粗顆粒土層組合中的超深基坑復合土釘墻支護的合理性分析及探討

劉 伍，趙云峰，鄭小體，李向虎，李海明

（北京市地質工程設計研究院，北京 101500）

0 引言

根據有關規范及工程實踐，單一土釘墻支護形式主要應用于基坑深度小于10m的情況，當基坑深度超過10m，通常采用復合土釘墻支護，但對于基坑深度接近或超過15m時，仍采用一般的復合土釘墻支護，就存在較大的技術難度及安全風險。尤其對于以粗顆粒地層組合為主的超深基坑，因其土層基本不具有黏聚力，這就造成在基坑開挖過程中，土體側壁的穩定性較差，給基坑支護設計帶來極大難度，也給施工帶來極大風險。

目前，在北京地區，已有不少的超深基坑采用復合土釘墻支護的實例，有成功，也有失敗，需要不斷進行總結、完善。

筆者以北京世界之花工程為例，進行相關介紹及論述。

1 工程概況

場地位置：本場地位于大興區德賢路西側，久敬莊路南側。

擬建物基本特征：建筑控制高度≤50m，建筑地上14層，地下2層，地下室埋深14.7m。

基坑周邊環境條件：擬設計基坑北側壁上口線距北側久敬莊路6～26m（西寬東窄，漸變），其它三側基坑上口線以外15m之內均無已有地面建筑及地下管線等。

地形地貌：擬建場地地貌單元位于涼水河沖積扇中上部，地形基本平坦，現地面標高34.88～40.80m。

地層情況參見圖1。

地下水條件：2012年6月勘探時揭露一層地下水，為潛水類型，靜止水位埋深32.00～36.70m，絕對標高2.58～3.45m。對本基坑開挖、支護無影響。

2 復合土釘墻支護設計概要

2.1 支護結構設計條件

基坑深度14.70m，根據基坑周邊條件，和地層組合及地下水條件，可采用“預應力復合土釘墻支護”。從土釘墻支護的潛力方面來講，本基坑的深度已屬于超深基坑的深度，再加上開挖支護深度內的地層組合是以淺部填土、其下為粗顆粒土組合為主，已充分表明本基坑的支護設計難度及施工風險極大，需要引起高度重視。

該基坑側壁安全等級判定為二級，重要性系數取1.0，距基坑上口線≥2.5m的地面允許載荷≤20kPa，作用寬度15m，基坑支護工程設計使用年限1年。

圖1 場地北邊界土層簡化剖面圖

2.2 基坑支護設計參數

本文僅對基坑北側壁支護方案進行介紹、討論。

基坑北側壁全長約302m，自上而下設置土釘及預應力錨索共計10道，其中第2、4、6、8道為預應力錨索，其余各道均為土釘，土釘為成孔灌注釘，梅花形布置，水平間距為1.5m。

參見圖2、圖3、表1、照片1。

圖2 基坑北側壁復合土釘墻支護平面位置關系圖

表1 基坑北側壁復合土釘墻設計參數統計簡表

圖3 基坑北側壁復合土釘墻支護設計剖面圖

照片1 竣工后基坑北側壁復合土釘墻坡面

3 土釘、錨索受力測試及變形監測

3.1 土釘拉力測試儀器布設

（1）儀器設備

本工程土釘拉筋直徑22mm、25mm。

本工程采用HC-1300系列鋼筋應力計，鋼筋應力計最大拉伸量程為200Mpa，拉伸分辨率≤0.05（%F·S）。

（2）鋼筋計布設

于基坑北壁自西向東選2個剖面（1-1剖、2-2剖），每剖6根土釘，共計12根。分別為第1道土釘、第3道土釘、第5道土釘、第7道土釘、第9道土釘、第10道土釘，沿拉筋布設鋼筋計，間距1.5～2.0m。在實際工作中，1-1剖面中的第3道土釘鋼筋計未來得及布設（圖4、圖5）。

圖4 鋼筋應力計埋設位置設計圖（1-1剖）

圖5 鋼筋應力計埋設位置實施圖（1-1剖）

3.2 土釘拉力測試結果及分析

3.2.1土釘拉力實測值時程分析

根據“土釘拉力實測值時程曲線”（圖6），土釘的受力過程呈現明顯的階段性：土釘從“成孔、鋼筋置入、注水泥漿 → 水泥漿養護 → 基坑再次下挖、土釘受力”，此過程重復進行，最終完成基坑的開挖與支護工作。

從時程曲線中可以看到如下規律：基坑在每一步下挖時，基坑側壁土體側壓力突然釋放，土釘受力驟然增加。顯然，每道土釘水泥漿體是否充盈、飽滿、養護強度是否達到要求，非常重要?？梢姡练矫坎较峦谂c土釘每步施工之間的協調配合非常重要，水泥漿體養護不足時，土方不得下挖。

圖6 土釘拉力實測值時程曲線（1-1剖面）

3.2.2土釘最大拉力及其作用位置分析

根據基坑挖至14.70m時的“土釘拉力實測值沿土釘長度分布曲線”（圖7），可以看到如下規律：

圖7 土釘拉力實測值沿土釘長度分布曲線（1-1剖面）

（1）第1道、5道、7道土釘受力規律基本一致，即，每道土釘自基坑側壁向土體內部，土釘受力由小變大，到達峰值后，逐漸變小，在土釘末端受力較小，甚至不受力。底部的土釘（第9道、10道）未呈現這種規律，參見圖7。

（2）第1道、5道、7道、9道、10道土釘的總體受力大小，自上而下總體上呈現：“上下小，中間大”的分布規律，與理論受力模型一致。參見圖6、圖7。

（3）土釘最大拉力點及其作用位置

將第1道、5道、7道土釘受力最大點連線（圖8、圖9），并向下、向上延伸，此線就是實測的最危險滑動面位置，其與理論計算預測滑動面基本重合，只是頂部寬度變小，底部沒有到達墻根，而是在其上方提前滑出，表現為實測滑動土體小于理論預測的滑動土體，支護結構比預期的要堅固、穩定。

圖8 土釘鋼筋最大拉力作用點位置沿深度分布圖（1-1剖）

圖9 土釘鋼筋最大拉力值沿深度分布圖（1-1剖面）

3.3 錨索軸力測試

3.3.1錨索軸力計布設

（1）儀器設備

本工程采用HC-1400型振弦式錨索測力計進行錨桿軸力量測。

測量范圍 （kN） 1000kN

最小讀數 K （kN/F） ＜0.4

允許超量程 20%F.S

（2）在錨頭與墊板之間安裝軸力計，每道錨索安裝1個軸力計；

（3）測定方法及數量，在基坑北壁1-1剖及2-2剖位置，4道錨索，2個剖面，共計8個軸力計。在安裝前，采集振弦式軸力計初始數據。并根據施工進度，對軸力計的數值進行采集。

3.3.2 錨索軸力測試結果及分析

為防止錨索張拉鎖定不足，特在錨索端部對面層強度進行加強（圖10）。根據“錨索軸力計拉力實測值時程曲線（圖11），可以看到如下規律：

（1）每道錨索在張拉鎖定后，會出現快速松弛現象，明顯小于初始張拉的150kpa。因工期較緊，面層養護僅4～5天，就強行張拉，面層強度不夠，未采取加大張拉初始值以保證鎖定值措施，也未進行隨后的補張拉。

（2）隨基坑向下開挖，1-4#道、2-6#道前段增加趨勢顯著，1-6#道、2-2#道呈緩慢增加趨勢，反映出錨索的作用隨挖深在逐步得以發揮。

（3）隨基坑向下開挖，1-8#道、2-8#道實測值基本處于平穩狀態，這與其距槽底較近有關。

（4）異?，F象：1-2#道實測值一直在緩慢減小，經證實，此道錨索在張拉鎖定時有失效跡象；1-4#道軸力計在11月3日前，測試結果正常，11月3日突降暴雨，此后測試數據異常，顯示本道錨索基本失效，可能與雨水再次沿坑外側附近新挖填的臨水暗埋管線下滲浸潤坡體有關；2-6#道軸力計導線在槽深13.5m時被掉塊砸壞，無后續數據。

圖10 復合土釘墻腰梁部位面層配筋大樣圖

圖11 錨索軸力計拉力實測值時程曲線（1-1剖面；2-2剖面）

3.4 坡頂水平位移監測結果及分析

3.4.1 監測點布設

基坑北側壁全長約302m，坡頂布設水平位移監測點14個，編號B1～B14，基坑側壁安全等級確定為二級，準許最大水平位移58mm（按基坑深度14.7m×4‰），變化速率≤6mm/d。參見圖12。

3.4.2 監測變形結果

11月14日，基坑開挖至基底后，又經20天持續監測，基坑北側坡頂水平位移監測值基本處于穩定狀態。監測結果表現為：

圖12 基坑北側壁復合土釘墻坡頂變形監測點布置圖

北坡西段（監測點B1～B7）坡頂水平位移較小，變形值5～11mm。

北坡中段（監測點B8～B9）坡頂水平位移增加至24mm，B9點出現變形正值。

北坡東段（監測點B10～B14）變形較大，變形值27～85mm。

參見圖13、圖14。

圖13 基坑北側壁挖至基底穩定后坡頂各監測點水平變形圖

圖14 基坑北側壁坡頂水平位移實測值時程曲線

3.4.3 監測變形結果分析

北坡西段（監測點B1—B7）：坡頂距北側久敬莊路約19～27m，超過基坑1倍開挖深度，坡頂外側無堆載，顯示基坑在挖深14.7m，且無荷載狀態下坡頂正常水平位移結果，位移5～11mm。

北坡中段（監測點B8—B9）：坡頂距北側久敬莊路約16～19m，恰為基坑1倍開挖深度，坡頂外側無堆載，此段坡頂變形理應與西段相近，實際卻不然，此部位實測值突然增加至24mm（監測點B8）。

北坡東段（監測點B10—B14）：坡頂距北側久敬莊路約6～13m，坡頂外側無堆載，但其北側公路是本場地運土的主要道路。

監測點B10—B13坡頂水平位移最終穩定值為60～85mm，已超過規范準許的58mm（基坑深度14.7m×4‰），基坑變形主要發生在開挖至深度4.0m之前，此前位移已達到50～79mm，并一直穩定到下挖至基底深度，隨后，坡頂位移僅增加10mm左右。經初步分析，這最后增加的10mm位移可能與運土車量距坡頂較近有關。監測點B14距東端頭約10m，最終水平位移穩定值27mm，其雖距北側運土道路僅6m，但其恰處于與東邊坡構成的陰角附近，對抗變形有利。

3.4.4 坡頂水平變形異常值分析

（1）暴雨沿臨水管線溝槽下滲

沿基坑北坡坡頂外側，總包單位新挖埋一條臨水管線，未進行正?；靥顗簩崳孛嫘纬闪艘粭l低洼溝槽，此溝槽東端距基坑上口線約2m，在監測點B8附近距基坑上口線約13m，向西逐漸遠離基坑上口線，參見圖12。8月31日晚間突降暴雨，雨水沿坡頂外側的臨水管線溝槽大量匯水下滲，對北坡中段（監測點B8、B9）、東段（監測點B10—B13）坡頂變形影響極大，而對西段（監測點B1—B7）坡頂變形影響不明顯。在基坑挖至基底前，未對坡頂外側地面進行硬化。

（2）薄弱地段未及時采用拉錨措施

受淺部雜填土大量硬塊影響，土釘成孔困難，第1道土釘開孔位由地面下1.2m下移至1.6m，且對其未采取沿坡面向外拉錨措施，中段具備拉錨條件，東段坡頂外側地面寬度較小，基本不具備拉錨條件；9月2 日，基坑深度4.0m，第2道土釘尚未施工，第1道錨索施工后，尚未張拉。此時，邊坡變形已趨于失控狀態。

（3）暴雨下滲與未及時拉錨兩種情況疊加

北坡中段B8—B9監測點：暴雨下滲造成B8點附近的槽底側壁滲水、流砂，坡面滲水長度達30m，并引起1-1剖中的1-2#錨索張拉鎖定失效。參見照片2。

B9點變形顯示正值，主要是距馬道口較近所致。

北坡東段B10—B13監測點：坡頂水平變形值在9月2日突發變形至50～79mm，主要與8月31日晚間降暴雨下滲、坑深4m時僅有1道土釘發揮作用有關。

照片2 監測點B8附近槽底側壁滲水、流沙

3.4.5 坡頂水平變形合理值分析

北坡西段：通過北坡西段變形監測結果可知，在坡頂外側無外荷載情況下，本基坑邊坡坡頂最大水平變形實測值5～11mm，遠小于規范準許的58mm（基坑深度14.7m×4‰）。

北坡東段：坡頂水平變形正常值應大于B14監測點的27mm，遠小于B10～B13監測點的60～85mm，推測北坡東段坡頂變形正常值 ＜40mm較合理，小于規范準許的58mm（基坑深度14.7m×4‰）。

4 對本基坑支護設計、施工工作的評價

通過本次對土釘鋼筋拉力測試、對錨索軸力測試及對基坑坡頂水平變形監測，更加清楚地認識到本復合土釘墻的實際受力狀態及變形結果，很容易的看清本次基坑支護設計及施工的成功與不足有以下幾點：

（1）從基坑支護設計角度來講，本基坑在整體受力上是安全的，遠沒有達到極限狀態，儲備較大；

（2）在基坑側壁坡頂水平變形方面，正常變形值很小，遠離公路區段僅5～11mm，緊鄰公路區段變形最大值 ＜40mm，均小于規范準許的最大值58mm；

（3）基坑開挖、支護過程中，對基坑周邊環境防范及控制不利，造成暴雨沿新挖埋的臨水管線溝槽匯水下滲浸潤邊坡土體，導致錨索張拉失效，給邊坡變形控制帶來極大危害。此外第1道土釘開孔位下移較大，且未采取地面拉錨等有效措施，加劇了邊坡變形；

（4）綜上所述，本基坑支護設計成果達到了科學、合理、經濟、可行，提供了一個在粗顆粒地層組合中的超深基坑復合土釘墻支護設計成功實例，但施工過程風險控制不到位，需要今后避免、改進。

5 結論

通過對本工程監測成果的分析及論述，對超深基坑采用復合土釘墻支護形式有了更深入的認識，主要總結如下：

（1）必須科學、謹慎的對待超深基坑采用復合土釘墻支護的適用條件，不可盲目冒險。

（2）基坑深度越大，越需加強面層強度（如，加強面層厚度、加大配筋量、設縱橫構造梁柱等）、加大錨索控制水平變形的效果（如，適當加大錨索長度、增加錨索道數等），但須與其它支護結構類型在控制變形能力、造價、工期等方面的比選。

（3）嚴格控制坑外條件及時硬化地面，防止雨水下滲侵潤坡體；管控取水點，防止水體大量滲漏；監控污水管道，防止破裂滲漏；監督新挖埋地下管線的回填質量，須達到密實回填；管控地面各種超載不得大于設計荷載等。

（4）淺部遇較厚雜填土、舊基礎等障礙物，無法成孔，需孔位下移較大時，須及時采取地面拉錨等有效補救措施，控制邊坡淺部變形。

（5）根據土釘墻受力規律，須合理布設土釘及錨索既要滿足受力要求，又要滿足穩定性及變形要求，充分體現復合土釘墻在安全及經濟方面的巨大潛力。

（6）錨索在張拉鎖定后常會出現松弛現象，主要因素有：①鎖定時鎖片的滑移影響；②相鄰錨索張拉鎖定影響；③錨位附近土體蠕變影響；④腰梁及面層強度不足影響等。當在鎖定后48小時內，錨索拉力低于設計鎖定值的90%時，應進行補張拉鎖定，否則，錨索對坡體面層變形控制將會大大削弱，甚至消失。

（7）對以粉土—粘性土為主或變形要求較嚴格的邊坡，錨索注漿宜采用二次高壓注漿工藝。

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部. 建筑基坑支護技術規程(JGJ 120-2012)[S]. 2012.

[2]北京市建設委員會，北京市質量技術監督局. 建筑基坑支護技術規程(DB11/489-2007)[S]. 2008.

[3]中華人民共和國住房和城鄉建設部，國家質量檢驗檢疫監督局. 復合土釘墻基坑支護技術規范(GB 50739-2011)[S]. 2012.

[4]秦俊生，熊宗喜，王忠柱，等. 北京亞奧國際廣場深基坑支護結構內力監測及分析研究[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程)，2006(12)： 18～22.

[5]任新見，張勝民，李世民. 土層錨桿應力損失原因分析與補償對策研究[J]. 預應力技術，2008，69(4)：24～27.

[6]姚 剛，劉曉綱，韓 森. 超深基坑復合土釘支護結構原位實驗研究[J]. 土木工程學報， 2006，3(1)：92～96.