永久性邊坡組合型支護結構的研究與應用

李大為 范蒙飛 張 沖 高 元 喬海峰 張 定

陜西建工第九建設集團有限公司 陜西 榆林 719000

隨著沙漠邊緣風積相砂土地帶土地利用率大幅度提高，工程基坑支護結構在工程中尤其重要。已建項目地處毛烏素沙漠邊緣一級臺地，旁邊是城市主干路。經勘探揭露，場地地層主要由風積相砂土組成，該地層在地質運動或風力搬運作用下會產生水平的位移而對建筑結構構成危害。本項研究成果將在風積相砂土地質環境情況下有力地解決土體對建筑主體的損壞。

近年來，眾多學者對地質移動引起的邊坡和相應的控制措施進行了大量的研究和實踐工作，劉情情等[1]研究了支護結構對建筑圍護結構的危害，并分析了某工程中臨時支護與永久支護相結合的施工應用情況。經過對比分析，在節省造價的基礎上，加快了施工進度。

1 工程概況

榆林市會展中心項目位于陜西省榆林市西南新區，內含6座展廳和1座國際會議中心，同時具有大型宴會廳及相應配套功能，是一座集國內外大型會議、展覽、宴會、商務活動等多功能于一體的綜合型公共建筑。

榆林市會展中心車庫北側緊鄰市政道路（路邊有高壓線、燃氣、消防、通信管線），高差6.5 m，基坑深度較深，場地空間有限，不具備自然放坡條件。為了保證安全施工以及避免對緊鄰市政道路的影響，需要進行專項治理。榆林市會展中心車庫設計理念為地下室外墻不受土體側向推移危害，需要一種支護結構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性基坑施工安全，又要保證車庫外墻不受土體側向推力危害的經濟、合理的永久性支擋結構。

2 設計及原理

2.1 支護工程設計

2.1.1 支護體系的要求

1）保證邊坡的穩定性，滿足地下室施工有足夠空間，同時阻斷土體向主體結構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的要求。

3）滿足經濟性、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 支護設計條件

1）工程地質條件。項目臨時開挖深度為6.28～6.73 m，永久使用階段高度為7.7 m。原始地貌低洼區域進行了填土整平。據勘察資料，邊坡支護區段場地自上而下的巖土層分布情況為：②粉細砂、③細砂、③1粉土，各土層相關物理力學指標參數見表1。

表1 場地土層相關物理力學指標參數

2）水文地質條件。場地的地下水屬于潛水類型。勘察測得的穩定水位埋深為9.2～9.4 m，相應絕對標高為1 117.10～1 117.27 m。其水位動態變化主要受降水、自然蒸發、人工開采、地面蒸發和地下側向徑流等因素影響，場地地下水位年變化幅度為1.0 m左右。

2.1.3 支護方案及典型剖面

1）支護方案。本支護工程設計堅持安全、經濟、方便施工的原則。在掌握本支護工程要求、場地工程地質和水文地質條件、場地周邊環境條件等資料后，對影響邊坡工程支護體系的安全、功能、工期、經濟等因素的主要矛盾進行分析。

根據項目實際情況，綜合比對選取了能同地基與基礎、主體結構并行施工的永臨組合型支護體系。在地基與基礎開挖施工階段，采用復合土釘墻支護，車庫主體施工階段采用板肋式錨索擋墻支護（同時阻斷向主體結構傳遞的土推力）[2]，兩者預應力錨索為共用構件，錨索使用生命周期貫穿臨時階段及永久性階段。

2）支護典型剖面。經計算，臨時階段土釘長度7.5～9.0 m，面板厚度80 mm；永久階段板肋式錨索擋墻預應力錨索抗拔安全系數為2.6，為彌補巖土層錨固力的不足，選用了分散拉力型預應力錨索，預應力錨索第1道長度為22.0 m，第2道長度為15.0 m，肋柱為500 mmh 600 mm，擋板厚250 mm。

永久性使用階段，支護結構頂部存在覆土及車輛動荷載，根據支護結構覆土荷載、車輛荷載、構件自重及預應力錨索豎向分力等具體條件，經計算，板肋式錨索擋墻采用樁基礎，受力段嵌固深度約6.9 m，樁間距2.5 m。

具體設計工況及相應工況說明見表2，支護結構典型剖面見圖1。

圖1 支護結構剖面示意

表2 設計工況匯總

2.1.4 有限元分析法

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

圖2 臨時階段總位移云圖

圖3 臨時階段剪切耗散與強度折減示意

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示意

剪切耗散與強度折減示意見圖7。

圖7 永久性階段剪切耗散與強度折減示意

2.2 施工原理

考慮到支護安全的重要性，先在護坡階段采用土釘加錨索護坡施工技術，錨索在護坡面層施工完成后首先張拉鎖定并封錨，然后緊鄰車庫外墻設置1道肋板式鋼筋混凝土擋墻，并與車庫外墻設置寬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。本技術在充分利用臨時性支護的基礎上結合永久性擋墻施工，達到永臨結合的擋墻支護工程。

3 工藝原理及操作要點

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，分段長度不宜超過20 m，分層開挖厚度按土釘/錨索/摩擦固定筋位置＋0.5 m進行控制（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 ，重力孔內灌注水泥漿，孔內漿體應灌注飽滿。土釘與面層鋼筋必須有效連接。在注漿體及噴射護坡混凝土面層達到設計強度的75%后方可開挖下層土方。土釘施工過程中遇到不明障礙物時，可適當調整孔位和傾角。

3.4 錨索施工

錨索材料釆用高強度、低松弛鋼絞線，強度1 860 MPa。鉆進過程中，應對每孔地層變化（巖粉情況）、進尺速度及一些特殊情況進行現場記錄。錨索下料采用砂輪切割機切割，避免電焊切割。采用水灰比為0.50～0.55的水泥漿進行注漿。當漿體強度達到設計強度后，方可進行張拉鎖定，在漿體未完全固化以前不得拉拔和移動錨索。錨索張拉完成后進行自由段注漿，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 護坡面層施工

每層開挖修坡完成后及時搭設施工架體，綁扎面層鋼筋網片及水平向加強筋，面層鋼筋保護層采用水泥墊塊進行控制。待土釘及錨索孔道注漿完成，同時面層鋼筋綁扎驗收完成后方可進行噴射護坡面層混凝土（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

預應力張拉前做好技術交底工作，張拉機械操作人員經過培訓合格后方能上崗。首先做好預應力筋和錨索、夾具的安裝檢驗，張拉設備的校驗，然后吊張拉設備定位安裝，安裝工作錨板、夾片，最后安裝千斤頂、工具錨、夾片等。

預應力筋的張拉采用以應力控制為主，伸長量為輔的方法。臨時性張拉一次張拉到設計值封錨，永久性張拉在張拉到設計值后觀察其變形量，在變形穩定后封錨。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械切斷，并留長5～10 cm的外露錨索，以防滑落。

3.7 永久性階段擋墻基礎施工

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

3.8 肋板式擋墻結構施工

柱、墻插筋的錨固及插筋和柱、墻上部縱筋的連接均應符合圖集11G01相關要求。模板材料必須具有足夠的剛度，模板加固應編制專項方案并嚴格按照方案要求施工，施工時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行回填土，至下層錨索底部時，停止回填，及時張拉下層錨索并鎖定，下層錨索張拉鎖定完成后繼續回填，當回填至上層錨索底部時停止回填，同時對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械切斷，并留長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 控制項目

1）錨索張拉完成后，進行自由段注漿，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）孔道灌漿時水泥漿液從孔口溢出后停止注漿；注漿后漿液面下降時，應進行孔口補漿。

3）肋板式擋墻施工時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）護坡與肋板式擋墻回填土必須與最終錨索張拉相配合，當回填至上層錨索底部時停止回填，同時對上層錨索張拉并鎖定，最后回填到位。

5 結語

臨時性支護及永久性擋墻從勘察、設計到施工，項目全過程參與，勘察收集市政數據、提出方案、方案選擇、確定支護方案、材料采購、施工。施工前注意方案選擇的合理性以及方案中重難點捕捉，最大程度把施工中碰到的重難點消化在設計中，本項目在施工前解決了錨釘和錨索與市政管網沖突的問題、鉆孔孔壁坍孔、錨索張拉等難點問題[5]，同時根據項目場地實際情況，充分應用了永臨結合的理念，節省了造價。施工過程嚴格準確區分臨時性階段與永久性階段錨索張拉封錨工藝；臨時性張拉一次張拉到設計值封錨；永久性張拉在張拉到設計值后觀察其變形量，在變形穩定后封錨。各階段張拉時采取旁站監督、檢測措施，確保錨索張拉符合設計要求。