荊大道，北側5m 為商城路，沿路埋設了上下水和電纜等管線，西臨商城路住宅小區(qū)。周圍環(huán)境對基坑變形較為敏感，不允許有較大變形，因此控制基坑變形是支護的關鍵。（3）第一次和第二次開挖間隔為6 個月，基坑長時間暴露，必然會帶來各種不利影響。 第二次開挖深度在地下水位以下，需要降水，又正逢汛期，降雨可形成較大的地表徑流。 另外，排污管道滲漏水也可通過結構松散、透水性好的雜填土、粉土、粉細沙滲入基坑。因此，降水防滲，防止坡角和土釘施工中涌水、涌沙現(xiàn)象，也是保證支護結構穩(wěn)定的重點。 （4）基坑平面為圓形，在每步土釘支護結構施工完成之后，形成一個非閉合的擋土拱圈。而產生拱圈效應有利于邊坡的穩(wěn)定， 其性能較常規(guī)土釘支護結構將有所提高。

1.2 工程地質條件

根據鉆探揭露、原位測試及土工試驗資料，基坑及其影響范圍內的地層特性如下：第一層為素填土，灰褐色至黑色， 結構松散， 淺部多為磚碴等建筑垃圾，平均層厚3.8 m。 第二層為粉土，褐黃色，局部灰黃色，濕，稍密～中密，層厚0.5～3.5 m。第三層以粉土為主，部分地段為粉細沙，黃褐色，濕，中密～密實，層厚0.8～5.7 m。 第四層為粉沙，灰褐黃色，飽和，中密～密實，局部松散，層厚1.6～6.6 m。第五層為粉土，褐黃色，灰黃褐色，濕，中密～密實，含少量鈣質結構，層厚1.0～3.3 m。第六層為粉細沙，褐黃色，飽和，密實，含鈣質結構，層厚2.5～7.3 m。

1.3 水文地質條件

場地勘察期間，地下水位埋深為6.9～7.2 m，屬第四系松散層孔隙潛水，主要受大氣降水及徑流補給影響。

2 土釘支護結構穩(wěn)定性分析和計算

在一般情況下，土釘支護結構穩(wěn)定性評價以安全系數為準則。 對臨時性結構，設計安全系數一般大于或等于1.3；對于永久性工程結構，一般大于1.5。

2.1 滑裂面選取

目前，常用的滑動面有楔體滑動面、圓弧滑動面、對數螺旋曲線滑動面3 種。 在土釘支護結構穩(wěn)定性評價及設計中，工程界大多采用圓弧滑動法。 本工程采用瑞典條分法計算邊坡最危險滑裂面，對每個土條進行極限平衡分析，得出邊坡喪失穩(wěn)定性安全系數最小的危險滑裂面。 計算公式為

式中：Fs為穩(wěn)定安全系數；ci為第i 條土滑動面上的凝聚力；Li為第i 條土條弧長；qi為第i 條土頂面作用的荷載；Wi為第i 條土自重力；αi為第i 條土弧線中點切線與水平線夾角；φi為第i 條土條滑動面上的內摩擦角；bi為第i 條土條的寬度。

采用工程軟件、選取不同的圓心坐標進行試算，當圓心橫坐標X1＝-17.647、縱坐標Y1＝12.089、半徑R＝20.761，圓弧與坡面(或坡底)交點橫坐標X2＝0.000、縱坐標Y2＝1.152，圓弧與坡頂交點橫坐標X3＝2.514、縱坐標Y3＝9.000 時，得到天然土坡的最小安全系數Fs＝0.404。 此圓弧即為最危險滑裂面。

2.2 內部穩(wěn)定性分析

滑裂面可能出現(xiàn)在支護內部，可以穿過全部或部分土釘，底部通常與坡角相交。 按上面所確定的圓弧滑裂面，采用條分法進行穩(wěn)定性分析。 分析時，可取單位長度，按式（2）進行計算。

式中：Wi、Qi為作用于土條i 的自重和地表荷載；αi為土條i 圓弧破壞面切線與水平面的夾角；Δi為土條i 的寬度；φi、ci為土條i 圓弧破壞面所處第j層土的內摩擦角和凝聚力；TRK為破壞面上第k 排土釘的最大抗力；βk為破壞面上第k 排土釘軸線與該處破壞面切線之間的夾角，所處土層為第j 層；Sh為土釘的水平間距。

分析計算時，地面荷載取值考慮了堆載和動荷載的影響。 地層力學參數在原勘察報告的基礎上根據實際經驗進行了折減。 按（2）式進行了穩(wěn)定性分析，得Fs＝1.631，符合安全要求。

2.3 外部穩(wěn)定性分析

根據重力式擋墻的方法計算簡化擋土墻的抗滑穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性和墻底部土的承載能力。 抗滑安全系數KH＝4.230， 抗傾覆安全系數KQ＝3.510，支護外部穩(wěn)定性滿足要求。

2.4 計算結果

1）土釘設計參數詳見土釘支護剖面圖(見圖2)。鉆孔直徑為15cm，水泥砂漿強度等級為M20，水灰比≤0.5，根據工況可適量摻加外加劑。

圖2 土釘支護剖面圖Fig.2 Soil nail supporting section

2）支護面層為厚70～80 mm 的網噴混凝土，混凝土強度等級為C20，采用φ6@230×230 鋼筋網片，加強筋采用φ18，沿土釘端部布置。

3）防水系統(tǒng):（1）在支護面層背部設置水平間距為2 m、 長度為50 cm 的水平塑料排水管， 管壁帶孔，內填濾水材料，將其插入邊壁土體。 （2）基坑地表水的防滲。 可在基坑周邊近邊坡處地表作1.0 m泛水層，與土釘面網參數相同。 （3）為排除積聚在基坑內的滲水，在坑底設置排水溝及集水坑，離邊壁0.5～1.0 m。

3 支護施工信息化監(jiān)測管理

信息化施工技術是運用系統(tǒng)工程于施工之中的一種現(xiàn)代化施工管理方法，包括信息采集→信息分析處理→信息反饋→控制與決策 （調整設計、施工方案及采取相應措施）[3]。 它是基坑支護施工的一個特點，也是確?；娱_挖安全的措施。 監(jiān)測是信息化施工的重要一環(huán)。

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測

本基坑開挖較深，為保證支護結構的安全可靠，將其對相鄰建筑物的影響限制在允許的范圍內，進行了現(xiàn)場監(jiān)測。 監(jiān)測內容包括：（1） 布置水位觀測井。 （2）對鄰近建筑物進行沉降觀察。 （3）進行水平位移監(jiān)測。（4）設定警戒值。支護結構水平位移達到開挖深度的0.3%時，該變形值視為警戒值。

3.2 監(jiān)測結果分析與控制

通過對整個基坑工程系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測，獲得了詳盡的基坑坡頂水平位移、地下水位、鄰近建筑物沉降變形及地質條件的變化等資料，及時調整了施工工藝。 例如：根據土建施工需要，對塔吊部位進一步加固；監(jiān)測土層變化，對易坍塌的無黏結力沙土，采取邊壁修整后先噴一薄層混凝土、然后設置土釘的方法，縮短了邊壁土體的裸露時間，防止了土體的坍塌；施工中考慮到紫荊山路安全和超載對基坑安全的負面影響，在東側部分地段采取了加設地錨措施等。

4 圓形支護結構的性能分析

本基坑土釘支護完成后，形成一個非閉合巨厚圓拱（局部放坡作運土通道）。 水平圓拱的作用使土釘支護結構性能有了許多新的特點。

4.1 支護完成后形成的巨厚圓拱特點

（1）圓形基坑的對稱性和支護結構上荷載的對稱性，可使巨厚圓拱四周土壓力大部分達到自身平衡。

（2）土釘支護加固范圍內的土體，形成圓形巨厚類重力式擋墻，類似于彈性力學中的圓筒受均布荷載。 作用于擋墻上的主動土壓力為均布荷載，它隨深度和土層性質而變化。

（3）土釘支護分步施工，每開挖步驟完成后，形成拱圈，承受該道拱圈高度內的土壓力，拱圈之間不相互影響。

4.2 支護結構性能

（1）巨厚圓形擋土墻利用土體自身的起拱作用，有效地減小了作用于支護結構上的土壓力。 圓形支護土壓力分布如圖3 所示。

圖3 圓形支護土壓力分布Fig.3 Round supporting soil stress distribution

（2）土釘支護形成的圓拱，增強了支護結構的穩(wěn)定性，減少了開挖對周圍環(huán)境的影響。

這個巨厚型圓拱的受力特點和支護性能，也區(qū)別于閉合擋土拱圈。 閉合擋土拱圈最常用的是橢圓形或拋物線組合拱圈，拱圈厚度一般不大，是以受壓為主的結構，可將土壓力對圓弧面結構產生的壓應力轉化為軸應力，且大部分可以自身平衡。 它對混凝土構件抗壓強度有較高要求[2]。

5 結語

深基坑工程是一項高技術含量、高風險性工程，其成敗關系到整個工程能否順利進行、周邊環(huán)境能否正常使用和人民生命財產的安全。 紫荊大廈基坑開挖及支護工程，經過精心設計、信息管理、科學施工，順利地完成了施工任務。 回顧過去的施工經歷，有以下體會：

（1）本工程確定支護方案時，根據基坑深度、周邊環(huán)境及地質情況，按照安全經濟、節(jié)省工期的原則，進行了多種方案的比較，發(fā)現(xiàn)不同的支護造價和工期差別很大。 而土釘支護方案比其他支護形式節(jié)省造價1/3 左右， 土方工程和基坑支護可同時施工，從而縮短工期。

（2）第一次開挖和樁基施工期間，土釘支護承受了超載、動載、振動等諸多不利因素的影響，支護性能穩(wěn)定，基坑坡面最大水平位移不到8 mm。 第二次支護結束后，最大水平位移為12 mm，經過7、8 月大雨的考驗，支護結構、周圍的建筑物和街道均無異常。

（3）信息化施工是深基坑施工的重要手段和必要措施。

（4）選擇支護方案時，在基坑四周允許起拱的條件下，可以采用閉合或近閉合的拱圈來支擋土壓力，充分發(fā)揮圓形、橢圓形、拋物線和拱形的力學性能[2]。

（5）在鄭州地區(qū)采用土釘支護的基坑中，本工程的開挖深度最大。 它的成功，豐富了鄭州地區(qū)深基坑圍護結構設計和施工的方法，對深基坑土釘支護設計與施工有較高的參考價值，必將產生良好的社會效益和經濟效益。

[1] 陳肇元， 崔京浩. 土釘支護技術在基坑工程中的應用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[2] 趙錫宏，陳志明，胡中雄，等. 高層建筑深基坑圍護工程實踐與分析[M]. 上海：同濟大學出版社，1996.

[3] 秦四清，萬林海，賈金祿，等. 深基坑工程優(yōu)化設計[M].北京：地震出版社，1998.