土钉墙与逆作拱墙复合支护体系在某超深锚碇基坑中的应用分析

邓君君，王家斌，关键超

(柳州市勘察测绘研究院，广西柳州 545006)

土钉墙与逆作拱墙复合支护体系在某超深锚碇基坑中的应用分析

邓君君∗，王家斌，关键超

(柳州市勘察测绘研究院，广西柳州 545006)

对于某些超深基坑，若仅仅采用某种单一的支护形式，在安全性及经济性方面往往无法达到较佳的效果，而若要在安全性及经济性方面找到一个相对合理的平衡点，则往往需要采用多种支护形式结合的复合支护方案方可实现。本文介绍了土钉墙与逆作拱墙复合支护体系在某超深锚碇基坑中的成功应用，并简要分析了该复合支护方案的设计计算，对某些超深基坑工程设计采用类似复合支护方案，具有一定的借鉴意义。

土钉墙；逆作拱圈；复合支护；超深基坑

1 前 言

随着城市建设和工业的发展以及城市用地日趋紧张，更多的地下空间得以开发和利用，基坑开挖深度越来越大，基坑环境的复杂化以及工程地质条件多样化等诸多特点越发明显，致使基坑工程的施工越发困难，支护成本亦越来越高。往往采用单一某种常规支护形式已难以满足基坑工程支护，而需要采用多种支护方式相结合的复合支护方案，才能使基坑设计达到安全可行、经济合理的目的。

基坑工程是一项复杂而系统的工程，其设计内容包含了围护结构、支撑系统、地下水控制、环境保护、土方开挖等等诸多内容，且超深基坑工程其系统性表现尤为明显。本文着重介绍作者参与设计的柳州市某大桥超深锚碇基坑的支护设计，并简要分析设计过程中的结构选择及结构受力计算等方面。在综合考虑周边环境、工程地质及水文地质条件以及工期限制等因素下，并遵循安全可靠，经济合理的设计理念，该超深基坑的支护采用了土钉墙与逆作拱墙支护结合的复合支护方案，并取得了较好支护效果，创造了较佳的社会效益。

2 工程概况及基坑设计

2.1 工程概况

该项目大桥呈西北-东南走向横跨柳江上，桥的西(北)岸位于鹧鸪江旧码头，南东(南)岸位于下茅洲屯以北。该主桥部分长510m，引桥长984.76m，道路部分长443.33m，立交总长1 436.8m。引桥宽度2×18m，主桥全宽38m。根据大桥项目设计，需在南北两岸各构筑一个内径为28.5m，坑深达21.37m的锚碇基坑(本文仅分析南岸基坑)。南岸坑顶地表约89.0m标高，场地为柳江河二级冲积阶地，基坑距柳江最小间距约100m，场地内地下水与柳江水有明显水力联系，稳定潜水水位77.0m，故坑底位于地下水位下9.37m。

勘察资料显示，与南岸锚碇基坑工程相关岩土层情况如表1所示。

岩土层设计参数表 表1

2.2 基坑方案的选择与设计

(1)基坑条件分析

根据分析。该基坑工程主要有以下几方面特点:

①基坑开挖深度较大，且坑底位于地下水下9.37 m，支护结构需承受水土压力值较大。

②水面标高以上工程地质条件及坑顶周边环境相对较简单，主要考虑西南侧村民公共用地及东侧施工通道、施工材料场地的安全，相对而言，坑顶四周有部分可利用空地，基坑周边环境对位移变形要求不太严格。

③大部分地段坑底基本处于强风化基岩层，水位下坑壁及坑底地质条件差异性大，且坑底岩面潜伏大，基岩岩溶现象发育，故需考虑基坑止水问题(具体止水方案本文不作介绍)。

(2)方案设计

根据基坑条件分析，结合地区工程经验，通过对技术、经济、及支护工期要求等方面比较，认为采用常规的某种单一支护方案，存在支护效果差，支护费用高等问题，且难以满足业主对支护工期的严格要求。经过多次论证，最终拟采用土钉墙与逆作圆形拱墙结合的复合支护方案，具体设计情况如下:

①分水上、水下两部分考虑基坑支护体系，水位以上基坑采取土钉墙支护方案，水位以下基坑支护则采取在逆作圆形供墙+止水帷幕的支护体系，如图1所示。

②施工设计方面，土钉墙支护施工要求严格执行分层开挖，分层支护的施工原则；逆作拱圈按四级设计，要求“分段分层间隔实施”的施工原则，即分层开挖基础上，须充分利用土体的时空效应，分段间隔实施土方开挖及支护施工。

图1 基坑支护设计方案示意图

a.土钉墙支护

依据文献[1]相关理论，采用理正电算软件辅助计算分析，土钉墙设计参数如表2所示。

土钉墙支护设计参数表 表2

b.逆作环形拱墙

考虑到该基坑77.0m标高下基坑条件较复杂，围护结构承受水平荷载亦较大，故利用二级平台为施工平台，预先在该平台上，对基坑止水帷幕施工，通过土层旋喷桩及基岩内压力灌浆，在拱墙外侧形成止水帷幕墙解决了基坑地下水问题，然后再分段分层开挖，边开挖边支护方式开展环形逆作拱圈施工。逆作拱墙分4道设计，各道高度分别为2.20m、2.60m、2.30m、2.27m，各道环形砼面板厚度分别为1.3m、1.20m、1.40m、1.60m。

3 基坑设计计算及其分析

3.1 土钉墙设计及其分析

土钉墙支护是由被加固土体、放置在其中的土钉筋体和喷射混凝土面层共同组成的一种挡土结构[2]。与传统支护相比，该支护方案在受力和结构概念等方面有较大差异。其主要作用机制是充分利用原状土的自承能力，把本来完全靠外加围护结构来支挡的被动土体，通过土钉技术的加固使其本身成为一个复合的挡土结构[3]。由于其鲜明的经济性在国内基坑工程中得到迅速推广和应用，国内外学者也对土钉墙支护做了大量的研究工作，也取得了丰富的研究成果，但目前仍存在着理论滞后于工程实践现象。同时，实际工作中，由于标准化及安全管理等诸多现实因素的制约，设计人员基本上仍是需要按现有标准规范中的理论设计体系实施计算分析，同样，该基坑设计是依据规程[1]相关设计计算理论，采用了电算软件辅助计算分析的。在朗肯极限土压力理论的基础上，规程[1]中计算土钉墙的核心公式主要有下列两式，其中，式(1)计算土钉抗拉标准值，式(2)分析土钉墙整体安全稳定性。

可以看出，文献[1]中设计理论是基于工程经验基础上的极限力矩平衡分析理论，整体稳定性分析采取圆弧滑动简单条分法。

采取土钉墙支护地下水位以上基坑，主要是考虑其在本地区应用广泛，推广较多，是一种相对较成熟的技术方案，且本地区同类基坑条件下，作者负责参与设计过数十项此类施工案例，均取得成功。实践证明，该支护方案在类似基坑条件下，具有良好的安全性及经济性，且能满足业主对支护工期的严格要求。

3.2 逆作环形拱墙设计及其分析

逆作拱墙结构是将基坑开挖成圆形、椭圆形等弧形平面，并沿基坑侧壁分层逆作钢筋混凝土拱墙，利用拱的作用将垂直于墙体的土压力转化为拱墙内的切向力，以充分利用墙体混凝土的受压强度。墙体内力主要为压应力，因此墙体可做得较薄，多数情况下不用锚杆或内支撑就可以满足强度和稳定的要求。该深基坑计算中，视77.0 m标高平台以上土钉墙支护部分为整体，且是安全稳定的，按77.0 m标高考虑地下水，同时，以每层拱圈的中部位置水平荷载分别计算每层拱圈水平荷载值。依据规程[1]，结合文献[4]相关理论分析，按均匀受力及不均匀受力两种情况对环形拱圈设计分析，具体过程如图2、图3所示。

图2 均匀受力分析简图

图3 不均匀受力分析简图

(1)主动土压力eajk

[1]

式中:Zj——计算点深度，m；

hwa——基坑外侧水位深度，m；

mj——计算参数，当mj＜h(基坑开挖深度)，取Zj，当mj≥h时，取h；

ηwa——计算系数，当hwa≤h，取1，但hwa＞h时，取0。

(2)拱圈轴向压力设计值

式中:R——圆拱的外圈半径，m；

hi——拱墙分道计算高度，m；

ea——分道计算高度hi范围内基坑外侧水平荷载标准值的平均值。

(3)根据文献[5]中式Ni≤0.9φ(fcA+f′yA′s)，试算分析拱圈在均匀受力条件，初步确定拱墙厚度。最终确定不均匀荷载下，拱圈的尺寸及配筋。

可以看出，该拱圈的计算分析方法亦是基于朗肯线性土压力基础上的极限平衡分析法。设计中，考虑到水土荷载较大，对支挡结构承载能力要求较高，故选择逆作拱墙结合止水帷幕的支护方案，且要求分段分层间隔施工。一方面，该支挡方案可利用圆拱具有能把垂直于墙体的水土压力转化为拱墙内的切向力能力，以便分利用墙体混凝土的受压强度，使墙体内力主要为压应力，墙体可以较薄，同时亦可以减少配筋量；另一方面，采用分段分层逆作施工，土方开挖与支护施工可交叉同时进行，可满足业主对工期的要求。

3.3 设计理论分析及其存在的问题

(1)不难发现，由于该规程[1]中考虑的土压力分布形式，是直接采用朗肯土压力线性分布，按此土压力理论计算分析，土钉墙土钉往往都是自上而下逐步增大才能满足计算要求，尤其，底部土钉常常需要很长才能满足承载力要求。然而，该基坑工程的实际设计情况是:一方面，基坑坑壁是按一定坡度开挖的，土钉墙墙面是亦是倾斜的，倾斜墙面上的土压力比同样高度垂直墙面的土压力小；另一方面，土钉墙支护是柔性支护支护体系[6]，需采取分层开挖分层支护的施工工序，土钉墙面墙是柔性的，且分层开挖裸露面上土压力是零，允许一定位移变形后建立了新的力平衡，使得土压力向周围转移，墙面上的土压力重新得以分布。因此，采取按规程[1]计算理论设计分析土钉墙是不完全与实

(4)假定周围土体内摩擦角有±4°的差值，即东西以(φm+4)，南北两侧以(φm-4)土压力，计算分析拱墙不均匀受力情况，图3中，土压力强度变化则按下式计算:

(5)依据文献[4]，计算分析出单位高度圆环拱墙在不均匀受力情况下的内力，计算式如下:

式中，MA、NA、MB、NB——图3中所示A点和B点的弯矩(kN·m/m)和轴向力(kN/m)。

(2)逆作供圈虽能充分利用土供效应[7]，能转化水平力为混凝土受压强度，减小墙厚，降低配筋等优点，但是，考虑到本基坑坑内的空间内径达28.5m，拱圈轴线矢跨比的空间性影响着水平力转化为正压力的程度；此外，由于地层分布的不均匀性，拱圈实际的受力是不均匀的，存在弯矩、剪力及轴心压力，拱圈的受力分析应是个空间概念，采用平面二维极限分析解决其不均匀的受力状态有欠妥，可以看到，拱圈在时空效应及土供效应影响下的多维计算分析仍值得进一步研究分析。另一方面，依据规程[1]中分析的拱圈结构是无嵌固深度，缺少对基坑产生绕过坡脚的整体滑移以及抗隆起等的计算分析，施工过程及施工后的，整体稳定性有待我们进一步研究。

4 基坑工程回顾

该基坑工程2009年4月上旬开工，2009年6月上旬，开挖至77.0m标高处，并完成土钉墙施工；随后，在平台上进行拱圈外围止水帷幕施工，并采取间隔性分段分层交叉开挖土方，及进行拱圈施工，于2009年11月底，完成了整个基坑工程的土方开挖及支护施工(效果如图4所示)。虽然，施工期间经历柳江洪水涨至88.0m标高，仅局部地段出现轻微渗水及坡顶位移过大的现象，但基坑支护体系安全度汛，整个复合支护体系总体上是安全可靠的，实现了基坑支护目的。此外，该设计方案在安全、经济以及施工工期的控制上也均得到了业主的认可。

5 结 语

(1)本次设计，采用复合支护设计方式，成功地对该21.37 m深基坑项目实施支护设计，并充分利用边开挖边支护的施工方案，方案满足了业主对基坑工程工期的严格要求，确保了大桥项目的总工期。土钉墙与逆作拱墙复合支护体系具有较可靠的安全性、较佳的经济性以及工期控制保障性，可以为类似超深基坑设计项目提供借鉴，有一定的参考价值。

图4 锚碇基坑工竣工现场照片

(2)多种支护形式结合的复合支护方案，一定程度上可以解决基坑工程中经济性及安全性的矛盾关系，使基坑支护方案在安全与经济中找到一个比较好的平衡点，但是，怎么建立起复合实际工程的分析计算模型，并合理对复合支护方案的受力机理进行计算分析，解决好实践超前理论的问题，有待我们做更多的研究。

[1] JGJ120-99.建筑基坑工程技术规程[S].

[2] 崔京浩，陈肇元，崔岩等.土钉支护技术[J].工程力学增刊，2001，18(I):l91～209.

[3] 孙铁成，张明聚，杨茜.深基坑复合土钉支护稳定性分析方法及其应用[J].工程力学，2005，22(3):126～127.

[4] 林宗元.岩土工程治理手册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社，1993，954～956.

[5] GB 50010-2002.混凝土结构设计规范[S].

[6] 李文江，王景春，周华保.土钉墙——边坡防护中的一种柔性支护技术[J].石家庄铁道学院学报，2000，13(4): 37～38.

[7] 彭述权，李夕兵，樊玲.刚性挡墙主动破坏墙后土拱效应细观研究[J].中南大学学报·自然科学版，2011，04:10～12.

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

邓君君(1980—)，男，工程师，注册土木工程师(岩土)，从事岩土工程设计与施工工作。