某深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工分析

1、某深基坑工程支護(hù)設(shè)計(jì)與施工分析（西寧火車站綜合改造工程下穿隧道標(biāo)項(xiàng)目部 劉少龍摘要：西北地區(qū)基坑工程規(guī)模和深度不斷加大，但支護(hù)結(jié)構(gòu)造價(jià)偏高，事故多發(fā)。本文在探討西北地區(qū)常用的土釘墻支護(hù)、復(fù)合土釘墻支護(hù)、框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)、上部土釘下部樁錨聯(lián)合支護(hù)工作機(jī)理和使用范圍的基礎(chǔ)上，依托蘭州市某深基坑工程，進(jìn)行多種基坑支護(hù)形式并用的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。經(jīng)過對比分析，選擇了常用的土釘墻支護(hù)、復(fù)合土釘墻支護(hù)、上部土釘下部樁錨聯(lián)合支護(hù)型式。通過變形監(jiān)測證明方案設(shè)計(jì)較合理，有效地控制了基坑開挖過程中產(chǎn)生的變形，降低了工程造價(jià)；同時(shí)指出了基坑施工過程中的關(guān)鍵質(zhì)量控制環(huán)節(jié)和解決對策，可供本地區(qū)基

2、坑支護(hù)設(shè)計(jì)和施工借鑒與參考。關(guān)鍵詞：深基坑；樁錨支護(hù)；復(fù)合土釘墻；方案比選0 引言目前，在城市用地日益緊張的西北地區(qū)，高層建筑的多層地下室、地下商場、地下車庫等都面臨著深基坑工程，其規(guī)模和深度在不斷加大1-3。隨著我國城市建設(shè)的不斷發(fā)展，對深基坑工程的設(shè)計(jì)與施工提出了更嚴(yán)格的要求，不僅要確保坑壁的穩(wěn)定，還要滿足變形控制的要求，以確?；又車延袠?gòu)筑物、地下管網(wǎng)及道路等的安全4。蘭州地區(qū)基坑支護(hù)相對沿海地區(qū)較為簡單，多位學(xué)者在西北地區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)理論和試驗(yàn)研究方面取得了一定成果，在土釘墻支護(hù)、復(fù)合土釘墻支護(hù)、樁錨支護(hù)等積累了一套具有自身特色的支護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)驗(yàn)5-9，但實(shí)踐中仍有不少問題存在10。本文

3、探討了西北地區(qū)常用的土釘墻支護(hù)、復(fù)合土釘墻支護(hù)、框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)、上部土釘下部樁錨聯(lián)合支護(hù)的工作機(jī)理和使用范圍，并依托蘭州市某基坑工程，經(jīng)過對比分析，選擇多種支護(hù)形式并用的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)對大量基坑支護(hù)施工過程存在的問題進(jìn)行分類總結(jié)，可供類似工程借鑒。1 基坑工程新型支護(hù)結(jié)構(gòu)我國基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)從簡單的板樁支護(hù)已發(fā)展到有多種形式，既有土體加固類的重力式水泥土墻、土釘墻；也有支擋式的排樁、地下連續(xù)墻。支擋式結(jié)構(gòu)既可采用拉錨式，也可采用支撐式。這些支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工已日趨成熟8。1.1土釘墻支護(hù)土釘墻是由噴射鋼筋混凝土薄墻和加固土體的土釘組成，土釘可由鋼筋或鋼棒鉆孔植入，然后壓力滿孔注漿形成土中狼牙

4、棒。其較適用于黏性土、弱膠結(jié)砂土和西北地區(qū)的黃土與濕陷性黃土地區(qū)；不宜用于含水豐富的分細(xì)砂層、砂礫卵石層和淤泥質(zhì)土。因其造價(jià)低廉，施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，在西北地區(qū)應(yīng)用較廣泛。當(dāng)基坑深度不大于8m、環(huán)境條件允許時(shí)，宜采用上大下小的放坡系數(shù)分級；當(dāng)基坑深度進(jìn)一步增加、對位移控制較嚴(yán)或地下水影響較大時(shí)，不宜采用。1.2復(fù)合土釘墻支護(hù)土釘墻加預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)簡稱復(fù)合土釘墻支護(hù)。這種支護(hù)技術(shù)是在土釘布設(shè)中交叉布置適當(dāng)數(shù)量的錨桿，并對錨桿施加一定噸位的預(yù)應(yīng)力。需要指出，錨桿一般都布置在基坑土釘?shù)闹猩喜?，太靠上易觸碰地下管線或臨近建筑物的基礎(chǔ)，但是太靠下又不容易發(fā)揮錨桿的錨固效果。因其造價(jià)相對較低、施工工藝相對簡

5、單、可以較好地控制基坑變形等優(yōu)點(diǎn)，在本地區(qū)應(yīng)用廣泛。在環(huán)境條件允許時(shí)，宜采用上大下小的放坡系數(shù)分級，故可以滿足一般地層條件不同實(shí)際工程的需要；當(dāng)坑深進(jìn)一步增加、對位移控制較嚴(yán)或地下水位較高時(shí)，不宜單獨(dú)使用。1.3框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)由框架、擋土板、小噸位預(yù)應(yīng)力錨桿、錨下鎖定裝置、坡面排水系統(tǒng)和墻后土體組成。擋土板所受的土壓力通過錨頭傳至鋼拉桿，再通過拉桿周邊砂漿的握裹力傳遞至水泥砂漿中，然后通過錨固段周邊地層的摩擦力傳遞到錨固區(qū)的穩(wěn)定地層中，有效地控制了土體位移。當(dāng)基坑開挖深度較大而采用懸臂式擋墻、土釘墻、復(fù)合土釘墻等支護(hù)形式較難滿足基坑穩(wěn)定性時(shí)，宜采用框架預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支

6、護(hù)結(jié)構(gòu)。與復(fù)合土釘墻中錨桿不同的是，錨桿施工應(yīng)自上而下分層開挖分層錨固。1.4上部土釘下部樁錨聯(lián)合支護(hù)基坑工程同一剖面中，上部采用土釘或復(fù)合土釘下部采用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)組合形成的支護(hù)體系叫上部土釘下部樁錨聯(lián)合支護(hù)。工程實(shí)踐中，因錨桿設(shè)計(jì)長度樁徑選擇受限時(shí)，可采用此支護(hù)體系，以解決外錨空間限制、樁身抗彎能力不足的問題。實(shí)踐表明，其占用空間小、不受地下水影響、施工速度快，受力性能較好，可有效控制基坑開挖過程中產(chǎn)生的變形，適合本地區(qū)大型深基坑開挖支護(hù)。2 工程概況蘭州天慶·格林小鎮(zhèn)位于蘭州市城關(guān)區(qū)北面灘，西側(cè)為天慶晨北佳園，北與北面灘新村隔路相望，市政B632#道路從場地西部穿過，把場地分為東

7、西兩部分。格林小鎮(zhèn)西區(qū)由4棟32層高層住宅、1棟三層的幼兒園及高層住宅（14#、16#）周邊二三層商業(yè)與大面積地下車庫組成，主體為框剪結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，高層住宅中14#樓地下二層，15#、16#樓地下三層，±0.000=1510.50m，基坑開挖深度為地面下8.511.6m。基坑側(cè)壁重要性系數(shù)為1.10，基坑工程安全等級為一級。其主要特點(diǎn)為：（1）該工程總占地面積較大，基坑采用整體大開挖方案，屬于大型深基坑工程；（2）地處鬧市區(qū)、周邊環(huán)境復(fù)雜，場地北側(cè)和東側(cè)道路車流量較大，西側(cè)距需保護(hù)建筑僅2.5m，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形要求較高；（3）場地地質(zhì)條件復(fù)雜，基坑開挖深度內(nèi)卵石層為主要含水

8、層，粉細(xì)砂層對降水施工要求較高；第三系砂巖遇水易軟化，強(qiáng)度和穩(wěn)定性差。3 工程水文地質(zhì)條件3.1場地地層結(jié)構(gòu)及巖土性質(zhì)根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，本工程地貌單元屬黃河南岸級階地，地形起伏較大，場地地層自上而下主要由雜填土層、黃土狀粉質(zhì)粘土層、粉細(xì)砂層、卵石層、第三系砂巖層構(gòu)成，場地土層主要力學(xué)參數(shù)見表1，典型地質(zhì)剖面圖如圖1。表1 場地土層主要力學(xué)參數(shù) 土層層底標(biāo)高(m)層厚(m)重度(kN/m3)j(°)c(kPa)雜填土-2215185黃土-4.52.5162015粉細(xì)砂-50.518228卵石-10521355砂巖-2010242521圖1 典型地質(zhì)剖面圖3.2場地水文地質(zhì)特征該場地

9、地下水，屬潛水型地下水，勘察期間為枯水期，水面埋深1.85.2m，粉細(xì)砂層下部、卵石層為主要含水層，主要由大氣降水及黃河上游側(cè)向補(bǔ)給，水位變化幅度約1.0m。卵石層滲透系數(shù)一般為40m/d。4 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與降水4.1支護(hù)方案圖2 基坑支護(hù)平面布置圖考慮本基坑工程開挖深度、周邊環(huán)境、地質(zhì)條件、安全經(jīng)濟(jì)性等因素，結(jié)合地區(qū)支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，對允許放坡的基坑南側(cè)，采用復(fù)合土釘墻進(jìn)行支護(hù)，北側(cè)采用土釘墻支護(hù)；對于基坑西側(cè)環(huán)境條件特別緊張，必須保護(hù)既有建筑物安全，采用排樁預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行支護(hù)；對于環(huán)境條件較緊張的基坑?xùn)|側(cè)，采用上部土釘墻放坡下部樁錨聯(lián)合支護(hù)，基坑支護(hù)平面布置圖見圖2。4.2支護(hù)設(shè)計(jì)（

10、1）基坑南北側(cè)支護(hù)基坑深度北側(cè)為8.5m，南側(cè)為11.6m，見圖2。南側(cè)環(huán)境條件較為緊張，地下車庫邊界線離建筑紅線為8.5m，采用本地區(qū)深基坑較常用的復(fù)合土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)，見剖面圖3；土釘墻分2級放坡，坡度分別為1：0.58和1：0.3，一級土釘墻坡度盡可能緩，可有效卸除土體荷載，二級土釘墻坡度稍大，可減少土方開挖，滿足放坡環(huán)境要求。基坑北側(cè)離道路雖有十余米，但是考慮施工臨舍和料場要求，采用土釘墻支護(hù)，類似圖3中第一級放坡土釘墻。土釘墻掛6.5250×250mm鋼筋網(wǎng)，橫縱各1根141.5×1.5mm通長加強(qiáng)筋，噴射80mm厚混凝土面層，混凝土強(qiáng)度等級為C20。土釘鋼筋為1根

11、221.5m，孔內(nèi)注M20水泥砂漿，注漿體直徑為110mm；預(yù)應(yīng)力錨桿長12m，鋼筋為1根252.5m，錨固段長7m，施加預(yù)應(yīng)力為140kN。圖3 復(fù)合土釘墻支護(hù)剖面圖 圖4 基坑西側(cè)聯(lián)合支護(hù)剖面圖 （2）基坑?xùn)|西側(cè)支護(hù)：基坑?xùn)|、西側(cè)地下車庫邊界線距建筑紅線均約3.5m，但結(jié)合現(xiàn)場情況，考慮安全經(jīng)濟(jì)性要求，東側(cè)基坑采用上部放坡開挖+下部排樁預(yù)應(yīng)力錨桿聯(lián)合支護(hù)形式。基坑上部采用坡度盡可能緩的土釘墻支護(hù)，既可卸除土體荷載，減小支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壓力，同時(shí)可以減少樁長，有效降低工程造價(jià)；基坑下部采用樁錨支護(hù)，可充分發(fā)揮其抗變形能力，見剖面圖4。西側(cè)基坑采用樁錨垂直支護(hù)結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力錨桿位于樁頂下2m處。支護(hù)樁

12、直徑為0.8m，嵌固深度為4.0m，樁間距為2.0m，樁身配筋為1825，在樁身最大彎矩處采用局部加密配筋進(jìn)行優(yōu)化，樁身混凝土強(qiáng)度為C35；預(yù)應(yīng)力錨桿長15m，錨固段長10m，錨桿鋼筋為1根322.0m，注漿體直徑為130mm，注漿采用二次高壓注漿，預(yù)應(yīng)力鎖定值為210kN；樁間采用土釘墻護(hù)壁。用同濟(jì)啟明星軟件對支護(hù)樁和土釘墻的穩(wěn)定性分別進(jìn)行驗(yàn)算，其整體穩(wěn)定性安全系數(shù)及抗滑移、抗傾覆安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，實(shí)際開挖證明支護(hù)設(shè)計(jì)方案較為合理。 4.3基坑降水根據(jù)地勘報(bào)告，綜合考慮該基坑特點(diǎn)及支護(hù)造價(jià)等因素，在確保基坑安全施工的前提下，采用管井降水加坑內(nèi)明排的降水方案。降水井布置在基坑四周，井徑60

13、0mm，間距約為1518m不等，井位中心距基坑上口線1.5m左右，降水井深13m且降水井底部進(jìn)入泥巖深度不得小于3m。值得說明的是，施工中需結(jié)合地勘和現(xiàn)場施工情況，將位于粉細(xì)砂層的降水井設(shè)置為不透水形式，即管井降水從卵石層中下部開始，防止粉細(xì)砂隨水抽出，保證抽水含砂率小于5，以免引起周圍地基沉降?；禹敳坎捎?%倒坡防水，防止地表水流入基坑或雨水沖刷坡面，影響基坑土體穩(wěn)定性，在基坑頂部距坑邊1.00m處設(shè)置300×300mm排水明溝，在坑底為排凈基坑內(nèi)的卵石層滲水，周邊設(shè)置300×300mm排水明溝，溝底處于砂巖層中，且每隔30m設(shè)置一個(gè)深度不小于1.0m的集水井。5 支護(hù)

14、結(jié)構(gòu)施工要點(diǎn)隨著筆者對基坑工程事故的分析認(rèn)為，結(jié)合近年基坑施工經(jīng)驗(yàn)，將施工中關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)根據(jù)基坑施工順序總結(jié)如下。5.1支護(hù)樁施工(1)支護(hù)樁樁位盡量保持直線，便于后續(xù)冠梁施工；成孔垂直度不得超出設(shè)計(jì)許可，防止樁身傾斜導(dǎo)致基坑位移;成孔避免塌孔，本地區(qū)常見的雜填土層或砂卵石層可通過加鋼護(hù)筒或倒掛壁施工等方法解決；(2)樁身鋼筋籠制作要符合圖紙要求，不得一味控制材料損耗率，樁身主筋出現(xiàn)多段短鋼筋搭接或不同型號鋼筋拼接;正負(fù)彎矩加密配筋布置要合理，防腐除銹需重視；(3)鋼筋籠須按設(shè)計(jì)要求加保護(hù)層，吊裝時(shí)要保證垂直，套筒連接牢靠；(4)成孔后混凝土澆筑要及時(shí)，避免樁體蜂窩或斷樁，致使基坑位移，引發(fā)

15、基坑工程事故，如圖5所示；同時(shí)，考慮經(jīng)濟(jì)和后續(xù)冠梁施工方便盡量控制灌樁超方(連同冠梁高度控制在1m以內(nèi)為宜)。 圖5 斷樁引發(fā)的基坑事故5.2基坑降、排水(1)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行基坑降水，抽水時(shí)注意控制含砂率；對于基巖中的裂隙水，要結(jié)合設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行有效的眀排，避免導(dǎo)致局部地下巖石裂隙水較大、流入坑內(nèi)，影響坑壁支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；(2)布設(shè)有效的基坑排水系統(tǒng)，避免泥巖遇水軟化、強(qiáng)度流失，如圖6所示。 圖6 強(qiáng)風(fēng)化巖強(qiáng)度流失5.3土方開挖(1)土方嚴(yán)禁超挖，每次開挖深度嚴(yán)格小于2.5m；開挖與噴錨支護(hù)要很好銜接，噴錨結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可進(jìn)行下一次開挖；(2)修坡要達(dá)到設(shè)計(jì)坡率，避免坡面凹凸不平；(3)

16、土方開挖后一定要及時(shí)噴護(hù)，特別是防止本地區(qū)常見的強(qiáng)風(fēng)化巖層因暴露、遇水產(chǎn)生嚴(yán)重強(qiáng)度流失，如圖6所示。5.4土釘墻施工(1)成孔要嚴(yán)防塌孔，當(dāng)遇到雜填土層或砂卵石層塌孔時(shí)，可采用套管跟進(jìn)解決；若成孔后發(fā)現(xiàn)塌孔，則需及時(shí)清孔，若塌孔嚴(yán)重，則需棄掉重打(廢孔需用水泥漿注滿)；(2)土釘鋼筋要注意與鋼筋網(wǎng)片和加強(qiáng)筋的有效焊接；樁間土釘墻連接要牢靠，冠梁最下面一根縱筋上可預(yù)埋樁間土釘墻網(wǎng)片鋼筋，防止因凍脹或工期延長而脫落，如圖7所示。 圖7 凍脹導(dǎo)致坡面損毀5.5預(yù)應(yīng)力錨桿(索)施工(1)成孔要求同土釘；(2)自由段要按設(shè)計(jì)要求使其充分自由，抹黃油加套管；(3)預(yù)應(yīng)力錨桿焊接或套筒連接須牢靠，對中支架禁

17、止省去；(4)預(yù)應(yīng)力錨索加工要規(guī)范，“棗核”要形成，導(dǎo)向帽、鋼束線環(huán)和支撐架綁扎要牢靠；(5)底部注漿和二次注漿壓力要達(dá)到，確保錨固效果；(6)預(yù)應(yīng)力張拉鎖定須規(guī)范，做好記錄。6 結(jié)論隨著西北地區(qū)城市建設(shè)加快，基坑工程日益深大復(fù)雜，基坑支護(hù)面臨的安全和經(jīng)濟(jì)性要求也相應(yīng)提高。本文基于蘭州某深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)和本地區(qū)多年施工經(jīng)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：(1) 實(shí)踐表明，本方案有效控制了基坑開挖過程中產(chǎn)生的變形，達(dá)到了基坑安全性經(jīng)濟(jì)性要求；特別是上部采用坡度盡可能緩的土釘墻放坡，卸除部分土體荷載，有效減小主動(dòng)土壓力，下部采用在樁身最大彎矩處局部加密配筋的樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，可供類似工程參考借鑒。(2)基坑開挖過程

18、中，土方開挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)施工協(xié)調(diào)必須恰當(dāng)，嚴(yán)禁土方超挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)施工越快越好，在基坑存在安全隱患時(shí)，需及時(shí)排查分析并采取有效措施。(3)在蘭州地區(qū)粉細(xì)砂層的降水較為困難，需嚴(yán)格控制抽水含砂率；同時(shí)，基坑降水經(jīng)驗(yàn)成分較大，定量關(guān)系有待進(jìn)一步研究。(4)當(dāng)采用較為常規(guī)的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深基坑支護(hù)時(shí)，及時(shí)統(tǒng)計(jì)、分析與反饋基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)對保證基坑安全具有重要作用。參考文獻(xiàn)1 劉建航, 侯學(xué)淵. 基坑工程手冊(第二版)M. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2009.2 朱彥鵬, 羅曉輝, 周 勇. 支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)M. 北京: 高等教育出版社, 2008.3 中國建筑科學(xué)研究院. JGJ1202012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程S. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2012.4 馬道樂, 龍軍屹, 李新生, 等. 土釘和樁錨聯(lián)合支護(hù)在深基坑中的應(yīng)用J. 施工技術(shù),2007,36(9)：14.5 孔令偉, 陳正漢. 特殊土與邊坡研究進(jìn)展綜述報(bào)告R. 第十一屆全國土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)