复合土钉墙支护在花岗岩地区基坑加固的应用

赵 群

（佛山市顺德区碧桂园物业发展有限公司 广东佛山528312）

基坑工程是一门新学科，其发展经历了重要的三个阶段：第一阶段钢板桩，第二阶段地下连续墙，再到第三阶段桩排支护，这3种支护的特点是工程复杂，同时造价方面较高。后来随着技术发展出现了土钉墙支护［1，2］，它的优点覆盖了前三阶段工程支护的缺点，成本低，施工快，因此在工程中得到大量的应用。土钉墙复合技术的发展产生了一种全新支护技术——复合土钉墙，具有施工快、成本低、工期短、用料少等优点，因此被大量用于基坑支护工程中［3，4］。与传统经过几十年经验积累的前三个阶段发展的支护方案对比，复合土钉墙还需要大量的工程经验和数据。

就支护结构刚度方面而言，复合土钉墙较小，所以侧向变形较大，这与传统的支护方式桩排或连续墙结构刚度大，由被动区土体和内支撑维持基坑稳定是不同的［5］。由于影响基坑变形的因素很多，如人工挖孔桩的速度、天气气候因素等，因此要掌握变形的规律需要收集这些竣工工程的大量数据［6］。

在支护形式中分为刚性和柔性支护2 大类，复合土钉墙属于后者，具有柔性支护变形大的特点，而桩支护或墙支护属于前者，刚度比较大，结构的变形很小。因此土钉墙采用复合技术计算的模型大多只进行整体稳定计算，但变形估算方法有待进一步研究。对基坑工程研究可知基坑发生过大变形时可能是由各类因素综合影响造成，如天气雨季影响、勘查地质参数、计算模型以及施工进度等，除此之外，基坑周边环境的复杂多样性，地下各类管线等等［7］。本文通过对温州市某项目的土钉墙支护实例整理、分析，旨在总结工程支护设计与施工、工程施工与监测、工程加固与监测等多方面之间的一些关系，为相似工程提供参考。复合土钉墙技术的实用性与应用性很高，为此类工程积累基础性数据。

1 基坑概况

温州某住宅小区地下人防工程位于温州市滨海园区丁山垦区，东北侧为纬十二支路，东南侧为经六支路，西南侧为纬十支路，西北侧为隔经五河和经五路，为2 层人防地下工程，结构支撑体系为框剪结构，基础采用端承的摩擦型灌注桩，人工开挖，强风化花岗岩作为桩端持力层。本基坑安全等级为Ⅱ级，人防地下室总长为827 m，室外标高±0.00 取10.20 m，采用黄海高程，场地规划设计标高取9.70 m，规划道路的高程按照10.20～12.10 m 取值。人防地下工程挖深按照8.75 m 计算，此标高为相对标高，底板厚400 mm，桩基础承台厚度为1.5 m；基础下素混凝土100 mm 和200 mm灌砂片石作为垫层，垫层标高-9.25 m。

2 基坑工程地质情况

2.1 基坑工程地质概况

岩土工程勘察报告如图1 所示，工程地质自下而上划分为4 层，基坑基础设计方案选择第4 层为花岗岩作为持力层，对地质情况简要描述如下：

第1 层土层顶标高为9.46～9.64 m，相对应的底部标高为 6.04～8.78 m，厚 1.80～3.00 m，为黄褐色填土层，土质不均匀，稍湿，属新近回填土，土层结构松散。紧接着第2 层土层，其局部不均匀厚度为0，平均厚度为0～8.80 m，为硬质黄粘土，可塑性，粉质土，土质韧性好，强度较高。第3 层土层顶标高为6.04～8.78 m，相对应底部标高为-6.18～3.14 m，粘土，其土层厚范围为2.50～19.00 m，硬塑粘土，砂质，灰黄粘性土，部分土质坚硬，以粘、粉粒为主，含石英碎片。第4 层为全风化层花岗岩，顶标高为-6.18～3.14 m，其底部标高为0.74～-12.89 m，其厚度约为1.80～8.10 m，岩层厚度大于3 m，满足基础设计要求持力层厚度［8］。

图1 地质结构剖面Fig.1 Profile of Geological Structure

2.2 水文及地质工程概况

地下水主要是承压水以及地表水，2 者在地块岩土勘察报告中有详细说明。报告显示其中的微承压水，在存在构造岩层裂隙密集区，位于中等风化的花岗岩中，富水性方面密集区较好，整体上不均匀分布。强风化区域的花岗岩层存在弱透水层，整个区域的富水性以及透水性都较弱，有部分发育裂隙中有不少水存在。地下水的水位报告显示埋深在1.3～2.6 m之间。

报告对水质分析的结果是在交替干湿环境中，地下水对结构中的钢筋没有腐蚀性，同时长期的浸水环境下同样没有腐蚀性。对于混凝土，地下水具有中等程度腐蚀性，因此对结构中的混凝土需要做处理。

3 基坑工程支护方案

3.1 项目基坑工程特点

⑴ 岩土勘察地质报告显示，项目场地内工程地质为花岗岩残积层，且不存在软土层，也不存在透水层，但作为人工挖孔桩持力层的花岗岩岩层具有遇水软化特性，挖空至桩底时需要特别注意，遇水崩解软化会造成桩底持力层无法达到设计要求。

⑵ 地下人防基坑东北侧由于无建（构）筑物的影响，且基坑边缘距离道路满足放坡开挖条件，即此侧采取放坡开挖。东南侧靠近经六支路以及西南侧靠近纬十支路采用局部放坡开挖，开挖高度2 m，其余侧同东南侧及西南侧局部放坡开挖。

⑶ 基坑东南侧靠近经六支路，重要军事管线沿着经六支路走向铺设，需要重点保护此侧，因此基坑经六支路侧壁安全等级为一级，未注明的基坑侧壁安全等级为二级。

⑷ 地下水位高程依据地勘报告基坑外侧按照黄海高程9.20 m，内侧按照黄海高程取-10.25 m，取此高程进行设计。

3.2 支护方案

⑴ 根据岩土工程勘察报告，土层各层参数选取如表1中所示。

表1 土层参数Tab.1 Soil Parameter

⑵ 依据岩土工程勘察报告显示的地下水为承压水和地表水，因此设泄水孔在开挖面上排水，不设止水帷幕，坑内设明排集水井及排水沟。

⑶ 基坑周边能放坡开挖位置，先按照放坡开挖约2 m，然后采取垂直开挖，加强型喷锚网及超前钢管桩型支护设计方案。支护设计方案的设计参数如表2所示。

表2 设计参数Tab.2 Design Parameter

基坑东南侧靠近经六支路的方案剖面如图2 所示，整体的稳定性方面按照基坑滑动面计算，取基坑底的圆弧形滑动面［9，10］。依据总应力法来计算基坑土的抗剪，因此基坑的Ks为：

其中，li是指第i圆弧形滑动面土条的弧长（m），li=bi/cosαi；qi为第i圆弧形滑动面土条的荷载（kPa）；bi为第i圆弧形滑动面土条的宽度（m）；wi是指第i圆弧形滑动面土条的重量（kN），重度取值分为地下水位以上和以下，分别对应取天然重度和浮重度；α i是指第i条圆弧形滑动面的滑弧的中点切线与水平夹角（°）；ci是指第i条圆弧形滑动面的土粘聚力（kPa）；φ i是指第i条圆弧形滑动面的滑弧中点切线和水平夹角（°）［11］。

由上式计算可得，整体稳定安全系数结果为1.353，能够满足此建筑的基坑相关规范要求，满足基坑监测等安全方面的要求［11］。

3.3 基坑的设计方案

在基坑周围的建（构）筑物包含各类建筑及管线设施，往往在基坑开挖后容易发生各类危害，主要是开挖后造成的地质沉降、水平方向的位移、整体基础的不均匀沉降等原因导致，同时，地面的水平位移和地基土水平应变发生改变也同样给周围的环境造成危害。依据基坑设计的相关经验［12］，参考基坑规范及规定，本工程实施基坑全过程监测。

⑴ 监测点：基坑东北侧靠近纬十二支路具备放坡开挖条件不设置监测点。东南侧靠近经六支路以及西南侧靠近纬十支路采用局部放坡开挖，设置位移监测点、沉降监测点等，东南侧基坑锚杆设置变形监测点，基坑底部设置地下水位的变化监测点。

⑵ 监测频率：基坑东南侧壁2 m放坡开挖范围监测频率2 d/次，2 m以下位置边开挖边支护，监测不出现险情的情况下监测频率同放坡开挖频率。基坑底板施工结束采取3 d/次的监测频率，发现基坑异常的情况采取加密至1 d/次或1 d多次的监测频率。

⑶ 预警值控制：项目地下水位在监测点降深不得超过2 m，并且每天降深发展不得超过500 mm；设计等级为一级的基坑东南侧壁最大水平位移≤50 mm；东南侧靠近经六支路以及西南侧靠近纬十支路采用局部放坡开挖设置的监测点顶部位移≤50 mm。

东南侧基坑支护面如图2所示。

4 基坑施工过程监测分析

基坑工程在2016 年8 月初开始施工，截至施工第68 d 时，当挖孔桩施工至9～14 m，项目基坑的东侧已经开挖至底板垫层底，但此时基坑出现的累计位移约为4.0 cm，且变形累计按照规范要求及设计方案，达到了监测预警值。针对工程的此种情况，具体分析了可能导致基坑工程位移超过限的原因如下：

图2 东南侧基坑支护面Fig.2 Profile of Southeast Pit Supporting

⑴ 项目基坑工程开挖至进度的第68 d，最初施工阶段，挖孔桩的基础开挖深度较浅，开挖对基坑变形基本上没有影响。由于挖孔桩施工速度缓慢导致桩孔内容易形成较多地下水。桩孔深度加深，需要不断抽出桩孔中的地下水，造成了开挖施工的过长周期，从而导致项目基坑工程变形加大。

⑵ 地质勘察报告显示基底中有较深层的风化花岗岩，在最初设计阶段，将强风化花岗岩层作为挖孔桩的桩端持力层。在随后的人工开挖过程中，逐步发现桩底的花岗岩残积层遇水软化崩解造成了桩底涌土明显。特别是遇上雨水天气，基坑施工过程中花岗岩残积层遇水软化崩解造成了现场难以辨别挖孔桩是否已经挖到持力层。同时，花岗岩的开挖难度很大，设计桩底扩孔至0.3 m，施工难以按照设计方案扩孔。

⑶ 基坑开始施工就由于雨季的原因，雨水导致地表水滞留，这些地表水使基坑侧壁的主动土压力加大了，从而导致累计位移超过规范规定的监测预警值。

鉴于以上分析原因，项目甲方代表与设计驻场代表沟通后，采用修改原设计扩孔孔径，扩孔由0.3 m 改为0.1 m，按照规范规定以及计算要求，修改后的方案增加桩长2 m，成孔的长度约为12～18 m。但当基坑施工至第132 d，由于多方面的综合原因使监测到的累计最大变形位移数值远超过设计预警值，累计位移已经达到6 cm，且超过了基坑规范要求，需要对项目基坑进行加固以消除基坑安全隐患，同时保障基坑周边建筑物安全。

5 基坑加固方案及加固监测

由于基坑累计位移较大，暂停项目基坑施工，但基坑侧壁变形位移并未稳定。经过业主方组织相关设计院、监理方、市专家组等研究认为本工程由于水平位移引起安全隐患，需要进行加固。同时，结合参考全国类似工程实例，采用土体施加预应力的锚索和面层喷射混凝土的土钉墙加固基坑的方案［13，14］。

同时，加固过程中基坑东南侧壁顶点位移监测点频率由原来施工阶段的1 d/次调整为暂停施工阶段时期的0.5 d/次，监测频率增加1倍，监测点位置不变化。同时，做好在基坑顶限制堆载，基坑周围也限制通行，以防止事故发生及造成基坑安全隐患进一步发展。

基坑基础施工控制在安全线以外，划定安全线范围以内暂停施工。以外区域在安全有保障的前提下，施工的速度加快，以减少雨水对持力层岩层的影响［15］。加强了基坑监测异常机制，设置多重应急预案，遇到异常情况通知施工方暂停基础施工，以及各专家组等进行紧急处理。基坑加固方案具体数据如图3所示。

图3 基坑支护加固Fig.3 Retaining of Pit Supporting

基坑按照设置2道施加预应力的锚索，面层喷射混凝土的土钉墙的方案加固实施后，通过2次/d实测监测到的八号点的监测数据，水平位移如图4所示，由监测结果显示该处项目基坑的累计变形约为7.7 cm，且在施工日期2016 年12 月1 日后发现监测点的变形收敛在约7.8 cm 处，业主方邀请各方对工程进行评估，通过严谨的论证得出基坑变形基本上得到控制。截止人防地下工程施工完毕，没有再出现新险情，基坑工程的变形趋于稳定，据此也验证此支护方案在岩层地区对此类基坑事故处理的有效性。

图4 监测点J8深层位移成果Fig.4 Deep Displacement Results of Monitoring Point J8

6 结语

⑴ 基坑的土体变形特征对于基坑支护方案具有决定性因素，除此之外还有基坑开挖方式以及地质情况等的影响，根据这些因素的实际情况，同时结合基坑的实时监测数据，进行基坑支护方案的设计。从本基坑的监测的结果反映出变形是本基坑支护方案需要重点控制的，最终的基坑支护设计方案为复合土钉墙、钢管桩支护的联合设计方案，较好的控制了基坑的变形，同时也对周围建（构）筑物起到安全保障作用。

⑵ 在基坑施工基础过程中，由于气候的原因，大量雨水及地下水使持力层花岗岩遇水软化，导致花岗岩无法达到作为持力层的设计要求。特别是最靠近项目基坑侧壁进行挖空桩施工时，可能会导致变形的超限，造成工程基坑安全系数降低［16］。若有类似基坑工程，在设计方案及施工过程中可借鉴此工程，加强监测基坑位移。

⑶ 基坑设计全过程动态化及是基坑安全的保障，由于基坑受到基坑工程地质、周边建构物、甚至天气气候等多方面影响，因此需要对基坑全过程监测，监测数据使施工数据信息化，同时随着数据变化设计全过程动态化。本项目基坑初期支护方案虽产生较大位移，得益于全过程监测，监测数据及时，借助多方专家会审找出基坑事故原因，并对项目基坑侧壁及时进行了加固处理，通过实践证明加固方案取得了较好的效果，证明了复合土钉墙和钢管桩联合加固方案有效，最终满足项目进度及基坑安全开发之需要。