土釘墻與逆作拱墻復(fù)合支護(hù)體系在某超深錨碇基坑中的應(yīng)用分析

鄧君君，王家斌，關(guān)鍵超

(柳州市勘察測(cè)繪研究院，廣西柳州 545006)

土釘墻與逆作拱墻復(fù)合支護(hù)體系在某超深錨碇基坑中的應(yīng)用分析

鄧君君?，王家斌，關(guān)鍵超

(柳州市勘察測(cè)繪研究院，廣西柳州 545006)

對(duì)于某些超深基坑，若僅僅采用某種單一的支護(hù)形式，在安全性及經(jīng)濟(jì)性方面往往無(wú)法達(dá)到較佳的效果，而若要在安全性及經(jīng)濟(jì)性方面找到一個(gè)相對(duì)合理的平衡點(diǎn)，則往往需要采用多種支護(hù)形式結(jié)合的復(fù)合支護(hù)方案方可實(shí)現(xiàn)。本文介紹了土釘墻與逆作拱墻復(fù)合支護(hù)體系在某超深錨碇基坑中的成功應(yīng)用，并簡(jiǎn)要分析了該復(fù)合支護(hù)方案的設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)某些超深基坑工程設(shè)計(jì)采用類似復(fù)合支護(hù)方案，具有一定的借鑒意義。

土釘墻；逆作拱圈；復(fù)合支護(hù)；超深基坑

1 前 言

隨著城市建設(shè)和工業(yè)的發(fā)展以及城市用地日趨緊張，更多的地下空間得以開(kāi)發(fā)和利用，基坑開(kāi)挖深度越來(lái)越大，基坑環(huán)境的復(fù)雜化以及工程地質(zhì)條件多樣化等諸多特點(diǎn)越發(fā)明顯，致使基坑工程的施工越發(fā)困難，支護(hù)成本亦越來(lái)越高。往往采用單一某種常規(guī)支護(hù)形式已難以滿足基坑工程支護(hù)，而需要采用多種支護(hù)方式相結(jié)合的復(fù)合支護(hù)方案，才能使基坑設(shè)計(jì)達(dá)到安全可行、經(jīng)濟(jì)合理的目的。

基坑工程是一項(xiàng)復(fù)雜而系統(tǒng)的工程，其設(shè)計(jì)內(nèi)容包含了圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐系統(tǒng)、地下水控制、環(huán)境保護(hù)、土方開(kāi)挖等等諸多內(nèi)容，且超深基坑工程其系統(tǒng)性表現(xiàn)尤為明顯。本文著重介紹作者參與設(shè)計(jì)的柳州市某大橋超深錨碇基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)，并簡(jiǎn)要分析設(shè)計(jì)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)選擇及結(jié)構(gòu)受力計(jì)算等方面。在綜合考慮周邊環(huán)境、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件以及工期限制等因素下，并遵循安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)理念，該超深基坑的支護(hù)采用了土釘墻與逆作拱墻支護(hù)結(jié)合的復(fù)合支護(hù)方案，并取得了較好支護(hù)效果，創(chuàng)造了較佳的社會(huì)效益。

2 工程概況及基坑設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

該項(xiàng)目大橋呈西北-東南走向橫跨柳江上，橋的西(北)岸位于鷓鴣江舊碼頭，南東(南)岸位于下茅洲屯以北。該主橋部分長(zhǎng)510m，引橋長(zhǎng)984.76m，道路部分長(zhǎng)443.33m，立交總長(zhǎng)1 436.8m。引橋?qū)挾?×18m，主橋全寬38m。根據(jù)大橋項(xiàng)目設(shè)計(jì)，需在南北兩岸各構(gòu)筑一個(gè)內(nèi)徑為28.5m，坑深達(dá)21.37m的錨碇基坑(本文僅分析南岸基坑)。南岸坑頂?shù)乇砑s89.0m標(biāo)高，場(chǎng)地為柳江河二級(jí)沖積階地，基坑距柳江最小間距約100m，場(chǎng)地內(nèi)地下水與柳江水有明顯水力聯(lián)系，穩(wěn)定潛水水位77.0m，故坑底位于地下水位下9.37m。

勘察資料顯示，與南岸錨碇基坑工程相關(guān)巖土層情況如表1所示。

巖土層設(shè)計(jì)參數(shù)表 表1

2.2 基坑方案的選擇與設(shè)計(jì)

(1)基坑條件分析

根據(jù)分析。該基坑工程主要有以下幾方面特點(diǎn):

①基坑開(kāi)挖深度較大，且坑底位于地下水下9.37 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)需承受水土壓力值較大。

②水面標(biāo)高以上工程地質(zhì)條件及坑頂周邊環(huán)境相對(duì)較簡(jiǎn)單，主要考慮西南側(cè)村民公共用地及東側(cè)施工通道、施工材料場(chǎng)地的安全，相對(duì)而言，坑頂四周有部分可利用空地，基坑周邊環(huán)境對(duì)位移變形要求不太嚴(yán)格。

③大部分地段坑底基本處于強(qiáng)風(fēng)化基巖層，水位下坑壁及坑底地質(zhì)條件差異性大，且坑底巖面潛伏大，基巖巖溶現(xiàn)象發(fā)育，故需考慮基坑止水問(wèn)題(具體止水方案本文不作介紹)。

(2)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)基坑條件分析，結(jié)合地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、及支護(hù)工期要求等方面比較，認(rèn)為采用常規(guī)的某種單一支護(hù)方案，存在支護(hù)效果差，支護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題，且難以滿足業(yè)主對(duì)支護(hù)工期的嚴(yán)格要求。經(jīng)過(guò)多次論證，最終擬采用土釘墻與逆作圓形拱墻結(jié)合的復(fù)合支護(hù)方案，具體設(shè)計(jì)情況如下:

①分水上、水下兩部分考慮基坑支護(hù)體系，水位以上基坑采取土釘墻支護(hù)方案，水位以下基坑支護(hù)則采取在逆作圓形供墻+止水帷幕的支護(hù)體系，如圖1所示。

②施工設(shè)計(jì)方面，土釘墻支護(hù)施工要求嚴(yán)格執(zhí)行分層開(kāi)挖，分層支護(hù)的施工原則；逆作拱圈按四級(jí)設(shè)計(jì)，要求“分段分層間隔實(shí)施”的施工原則，即分層開(kāi)挖基礎(chǔ)上，須充分利用土體的時(shí)空效應(yīng)，分段間隔實(shí)施土方開(kāi)挖及支護(hù)施工。

圖1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案示意圖

a.土釘墻支護(hù)

依據(jù)文獻(xiàn)[1]相關(guān)理論，采用理正電算軟件輔助計(jì)算分析，土釘墻設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

土釘墻支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表 表2

b.逆作環(huán)形拱墻

考慮到該基坑77.0m標(biāo)高下基坑條件較復(fù)雜，圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受水平荷載亦較大，故利用二級(jí)平臺(tái)為施工平臺(tái)，預(yù)先在該平臺(tái)上，對(duì)基坑止水帷幕施工，通過(guò)土層旋噴樁及基巖內(nèi)壓力灌漿，在拱墻外側(cè)形成止水帷幕墻解決了基坑地下水問(wèn)題，然后再分段分層開(kāi)挖，邊開(kāi)挖邊支護(hù)方式開(kāi)展環(huán)形逆作拱圈施工。逆作拱墻分4道設(shè)計(jì)，各道高度分別為2.20m、2.60m、2.30m、2.27m，各道環(huán)形砼面板厚度分別為1.3m、1.20m、1.40m、1.60m。

3 基坑設(shè)計(jì)計(jì)算及其分析

3.1 土釘墻設(shè)計(jì)及其分析

土釘墻支護(hù)是由被加固土體、放置在其中的土釘筋體和噴射混凝土面層共同組成的一種擋土結(jié)構(gòu)[2]。與傳統(tǒng)支護(hù)相比，該支護(hù)方案在受力和結(jié)構(gòu)概念等方面有較大差異。其主要作用機(jī)制是充分利用原狀土的自承能力，把本來(lái)完全靠外加圍護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)支擋的被動(dòng)土體，通過(guò)土釘技術(shù)的加固使其本身成為一個(gè)復(fù)合的擋土結(jié)構(gòu)[3]。由于其鮮明的經(jīng)濟(jì)性在國(guó)內(nèi)基坑工程中得到迅速推廣和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)土釘墻支護(hù)做了大量的研究工作，也取得了豐富的研究成果，但目前仍存在著理論滯后于工程實(shí)踐現(xiàn)象。同時(shí)，實(shí)際工作中，由于標(biāo)準(zhǔn)化及安全管理等諸多現(xiàn)實(shí)因素的制約，設(shè)計(jì)人員基本上仍是需要按現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的理論設(shè)計(jì)體系實(shí)施計(jì)算分析，同樣，該基坑設(shè)計(jì)是依據(jù)規(guī)程[1]相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算理論，采用了電算軟件輔助計(jì)算分析的。在朗肯極限土壓力理論的基礎(chǔ)上，規(guī)程[1]中計(jì)算土釘墻的核心公式主要有下列兩式，其中，式(1)計(jì)算土釘抗拉標(biāo)準(zhǔn)值，式(2)分析土釘墻整體安全穩(wěn)定性。

可以看出，文獻(xiàn)[1]中設(shè)計(jì)理論是基于工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的極限力矩平衡分析理論，整體穩(wěn)定性分析采取圓弧滑動(dòng)簡(jiǎn)單條分法。

采取土釘墻支護(hù)地下水位以上基坑，主要是考慮其在本地區(qū)應(yīng)用廣泛，推廣較多，是一種相對(duì)較成熟的技術(shù)方案，且本地區(qū)同類基坑條件下，作者負(fù)責(zé)參與設(shè)計(jì)過(guò)數(shù)十項(xiàng)此類施工案例，均取得成功。實(shí)踐證明，該支護(hù)方案在類似基坑條件下，具有良好的安全性及經(jīng)濟(jì)性，且能滿足業(yè)主對(duì)支護(hù)工期的嚴(yán)格要求。

3.2 逆作環(huán)形拱墻設(shè)計(jì)及其分析

逆作拱墻結(jié)構(gòu)是將基坑開(kāi)挖成圓形、橢圓形等弧形平面，并沿基坑側(cè)壁分層逆作鋼筋混凝土拱墻，利用拱的作用將垂直于墻體的土壓力轉(zhuǎn)化為拱墻內(nèi)的切向力，以充分利用墻體混凝土的受壓強(qiáng)度。墻體內(nèi)力主要為壓應(yīng)力，因此墻體可做得較薄，多數(shù)情況下不用錨桿或內(nèi)支撐就可以滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定的要求。該深基坑計(jì)算中，視77.0 m標(biāo)高平臺(tái)以上土釘墻支護(hù)部分為整體，且是安全穩(wěn)定的，按77.0 m標(biāo)高考慮地下水，同時(shí)，以每層拱圈的中部位置水平荷載分別計(jì)算每層拱圈水平荷載值。依據(jù)規(guī)程[1]，結(jié)合文獻(xiàn)[4]相關(guān)理論分析，按均勻受力及不均勻受力兩種情況對(duì)環(huán)形拱圈設(shè)計(jì)分析，具體過(guò)程如圖2、圖3所示。

圖2 均勻受力分析簡(jiǎn)圖

圖3 不均勻受力分析簡(jiǎn)圖

(1)主動(dòng)土壓力eajk

[1]

式中:Zj——計(jì)算點(diǎn)深度，m；

hwa——基坑外側(cè)水位深度，m；

mj——計(jì)算參數(shù)，當(dāng)mj＜h(基坑開(kāi)挖深度)，取Zj，當(dāng)mj≥h時(shí)，取h；

ηwa——計(jì)算系數(shù)，當(dāng)hwa≤h，取1，但hwa＞h時(shí)，取0。

(2)拱圈軸向壓力設(shè)計(jì)值

式中:R——圓拱的外圈半徑，m；

hi——拱墻分道計(jì)算高度，m；

ea——分道計(jì)算高度hi范圍內(nèi)基坑外側(cè)水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值的平均值。

(3)根據(jù)文獻(xiàn)[5]中式Ni≤0.9φ(fcA+f′yA′s)，試算分析拱圈在均勻受力條件，初步確定拱墻厚度。最終確定不均勻荷載下，拱圈的尺寸及配筋。

可以看出，該拱圈的計(jì)算分析方法亦是基于朗肯線性土壓力基礎(chǔ)上的極限平衡分析法。設(shè)計(jì)中，考慮到水土荷載較大，對(duì)支擋結(jié)構(gòu)承載能力要求較高，故選擇逆作拱墻結(jié)合止水帷幕的支護(hù)方案，且要求分段分層間隔施工。一方面，該支擋方案可利用圓拱具有能把垂直于墻體的水土壓力轉(zhuǎn)化為拱墻內(nèi)的切向力能力，以便分利用墻體混凝土的受壓強(qiáng)度，使墻體內(nèi)力主要為壓應(yīng)力，墻體可以較薄，同時(shí)亦可以減少配筋量；另一方面，采用分段分層逆作施工，土方開(kāi)挖與支護(hù)施工可交叉同時(shí)進(jìn)行，可滿足業(yè)主對(duì)工期的要求。

3.3 設(shè)計(jì)理論分析及其存在的問(wèn)題

(1)不難發(fā)現(xiàn)，由于該規(guī)程[1]中考慮的土壓力分布形式，是直接采用朗肯土壓力線性分布，按此土壓力理論計(jì)算分析，土釘墻土釘往往都是自上而下逐步增大才能滿足計(jì)算要求，尤其，底部土釘常常需要很長(zhǎng)才能滿足承載力要求。然而，該基坑工程的實(shí)際設(shè)計(jì)情況是:一方面，基坑坑壁是按一定坡度開(kāi)挖的，土釘墻墻面是亦是傾斜的，傾斜墻面上的土壓力比同樣高度垂直墻面的土壓力小；另一方面，土釘墻支護(hù)是柔性支護(hù)支護(hù)體系[6]，需采取分層開(kāi)挖分層支護(hù)的施工工序，土釘墻面墻是柔性的，且分層開(kāi)挖裸露面上土壓力是零，允許一定位移變形后建立了新的力平衡，使得土壓力向周圍轉(zhuǎn)移，墻面上的土壓力重新得以分布。因此，采取按規(guī)程[1]計(jì)算理論設(shè)計(jì)分析土釘墻是不完全與實(shí)

(4)假定周圍土體內(nèi)摩擦角有±4°的差值，即東西以(φm+4)，南北兩側(cè)以(φm-4)土壓力，計(jì)算分析拱墻不均勻受力情況，圖3中，土壓力強(qiáng)度變化則按下式計(jì)算:

(5)依據(jù)文獻(xiàn)[4]，計(jì)算分析出單位高度圓環(huán)拱墻在不均勻受力情況下的內(nèi)力，計(jì)算式如下:

式中，MA、NA、MB、NB——圖3中所示A點(diǎn)和B點(diǎn)的彎矩(kN·m/m)和軸向力(kN/m)。

(2)逆作供圈雖能充分利用土供效應(yīng)[7]，能轉(zhuǎn)化水平力為混凝土受壓強(qiáng)度，減小墻厚，降低配筋等優(yōu)點(diǎn)，但是，考慮到本基坑坑內(nèi)的空間內(nèi)徑達(dá)28.5m，拱圈軸線矢跨比的空間性影響著水平力轉(zhuǎn)化為正壓力的程度；此外，由于地層分布的不均勻性，拱圈實(shí)際的受力是不均勻的，存在彎矩、剪力及軸心壓力，拱圈的受力分析應(yīng)是個(gè)空間概念，采用平面二維極限分析解決其不均勻的受力狀態(tài)有欠妥，可以看到，拱圈在時(shí)空效應(yīng)及土供效應(yīng)影響下的多維計(jì)算分析仍值得進(jìn)一步研究分析。另一方面，依據(jù)規(guī)程[1]中分析的拱圈結(jié)構(gòu)是無(wú)嵌固深度，缺少對(duì)基坑產(chǎn)生繞過(guò)坡腳的整體滑移以及抗隆起等的計(jì)算分析，施工過(guò)程及施工后的，整體穩(wěn)定性有待我們進(jìn)一步研究。

4 基坑工程回顧

該基坑工程2009年4月上旬開(kāi)工，2009年6月上旬，開(kāi)挖至77.0m標(biāo)高處，并完成土釘墻施工；隨后，在平臺(tái)上進(jìn)行拱圈外圍止水帷幕施工，并采取間隔性分段分層交叉開(kāi)挖土方，及進(jìn)行拱圈施工，于2009年11月底，完成了整個(gè)基坑工程的土方開(kāi)挖及支護(hù)施工(效果如圖4所示)。雖然，施工期間經(jīng)歷柳江洪水漲至88.0m標(biāo)高，僅局部地段出現(xiàn)輕微滲水及坡頂位移過(guò)大的現(xiàn)象，但基坑支護(hù)體系安全度汛，整個(gè)復(fù)合支護(hù)體系總體上是安全可靠的，實(shí)現(xiàn)了基坑支護(hù)目的。此外，該設(shè)計(jì)方案在安全、經(jīng)濟(jì)以及施工工期的控制上也均得到了業(yè)主的認(rèn)可。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)本次設(shè)計(jì)，采用復(fù)合支護(hù)設(shè)計(jì)方式，成功地對(duì)該21.37 m深基坑項(xiàng)目實(shí)施支護(hù)設(shè)計(jì)，并充分利用邊開(kāi)挖邊支護(hù)的施工方案，方案滿足了業(yè)主對(duì)基坑工程工期的嚴(yán)格要求，確保了大橋項(xiàng)目的總工期。土釘墻與逆作拱墻復(fù)合支護(hù)體系具有較可靠的安全性、較佳的經(jīng)濟(jì)性以及工期控制保障性，可以為類似超深基坑設(shè)計(jì)項(xiàng)目提供借鑒，有一定的參考價(jià)值。

圖4 錨碇基坑工竣工現(xiàn)場(chǎng)照片

(2)多種支護(hù)形式結(jié)合的復(fù)合支護(hù)方案，一定程度上可以解決基坑工程中經(jīng)濟(jì)性及安全性的矛盾關(guān)系，使基坑支護(hù)方案在安全與經(jīng)濟(jì)中找到一個(gè)比較好的平衡點(diǎn)，但是，怎么建立起復(fù)合實(shí)際工程的分析計(jì)算模型，并合理對(duì)復(fù)合支護(hù)方案的受力機(jī)理進(jìn)行計(jì)算分析，解決好實(shí)踐超前理論的問(wèn)題，有待我們做更多的研究。

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Application Analysis for the Compound Supporting System of Soil Nailing and Arch Wall in an Extra Deep Foundation Pit

Deng Junjun，Wang Jiabin，Guan Jianchao
(Liuzhou Geotechnical Investigation and Surveying Institute，Liuzhou 545006，China)

The effects in security and economy are unfavorable to some extra deep foundation pits which were supported with singlemeasure.Actually，in order to achieve a reasonable equilibrium point of security and economy in deep foundation pit supporting project，the various support forms are used together.This article introduces the successful application of the compound supporting system of soil nailing and arch wall in an extra deep foundation pit.The design calculation of scheme is analyzed in brief.The article gives some references and suggestions for the similar foundation pits.

soil nailing wall；arch ring；compound support；extra deep foundation pit

1672-8262(2013)05-168-04

TU471

B

2013—04—28

鄧君君(1980—)，男，工程師，注冊(cè)土木工程師(巖土)，從事巖土工程設(shè)計(jì)與施工工作。