粗颗粒土层组合中的超深基坑复合土钉墙支护的合理性分析及探讨
2015-12-02赵云峰郑小体李向虎李海明
刘 伍，赵云峰，郑小体，李向虎，李海明
（北京市地质工程设计研究院，北京 101500）
0 引言
根据有关规范及工程实践，单一土钉墙支护形式主要应用于基坑深度小于10m的情况，当基坑深度超过10m，通常采用复合土钉墙支护，但对于基坑深度接近或超过15m时，仍采用一般的复合土钉墙支护，就存在较大的技术难度及安全风险。尤其对于以粗颗粒地层组合为主的超深基坑，因其土层基本不具有黏聚力，这就造成在基坑开挖过程中，土体侧壁的稳定性较差，给基坑支护设计带来极大难度，也给施工带来极大风险。
目前，在北京地区，已有不少的超深基坑采用复合土钉墙支护的实例，有成功，也有失败，需要不断进行总结、完善。
笔者以北京世界之花工程为例，进行相关介绍及论述。
1 工程概况
场地位置：本场地位于大兴区德贤路西侧，久敬庄路南侧。
拟建物基本特征：建筑控制高度≤50m，建筑地上14层，地下2层，地下室埋深14.7m。
基坑周边环境条件：拟设计基坑北侧壁上口线距北侧久敬庄路6～26m（西宽东窄，渐变），其它三侧基坑上口线以外15m之内均无已有地面建筑及地下管线等。
地形地貌：拟建场地地貌单元位于凉水河冲积扇中上部，地形基本平坦，现地面标高34.88～40.80m。
地层情况参见图1。
地下水条件：2012年6月勘探时揭露一层地下水，为潜水类型，静止水位埋深32.00～36.70m，绝对标高2.58～3.45m。对本基坑开挖、支护无影响。
2 复合土钉墙支护设计概要
2.1 支护结构设计条件
基坑深度14.70m，根据基坑周边条件，和地层组合及地下水条件，可采用“预应力复合土钉墙支护”。从土钉墙支护的潜力方面来讲，本基坑的深度已属于超深基坑的深度，再加上开挖支护深度内的地层组合是以浅部填土、其下为粗颗粒土组合为主，已充分表明本基坑的支护设计难度及施工风险极大，需要引起高度重视。
该基坑侧壁安全等级判定为二级，重要性系数取1.0，距基坑上口线≥2.5m的地面允许载荷≤20kPa，作用宽度15m，基坑支护工程设计使用年限1年。
图1 场地北边界土层简化剖面图
2.2 基坑支护设计参数
本文仅对基坑北侧壁支护方案进行介绍、讨论。
基坑北侧壁全长约302m，自上而下设置土钉及预应力锚索共计10道，其中第2、4、6、8道为预应力锚索，其余各道均为土钉，土钉为成孔灌注钉，梅花形布置，水平间距为1.5m。
参见图2、图3、表1、照片1。
图2 基坑北侧壁复合土钉墙支护平面位置关系图
表1 基坑北侧壁复合土钉墙设计参数统计简表
图3 基坑北侧壁复合土钉墙支护设计剖面图
照片1 竣工后基坑北侧壁复合土钉墙坡面
3 土钉、锚索受力测试及变形监测
3.1 土钉拉力测试仪器布设
（1）仪器设备
本工程土钉拉筋直径22mm、25mm。
本工程采用HC-1300系列钢筋应力计，钢筋应力计最大拉伸量程为200Mpa，拉伸分辨率≤0.05（%F·S）。
（2）钢筋计布设
于基坑北壁自西向东选2个剖面（1-1剖、2-2剖），每剖6根土钉，共计12根。分别为第1道土钉、第3道土钉、第5道土钉、第7道土钉、第9道土钉、第10道土钉，沿拉筋布设钢筋计，间距1.5～2.0m。在实际工作中，1-1剖面中的第3道土钉钢筋计未来得及布设（图4、图5）。
图4 钢筋应力计埋设位置设计图（1-1剖）
图5 钢筋应力计埋设位置实施图（1-1剖）
3.2 土钉拉力测试结果及分析
3.2.1土钉拉力实测值时程分析
根据“土钉拉力实测值时程曲线”（图6），土钉的受力过程呈现明显的阶段性：土钉从“成孔、钢筋置入、注水泥浆 → 水泥浆养护 → 基坑再次下挖、土钉受力”，此过程重复进行，最终完成基坑的开挖与支护工作。
从时程曲线中可以看到如下规律：基坑在每一步下挖时，基坑侧壁土体侧压力突然释放，土钉受力骤然增加。显然，每道土钉水泥浆体是否充盈、饱满、养护强度是否达到要求，非常重要。可见，土方每步下挖与土钉每步施工之间的协调配合非常重要，水泥浆体养护不足时，土方不得下挖。
图6 土钉拉力实测值时程曲线（1-1剖面）
3.2.2土钉最大拉力及其作用位置分析
根据基坑挖至14.70m时的“土钉拉力实测值沿土钉长度分布曲线”（图7），可以看到如下规律：
图7 土钉拉力实测值沿土钉长度分布曲线（1-1剖面）
（1）第1道、5道、7道土钉受力规律基本一致，即，每道土钉自基坑侧壁向土体内部，土钉受力由小变大，到达峰值后，逐渐变小，在土钉末端受力较小，甚至不受力。底部的土钉（第9道、10道）未呈现这种规律，参见图7。
（2）第1道、5道、7道、9道、10道土钉的总体受力大小，自上而下总体上呈现：“上下小，中间大”的分布规律，与理论受力模型一致。参见图6、图7。
（3）土钉最大拉力点及其作用位置
将第1道、5道、7道土钉受力最大点连线（图8、图9），并向下、向上延伸，此线就是实测的最危险滑动面位置，其与理论计算预测滑动面基本重合，只是顶部宽度变小，底部没有到达墙根，而是在其上方提前滑出，表现为实测滑动土体小于理论预测的滑动土体，支护结构比预期的要坚固、稳定。
图8 土钉钢筋最大拉力作用点位置沿深度分布图（1-1剖）
图9 土钉钢筋最大拉力值沿深度分布图（1-1剖面）
3.3 锚索轴力测试
3.3.1锚索轴力计布设
（1）仪器设备
本工程采用HC-1400型振弦式锚索测力计进行锚杆轴力量测。
测量范围 （kN） 1000kN
最小读数 K （kN/F） ＜0.4
允许超量程 20%F.S
（2）在锚头与垫板之间安装轴力计，每道锚索安装1个轴力计；
（3）测定方法及数量，在基坑北壁1-1剖及2-2剖位置，4道锚索，2个剖面，共计8个轴力计。在安装前，采集振弦式轴力计初始数据。并根据施工进度，对轴力计的数值进行采集。
3.3.2 锚索轴力测试结果及分析
为防止锚索张拉锁定不足，特在锚索端部对面层强度进行加强（图10）。根据“锚索轴力计拉力实测值时程曲线（图11），可以看到如下规律：
（1）每道锚索在张拉锁定后，会出现快速松弛现象，明显小于初始张拉的150kpa。因工期较紧，面层养护仅4～5天，就强行张拉，面层强度不够，未采取加大张拉初始值以保证锁定值措施，也未进行随后的补张拉。
（2）随基坑向下开挖，1-4#道、2-6#道前段增加趋势显著，1-6#道、2-2#道呈缓慢增加趋势，反映出锚索的作用随挖深在逐步得以发挥。
（3）随基坑向下开挖，1-8#道、2-8#道实测值基本处于平稳状态，这与其距槽底较近有关。
（4）异常现象：1-2#道实测值一直在缓慢减小，经证实，此道锚索在张拉锁定时有失效迹象；1-4#道轴力计在11月3日前，测试结果正常，11月3日突降暴雨，此后测试数据异常，显示本道锚索基本失效，可能与雨水再次沿坑外侧附近新挖填的临水暗埋管线下渗浸润坡体有关；2-6#道轴力计导线在槽深13.5m时被掉块砸坏，无后续数据。
图10 复合土钉墙腰梁部位面层配筋大样图
图11 锚索轴力计拉力实测值时程曲线（1-1剖面；2-2剖面）
3.4 坡顶水平位移监测结果及分析
3.4.1 监测点布设
基坑北侧壁全长约302m，坡顶布设水平位移监测点14个，编号B1～B14，基坑侧壁安全等级确定为二级，准许最大水平位移58mm（按基坑深度14.7m×4‰），变化速率≤6mm/d。参见图12。
3.4.2 监测变形结果
11月14日，基坑开挖至基底后，又经20天持续监测，基坑北侧坡顶水平位移监测值基本处于稳定状态。监测结果表现为：
图12 基坑北侧壁复合土钉墙坡顶变形监测点布置图
北坡西段（监测点B1～B7）坡顶水平位移较小，变形值5～11mm。
北坡中段（监测点B8～B9）坡顶水平位移增加至24mm，B9点出现变形正值。
北坡东段（监测点B10～B14）变形较大，变形值27～85mm。
参见图13、图14。
图13 基坑北侧壁挖至基底稳定后坡顶各监测点水平变形图
图14 基坑北侧壁坡顶水平位移实测值时程曲线
3.4.3 监测变形结果分析
北坡西段（监测点B1—B7）：坡顶距北侧久敬庄路约19～27m，超过基坑1倍开挖深度，坡顶外侧无堆载，显示基坑在挖深14.7m，且无荷载状态下坡顶正常水平位移结果，位移5～11mm。
北坡中段（监测点B8—B9）：坡顶距北侧久敬庄路约16～19m，恰为基坑1倍开挖深度，坡顶外侧无堆载，此段坡顶变形理应与西段相近，实际却不然，此部位实测值突然增加至24mm（监测点B8）。
北坡东段（监测点B10—B14）：坡顶距北侧久敬庄路约6～13m，坡顶外侧无堆载，但其北侧公路是本场地运土的主要道路。
监测点B10—B13坡顶水平位移最终稳定值为60～85mm，已超过规范准许的58mm（基坑深度14.7m×4‰），基坑变形主要发生在开挖至深度4.0m之前，此前位移已达到50～79mm，并一直稳定到下挖至基底深度，随后，坡顶位移仅增加10mm左右。经初步分析，这最后增加的10mm位移可能与运土车量距坡顶较近有关。监测点B14距东端头约10m，最终水平位移稳定值27mm，其虽距北侧运土道路仅6m，但其恰处于与东边坡构成的阴角附近，对抗变形有利。
3.4.4 坡顶水平变形异常值分析
（1）暴雨沿临水管线沟槽下渗
沿基坑北坡坡顶外侧，总包单位新挖埋一条临水管线，未进行正常回填压实，地面形成了一条低洼沟槽，此沟槽东端距基坑上口线约2m，在监测点B8附近距基坑上口线约13m，向西逐渐远离基坑上口线，参见图12。8月31日晚间突降暴雨，雨水沿坡顶外侧的临水管线沟槽大量汇水下渗，对北坡中段（监测点B8、B9）、东段（监测点B10—B13）坡顶变形影响极大，而对西段（监测点B1—B7）坡顶变形影响不明显。在基坑挖至基底前，未对坡顶外侧地面进行硬化。
（2）薄弱地段未及时采用拉锚措施
受浅部杂填土大量硬块影响，土钉成孔困难，第1道土钉开孔位由地面下1.2m下移至1.6m，且对其未采取沿坡面向外拉锚措施，中段具备拉锚条件，东段坡顶外侧地面宽度较小，基本不具备拉锚条件；9月2 日，基坑深度4.0m，第2道土钉尚未施工，第1道锚索施工后，尚未张拉。此时，边坡变形已趋于失控状态。
（3）暴雨下渗与未及时拉锚两种情况叠加
北坡中段B8—B9监测点：暴雨下渗造成B8点附近的槽底侧壁渗水、流砂，坡面渗水长度达30m，并引起1-1剖中的1-2#锚索张拉锁定失效。参见照片2。
B9点变形显示正值，主要是距马道口较近所致。
北坡东段B10—B13监测点：坡顶水平变形值在9月2日突发变形至50～79mm，主要与8月31日晚间降暴雨下渗、坑深4m时仅有1道土钉发挥作用有关。
照片2 监测点B8附近槽底侧壁渗水、流沙
3.4.5 坡顶水平变形合理值分析
北坡西段：通过北坡西段变形监测结果可知，在坡顶外侧无外荷载情况下，本基坑边坡坡顶最大水平变形实测值5～11mm，远小于规范准许的58mm（基坑深度14.7m×4‰）。
北坡东段：坡顶水平变形正常值应大于B14监测点的27mm，远小于B10～B13监测点的60～85mm，推测北坡东段坡顶变形正常值 ＜40mm较合理，小于规范准许的58mm（基坑深度14.7m×4‰）。
4 对本基坑支护设计、施工工作的评价
通过本次对土钉钢筋拉力测试、对锚索轴力测试及对基坑坡顶水平变形监测，更加清楚地认识到本复合土钉墙的实际受力状态及变形结果，很容易的看清本次基坑支护设计及施工的成功与不足有以下几点：
（1）从基坑支护设计角度来讲，本基坑在整体受力上是安全的，远没有达到极限状态，储备较大；
（2）在基坑侧壁坡顶水平变形方面，正常变形值很小，远离公路区段仅5～11mm，紧邻公路区段变形最大值 ＜40mm，均小于规范准许的最大值58mm；
（3）基坑开挖、支护过程中，对基坑周边环境防范及控制不利，造成暴雨沿新挖埋的临水管线沟槽汇水下渗浸润边坡土体，导致锚索张拉失效，给边坡变形控制带来极大危害。此外第1道土钉开孔位下移较大，且未采取地面拉锚等有效措施，加剧了边坡变形；
（4）综上所述，本基坑支护设计成果达到了科学、合理、经济、可行，提供了一个在粗颗粒地层组合中的超深基坑复合土钉墙支护设计成功实例，但施工过程风险控制不到位，需要今后避免、改进。
5 结论
通过对本工程监测成果的分析及论述，对超深基坑采用复合土钉墙支护形式有了更深入的认识，主要总结如下：
（1）必须科学、谨慎的对待超深基坑采用复合土钉墙支护的适用条件，不可盲目冒险。
（2）基坑深度越大，越需加强面层强度（如，加强面层厚度、加大配筋量、设纵横构造梁柱等）、加大锚索控制水平变形的效果（如，适当加大锚索长度、增加锚索道数等），但须与其它支护结构类型在控制变形能力、造价、工期等方面的比选。
（3）严格控制坑外条件及时硬化地面，防止雨水下渗侵润坡体；管控取水点，防止水体大量渗漏；监控污水管道，防止破裂渗漏；监督新挖埋地下管线的回填质量，须达到密实回填；管控地面各种超载不得大于设计荷载等。
（4）浅部遇较厚杂填土、旧基础等障碍物，无法成孔，需孔位下移较大时，须及时采取地面拉锚等有效补救措施，控制边坡浅部变形。
（5）根据土钉墙受力规律，须合理布设土钉及锚索既要满足受力要求，又要满足稳定性及变形要求，充分体现复合土钉墙在安全及经济方面的巨大潜力。
（6）锚索在张拉锁定后常会出现松弛现象，主要因素有：①锁定时锁片的滑移影响；②相邻锚索张拉锁定影响；③锚位附近土体蠕变影响；④腰梁及面层强度不足影响等。当在锁定后48小时内，锚索拉力低于设计锁定值的90%时，应进行补张拉锁定，否则，锚索对坡体面层变形控制将会大大削弱，甚至消失。
（7）对以粉土—粘性土为主或变形要求较严格的边坡，锚索注浆宜采用二次高压注浆工艺。
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