在砂卵石地層深基坑支護中土釘墻技術的應用實踐

牟聯合， 馮升學

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

成都地區建筑物基坑施工由于受周邊建筑物的場地限制影響，以及建設工期和節省造價的要求,在深基坑臨時支護方式中，選擇使用土釘墻支護技術。土釘墻是由間距較小、長度較短的土釘(注漿的錨管)、噴射混凝土面層和被加固土體組合而成的加筋式復合土體的支護結構體系，因其工程造價經濟、施工簡便、施工周期短、對場地要求較小等特點，在高邊坡工程、深基坑工程中得到了廣泛的應用，上世紀90年代后逐漸應用于高層建筑的深基坑開挖的支護工程中，但在砂卵石地層深基坑支護方案采用土釘墻支護的施工難度較大，有一定設計技術水準。通過一工程實例，探討了在砂卵石地層中采用土釘墻支護的設計、施工經驗。

1 工程概況

1.1 基本情況

某大樓位于光華大道南側，正北面為溫江花博會主會場，距溫江城區約1 km；擬建建筑物包括19層的辦公主樓(1號樓)和2層的檔案館及會議中心(5號樓)等，1號樓部分設置2層地下室，5號樓部分設置1層地下室，兩部分基坑在地下室一層連為一整體，基坑形狀呈“L”形。1號樓基坑坑底標高為-11.50 m，5號樓基坑坑底標高為-6.80 m，地面標高為-0.80 m，基坑開挖深度分別為10.70 m和6.00 m。基礎形式采用筏形基礎，結構類型為剪力墻結構。為保證結構施工時基坑邊坡穩定及場地周邊設施、建筑物安全，決定在基坑開挖時采用土釘墻進行支護(見表1)。

表1 基坑概況

1.2 工程地質

場地處于成都平原中部，該區域構造屬新華夏系第三沉降帶四川盆地西部，區內斷裂構造和地震活動較微弱，歷史上未發生過強烈地震，從地殼穩定性來看應為穩定區。根據勘察所揭露深度40.2 m范圍內地層，表層為耕植土層，下部為第四系更新統沖洪積層(粉質黏土、砂層及卵石層)。基坑施工范圍內大部分為砂卵石地層,各層的巖性特征如下：

耕植土①層：淺黃色、灰黑色，干～稍濕，松散。主要由黏性土組成，含大量植物根系，場地內廣泛分布，層厚0.40～1.30 m。

粉土②層：灰黃色、淺黃色、灰色，稍濕，松散。主要由粉粒組成，含部分黏粒，場地內廣泛分布，層厚0.40～3.2 m，埋深0～1.5 m。

粉質黏土③層：灰黃色﹑淺黃色﹑黃褐色，稍濕，松散。主要由黏粒和粉粒組成，層厚0.50～1.60 m。

細砂④1層：灰色、灰白色、淺灰色，稍濕，松散。主要由石英、長石、云母片和大量暗色礦物組成。主要分布于卵石層頂部，個別地段漸變為中砂或粗砂，分布廣泛，厚度變化大，層厚0.20～1.3 m，埋深0.50～2.6 m。

中砂④2層：褐黃、褐灰、黃灰色，很濕～飽和，松散。以長石、石英為主，含少量云母片、暗色礦物，其中混有少量卵石及圓礫。該層呈薄層或透鏡體狀不規則分布于卵石層中，層厚0.5～2.9 m，埋深0.70～21.1 m。

卵石⑤層：母巖成分以花崗巖、石英巖、閃長巖為主，一般粒徑3～10 cm，最大粒徑20 cm左右。上部花崗巖呈中～強風化。充填物以中細砂為主。磨圓度、分選性中等，各段卵石含量不均勻，大部分在50%以上，有愈向深處愈為密實的趨勢。卵石層埋深0.5～3.7 m。

1.3 水文地質條件

場地地下水主要賦存于第四系砂卵石層中，屬孔隙潛水，受大氣降水及地下水徑流補給，場地內地下水位埋深5.5～6.9 m，在進行地下水位以下基坑開挖施工前進行基坑降水，將地下水位降至開挖底面以下。

2 土釘墻支護的作用原理

土體的抗剪強度較低，抗拉強度幾乎為零，但土體具有一定的整體性，在基坑開挖時可使土體保持直立的臨界高度，超過這個高度將發生突發性、整體性破壞。在土體中放置土釘與土共同工作，形成復合土體，有效地提高土體的整體剛度，彌補土體抗拉、抗剪強度的不足。通過相互作用和應力重分布，使土體自身結構強度的潛力得到充分發揮，改變土體破壞形態。

3 土釘墻設計

由于基坑距已有建筑較遠，地表載荷較小，且具備一定的放坡開挖條件，根據場地所處位置、巖土工程條件和施工條件，結合成都市區常用的、既經濟又安全的基坑支護方式，并經多種支護方式的分析比較，確定采用土釘墻支護方案。支護段周長約725 m，護壁高6.0～10.7 m，總支護面積約6 967 m2。

3.1 土釘支護設計

3.1.1 設計參數的確定

(1)巖土物理力學參數。支護設計所需的巖土物理力學參數按巖土工程勘察報告選用。

(2)放坡寬度。根據場地施工條件和土釘墻支護的特點，基坑開挖放坡寬度為2.6～2.8 m，局部1.8 m。

(3)開挖深度。擬建建筑地下室頂板標高相對±0.000的高程為-5.85和-9.90 m，需開挖至-6.80～-11.50 m。根據場地現狀基坑開挖深度為6.0～10.7 m，局部4.7 m。

(4)地表堆載。在基坑開挖和基礎施工過程中，場地周邊會堆放一些建筑材料以及施工機具和人員的通行，地表堆載按均布荷載考慮，均布荷載q0取5 kN/m2。

3.1.2 設計參數的計算

(1)地表堆載q0引起的側壓力σ0k，用公式(1)計算。

σ0k=q0

(1)

(2)自重豎向應力σrk。

①計算點位于基坑開挖面以上時，用公式(2)計算:

σrk=γmjzj

(2)

式中γmj——深度zj以上土的加權平均天然重度。

②計算點位于基坑開挖面以下時，用公式(3)計算:

σrk=γmhh

(3)

式中γmh——開挖面以上土的加權平均天然重度；

h——基坑開挖深度。

(3)基坑外側豎向應力標準值σajk，用公式(4)計算。

σajk=σ0k+σ1k+σrk

(4)

(4)支護結構水平荷載標準值eajk。

①當計算點位于地下水位以上時，用公式(5)計算:

eajk=σajkKai-2cik(Kai)1/2

(5)

②計算點位于地下水位以下時，用公式(6)計算:

eajk=σajkKai-2cik(Kai)1/2+[(zj-hwa)-(mj-hwa)ηwaKai]γw

(6)

式中Kai——第i層土的主動土壓力系數；Kai=tg2(45-φik/2);

φik——第i層土的內摩擦角標準值；

cik——第i層土的黏聚力標準值；

hwa——基坑外側水位深度；

ηwa——計算系數；

mj——計算參數；

γw——水的重度；

h——基坑開挖深度。

(5)單根土釘抗拉承載力計算，用公式(7)計算。

1.25γ0Tjk≤Tuj

(7)

Tjk=ζeajkSxiSzi/cosαj

Tuj=(πdnj∑qsikli)/γs

式中Tjk——第j根土釘受拉荷載標準值；

Tuj——第j根土釘抗拉承載力設計值；

ζ——荷載折減系數；

Sxi、Szi——第j根土釘與相鄰土釘的平均水平、垂直距離；

αj——第j根土釘與水平面的夾角；

dnj——第j根土釘錨固體直徑；

qsik——土釘穿越第i層土體與錨固體極限摩阻力標準值；

li——第j根土釘在直線破裂面外穿越第i層穩定土體內的長度。

3.2 土釘墻整體穩定性分析

土釘墻應根據施工期間不同開挖深度與基坑地面以下可能滑動面采用圓弧滑動簡單條分法按下式進行整體穩定性驗算，用公式(8)計算：

∑cikLi+s∑(wi+q0bi)cosθitgφik+∑Tnj×[cos(αj+θj)+sin(αj+θj)tgφik/2]-sγkγ0∑(wi+q0bi)sinθi≥0

(8)

Tnj=πdnj∑qsiklni

式中Tnj——第j根土釘在圓弧破裂面外錨固體與土體的極限抗拉力；

lni——第j根土釘在圓弧破裂面外穿越第i穩定土體內的長度。

3.3 設計計算結果

根據上述計算參數和依據進行計算，具體確定的支護技術指標如下：

(1)基坑土釘墻護壁段總長度為725 m，護壁面積約6 920 m2，護頂寬度1.0 m，局部0.7 m。第一排距地面1.0～1.2 m，豎向間距1.5 m，水平間距1.2～1.5 m，土釘傾角為15°。具體布置見表1。

(2)土釘是選用直徑Ф48、壁厚3.3 mm的鋼管，且管壁預鉆Ф8的灌漿梅花孔洞，管內灌注0.5 ∶1純水泥漿構成，土釘外露端部用縱、橫向加強筋均為Ф14；基坑深度4.7 m和6 m的鋼筋網為Ф6.5、間距為300 mm×300 mm，基坑深度10.7 m的鋼筋網為Ф8、間距為200 mm×200 mm，所有鋼筋網翻卷寬度1.0 m，其上作護頂。

噴射C20細石素混凝土，厚度100 mm；設置排水管采用Ф30PVC管，長度500 mm，縱橫向間距3 m。

表1基坑各斷面土釘支護布置

基坑斷面土釘排數土釘長度/m豎向間距/m橫向間距/mD1712、11、11、10、8、6、51.51.2D2710、10、9、8、7、6、51.51.5D3711、9、8、7、7、6、51.51.5D4710、9、9、8、8、6、51.51.5D5710、9、9、8、7、6、41.51.5D649、8、7、61.51.5D746、5、4、31.51.5D846、5、4、41.51.5D935、4、31.51.5D10711、11、10、9、8、6、51.51.5D11711、9、9、8、7、6、41.51.5

4 土釘墻的主要施工

工程施工于2007年6月開始，10月結束；土方開挖采用“先周邊，后中間”原則，分段開挖，作業面在水平方向上按20 m距離分段開挖。基坑支護施工在每一層周邊開挖完成后進行，與該層中間的開挖交叉施工，每層的開挖深度控制在1.5～1.8 m以內，在遇含砂層時控制在1 m以內。

4.1 主要設備和人員投入(見表2)

電動空壓機額定功率55 kW，混凝土噴射機7.5 kW，電焊機20 kW，注漿機11 kW，灰漿攪拌機7.5 kW，砂輪切割機2.5 kW。

4.2 土釘結構示意(見圖1)4.3 工藝流程

主要施工工藝流程為：

圖1 錨管土釘

土方開挖→人工清坡到位→錨桿機就位→土釘施工→掛鋼筋網及焊接加強筋→噴射混凝土→一次土釘灌漿→待凝→二次灌漿→下一層土方開挖的循環順序進行施工作業。

表2 勞動力及施工機具

當施工遇見純砂層或砂卵石地層時，則在人工清坡后錨桿施工前進行初噴混凝土及掛鋼筋網，以防止砂(卵)石層坍塌。

4.4 土釘墻施工過程控制要點

(1)在基坑邊坡分層分段開挖后，應及時跟進土釘墻施工，防止開挖邊坡的長時間裸露，尤其是砂層要及時素噴覆蓋。

(2)土釘施工前按設計要求定出位置并作標記和編號，位置誤差小于150 mm，土釘傾角誤差小于3°，孔深誤差小于+200 mm、-50 mm，土釘施工過程中遇障礙物或難以達到設計要求時，可適當調整位置或增加土釘數量。

(3)錨管的注漿質量是保證土釘拉拔力的關鍵，嚴格控制注漿質量，主要抓好對注漿結束標準及注漿壓力的控制，在每一次灌漿結束且終凝后，即可進行補強灌漿。

(4)噴射混凝土順序自下而上進行，噴頭與受噴面距離0.8～1.5 m，射流方向與噴射面垂直，鋼筋部位應先噴填鋼筋后方，再噴面層覆蓋。混凝土終凝后，應噴水精心養護。

(5)對于場地分布有細砂、中砂地段，應嚴格控制土方開挖深度不超過1.5 m，并挖探槽，若層厚超過1.0 m，應先做斜管，注漿24 h后才開挖下一層；現場準備一定數量裝滿砂的紡織袋及撐木，以備急用于土質差地段(淤泥、砂層、雜填土、人工填土等)或嚴重滲水地段，土方開挖及噴錨支護過程中，應隨時觀察坑壁坑頂有無裂縫及其變化情況，若有變化，采取加固措施。

(6)在基坑支護期，直至地下室回填，堅持做好基坑邊坡變形觀測，在基坑周圍平均布置了15個變形觀測點，在基坑成型初期每天觀測1次，在基坑支護結構變形趨于穩定后，3天至1周觀測1次，若出現位移值較大等異常情況應及時進行處理，從變形觀測數據來看，除剛提到的變形觀測點最大為28 mm外，其余各段變形值都較小，說明土釘墻支護結構整體上是穩定的。

(7)對于第一排土釘距地表大于2 m或地層松軟的地段，加設Φ16地表錨拉筋；在距坡口6～10 m以外打Φ50的鋼錨拉桿，并與邊坡鋼筋網上的Φ16鋼筋連接，垂直錨桿間距3～5 m，以預防坡頂的變形。

(8)要做好坡頂排水和防水工作，在坡頂1.5 m范圍內，用15 cm水泥砂漿封口，避免水滲漏沖刷邊坡，引起邊坡失穩；特別要做好基坑周邊降水設施的有效運行，雨季坡頂的排水工作，確保基坑邊坡支護期的安全。

(9)地表堆載：在基坑開挖和基礎施工過程中，場地周邊會堆放一些建筑材料以及施工機具，地表堆載按均布荷載考慮，均布荷載q0控制在5 kN/m2以內。

(10)遇密實砂卵石層或粒徑大于15 cm的卵石，采用錨桿機鉆進時，鉆進至4～5 m深后，錨桿很難繼續鉆進，該工程中遇到此類問題，只有移孔位、采取人工掏孔或增補錨桿措施，沒有其他更好的處理方法。

5 結 語

該項目土釘墻支護工程設計和施工為建筑主體的順利實施提供了充分的保障和條件，期間經受了“5·12”汶川大地震沖擊的安全考驗，為在砂卵石地層實施土釘墻方案提供了成功的實踐經驗，在砂卵石地層深基坑支護中土釘墻技術得到了很好的應用。