复合土钉支护的作用机理与施工——以南京火车站北广场基坑为例

陈肖

（江苏华东建设基础工程有限公司，江苏 南京 210007）

0 引言

在地下建筑施工中， 深基坑支护技术是由土钉墙技术、水泥土墙技术、下连续墙技术和排桩技术等组成，其中复合土钉墙技术的发展速度较快，在我国土质比较松软的地区已得到较广泛的应用。 复合土钉墙的支护结构，依靠水泥搅拌桩这类的超前支护来形成一个防渗帷幕， 对于土体的隔水性和土体的自立性、 土体的喷射面层以及土体粘结的问题都有一定程度的解决。 一般在有较高变形要求时会采用，其具有较短的工期，相对较低的成本，相对简单的施工工艺特征。

1 复合土钉墙支护作用机理

复合土钉墙是一种新型复合支撑系统， 它是由土钉墙等防护措施组合而成。 其他配套技术或保护措施是预应力锚、 切水幕、 挂网喷混凝土面层、微型桩等联合作用。 复合土钉墙支护技术能对传统的土钉支护技术作补充， 其根据需要进行灵活工程，应用性强、施工简便、经济适用，具有优良的综合性能。

复合土钉墙支护可以在多种基坑只要不大于15 m以上的深度下运用，适用于淤泥层、沙土层、粘土层和人工填充土等。 复合土钉墙复组合方式分：截水帷幕复合土钉墙、微型桩复合土钉墙、预应力锚杆复合土钉墙、截水帷幕-微型桩复合土钉墙、截水帷幕-预应力锚杆复合土钉墙、微型桩-预应力锚杆复合土钉墙、截水帷幕-微型桩-预应力锚杆复合土钉墙等7种组合。

2 工程概况

该施工场地位于市区，周边环境复杂。 地下大面积为2层，局部上跨地铁隧道上方为1层。 基坑面积约24 500 m2,基坑中部下方（南京站-红山动物园站）地铁隧道，基坑沿隧道方向长度为82 m,隧道顶距基坑底厚度为3.3 m, 隧道两侧基坑超挖深度为4.5 m，已建的左线隧道与右线隧道距2层地下室侧墙边分别为13.2~20.6 m及12.2~27.2 m， 隧道采用矿山法施工，断面支护采用拱部小导管劈裂注浆进行超前支护，边墙设中空锚杆。 基坑与地铁隧道相对位置关系见图1。

图1 基坑与地铁隧道关系平面图

3 场地地质、水文条件及施工难点

3.1 岩土工程地质

经实地考察， 依 《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）分析岩土成因类型、年代、特性和物理性能指标等的差异，岩体被分为5层，分别为：①杂土层；②黏土层；③粉质层；④残积土；⑤闪长岩。

3.2 工程地下水类型

场地内地基土透水性大，孔隙潜水和基岩裂隙水， 小红山体低地下水位为1.6~2.0 m。 稳水位为1.4~1.8 m,地下室底板、承台、电梯井、集水井基木位于③-1层淤泥质粉质粘土和③-2层淤泥质粘土层，开挖范围土质含水率高、孔隙比大、高压缩性、抗剪强度低，为可塑、流塑状态，土体稳定性差，容易产生扰动和底部隆起现象。

3.3 施工难点分析

（1）地铁隧道区间范围为构造发育的⑤g-2’闪长岩破碎带，上跨地铁隧道地下室底板与地铁隧道之间主要为极软岩、极破碎的强风化⑤s-1闪长岩，工程力学性能较差， 且地铁隧道区间距上跨1层地下室基底仅3.4 m , 基坑开挖卸荷将可能造成地铁隧道的隆起变形。

（2）基坑北侧与小红山山体相邻，该区域初始应力较大，基坑开挖产生的地铁隧道隆起变形将高于其它区域。

（3）地铁隧道面临的是基坑开挖导致地铁隧道的影响叠加作用， 处理不好还可能使隧道产生变形，从而形成安全行车隐患。

4 施工难点与总体方案及布置

4.1 总体方案及布置

根据施工现场工程地质、水文地质条件、基坑支护结构特点及抗拔锚杆的分布，为保证工程科学合理顺利地在合理工期内完成，综合考虑采取复合土钉墙支护技术。

总体施工顺序：钻孔桩、人工挖孔桩→土方分层分级开挖到+24.20 m （+12.9 m）, 同时施工土钉墙、格构梁护坡、圈梁及拉梁→土方分层开挖到坑底，同时施工锚索，并施工预应力同时放坡土钉墙施工→基坑开挖至坑底以上30 cm，施工袖阀管及抗拔锚杆施工→清理坑底约30 cm土及承台土，桩基和基坑支护施工流程图见图2。

图2 桩基和基坑支护施工流程

4.2 降水方案

选择合理的地下水处理是保证基坑稳定和周边建筑物、地下管线安全的重要一环。 如果降水方案选择不当，会造成在工地附近的地下水水位的下降含水层与粉底浅原建筑的一部分地下水浮力损失后，形成压缩砂土孔隙，造成建筑物开裂或沉降的严重后果，所以降水方案相当重要。 根据水文地质报告和周围环境，工程部采用井点降水+集水井排降水组合方案。 施工流程如图3所示。

图3 井点施工流程

4.3 土方开挖原则

基坑挖土原则上遵守“由北往东南”的总体方针进行（图4），不得违反工艺要求。 分区、分层、分块、对称开挖，密切监测。

图4 土方开挖方向图

4.4 开挖支护方案

根据工程地质勘察报告， 该软土基坑工程具有流变性，在软土实施一般土钉墙支护施工，由于土壤的基坑开挖蠕变，造成位移量底部隆起等问题。越大深层搅拌桩的深度，越能产生较高的滑动安全系数。因此，可以用复合土钉支护解决此问题。 具体如下：

（1）根据施工图和挖掘现场的情况，选择合适的设计施工参数，根据几何尺寸、规模大小、开挖深度、支护形式和地基加固方法， 提出可行的挖掘和配套建设力度的措施。 主要结构参数是层数、 挖掘的深度、挡墙的支撑时间、宽度和基坑挡土墙的高度。

（2）严格按照所选择的施工、结构参数，使复杂的结构因素变得更加清晰和规矩，由时间和空间效应触发还可更符合预期的设计要求。

（3）首先上方先开挖南半部分区域再开挖北半部分区域，先开挖1层地下室区域再开挖2层地下室区域;在隧道两侧开挖前，先施工隧道顶部主体结构底板，并与两侧支护桩锚接形成封闭结构，以减小开挖2层地下室期间可能产生的地铁隧道的侧向变形;混凝土强度等级为C25原设计，经研究决定，提高C35时， 自然固化，3 d混凝土强度达到90%的原设计值。

（4)当开挖深度至标高5.5 m时，加设第2道土钉墙混凝土支护，混凝土强度等级提高至C35。 负1层地下室区域各分块开挖至设计标高后， 垫层在24 h内完成，抗浮锚杆在72 h内完成，地下室底板在5 d浇筑完成，地下室顶板在15 d内完成。 为确保施工安全和如期进行，工艺流程不得随意变更。

4.5 基坑监测及成果分析

为了保证施工安全，在工程立项时已经编制了变形监测方案，监测土方开挖阶段的内容：①基坑顶沉降监测；②地下水位观测；③基坑水平位；④路面及房屋变形沉降。

基槽支护结构沉降预警值为20 mm, 报警值为30 mm, 周围建筑物位移预警值为15 mm,报警值为25 mm。 基坑监测沉降监测数据记录如表1所示。

表1 基坑沉降监测表

通过观测数据统计表的分析，可知水平位移及沉降均未出现异常，地面最大沉降量没有超过20 mm；地下水位监控值没有超过-8.5 m，满足基坑开挖支护方案设计要求。

5 结语

南京火车站北广场地下工程采用基坑复合土钉支护如期、安全完成，充分展现该技术的稳定、经济可靠且施工快速简便的特点。由于放坡开挖深基槽施工在江浙地区比较常见， 而一不小心流沙、塌方现象就很容易出现， 所以在拟定施工方案时，一定要充分周密地设计好基槽降水和基坑支护开挖方案以保施工安全。