某砂质边坡采用土钉墙支护坍塌机理分析与探讨

2020-10-17顾成永

化工矿产地质 2020年3期

顾成永

中化地质矿山总局河北地质勘查院，河北石家庄 050031

由于土钉墙施工工艺简单、工期短、支护成本低而成为浅基坑支护首选的支护方法，近年来在中国被广泛应用。土钉支护是以较密排列的插筋作为土体补强手段，通过插筋锚体与土体和喷射混凝土面层共同工作，形成补强复合土体，达到稳定边坡的目的[1]。砂质边坡由于自身结构的特点，较土质边坡更容易引发边坡失稳。当砂质边坡采用土钉墙支护时，从设计、施工方案编制到现场管理都应该引起各参与方足够的重视，并且相互配合才能确保支护工程的顺利实施。

润都锦园项目一期主要由2 栋写字楼（层高分别为19、21）、2～4 层临街餐饮商业、1 栋6层快捷酒店及地下车库等组成，拟建建筑物均为地下2 层。场地原为耕地，局部为厂房拆迁区，整平标高63.30m。基坑采用整体开挖方案，开挖底边界为地下车库基础边界外延800mm，基坑长170m，宽110m，基坑底标高52.55m，开挖深度为10.75m。基坑开挖深度范围从上到下依次为粉质粘土、粉土及细砂层。

该基坑发生局部坍塌事故的是基坑北坡，坍塌发生在夜晚，未造成人员伤亡。本文以此事故为例，详细分析边坡坍塌的原因及处理方法，并进一步针对砂质边坡采用土钉墙支护时提出合理建议。

1 场地工程地质条件

场地地形较为平坦，地面标高为63.00～63.76m。地貌属太行山山前冲洪积平原。

根据勘察报告，与基坑支护相关地层的岩性特征自上而下依次为：

（1）素填土：黄褐色，稍湿，稍密，以粉土及粉质黏土为主，含少量砖块、混凝土块等，局部为耕土，含植物根系，层厚0.30～3.20m。

（2）黄土状粉质黏土：褐黄-黄褐色，可塑-硬塑，局部坚硬，含姜石、铁锰氧化物，局部夹粉土薄层，层厚0.80～3.60m。

（3）黄土状粉土：褐黄色，稍湿-湿，稍密-中密，含云母，局部含砂粒，夹粉质粘土薄层。属中压缩性土。黏粒含量平均值ρc=15.1%。层厚0.70～5.70m。

（4）细砂：灰白色，稍湿，中密，矿物成分以长石、石英为主，含云母，颗粒级配一般，局部夹粉土薄层，层厚2.50～7.50m。

本次勘察期间由场地内水井实测地下水位埋深为42.00m。地下水位埋深较大，可不考虑地下水对基坑开挖的影响。各岩土层主要物理力学指标见表1。

表1 岩土层物理力学性质指标Table 1 Physical and mechanical properties of geotechnical layers

2 基坑支护设计方案

2.1 基坑周边环境

基坑北侧现为空地，北距围墙12.0m（以基础边计算，下同），围墙外有多条地下管线通过，主要为污水管，给水管，雨水井及通信管道等，埋深一般为1.0～4.5m。坡顶与围墙间不堆放重型物资且不通行重型车辆。

基坑东侧为拟建项目二期，其基底标高为-8.650m（±0.00 相当于绝对高程的63.70m）。与本基坑高差2.5m，两期地下工程同时施工。

基坑南侧现为空地，南距围墙5.0m，围墙外1.5m 处有东西向电缆沟，埋深1.5m。其外为空地，施工期间拟堆放钢筋、架板等材料，并通行重型车辆。

基坑西侧现为空地，西距围墙18.0m，从坡顶线向西6.0m 范围为施工道路，坡顶线向西6.0m 至西围墙区域设置临时建筑、钢筋加工及钢筋堆放点。

2.2 基坑支护设计方案

根据基坑深度、工程地质条件及场地周边环境对本基坑采取支护方案如下：基坑北边坡采用土钉墙支护，西边坡与南边坡采用桩锚支护，东边坡由于与二期基坑同时开挖且高差仅2.5m，采用自然放坡。基坑支护情况见图1。

由于本次坍塌部位为北坡土钉墙支护段，下面仅对北坡支护方案进行详细介绍。

北坡基坑支护安全等级为二级，设计荷载为均布15MPa，采用土钉墙支护，按1∶0.4 放坡。坡面设七排注纯水泥浆土钉，土钉直径100mm，倾角15°，竖向间距1.4m，水平间距1.5m，土钉长度5.8～8.8m，配筋1Φ16 或1Φ18。土钉墙面层配筋φ6.5@150×150，水平加强筋1Φ16，喷射80mm 厚的C20 混凝土。土钉杆筋与加强筋均为HRB400 热轧螺纹钢。坡顶设高0.4m 的挡水墙，坡底设0.3m×0.3m 排水沟。详细设计参数见图2。

图1 基坑支护平面图Fig 1 Plan of retaining and protecting for foundation excavation

图2 北坡土钉墙支护剖面图Fig 2 Soil nail wall-supporting section in north slope

3 基坑坍塌过程

基坑支护单位施工完第四步土钉及面层后，土方施工单位没有按照设计要求分层开挖而是直接下挖至基坑底。支护施工无法跟进土方开挖的速度，造成大量坡段砂层裸露。两天后边坡发生了多点局部剥落（图3）。设计单位发现后立即向建设方及监理通报了边坡的危险程度，并要求采取堆方反压措施后调整设计方案，但没有引起建设方及监理的足够重视。建设方强制要求支护施工队伍冒险作业，现场工人用胶合板进行了简单的支挡反压措施后继续施工土钉（图4），随后坡顶距离基坑开挖边缘3m 处出现了地面裂缝，当晚发生了边坡坍塌事故。坍塌长度约10m，土钉未被完全拔出或拉断，土钉与面层加强筋连接部位破坏。基坑坡顶外围墙及管线未受影响，事故发生时边坡下没有作业人员，无人员伤亡。事故现场见图5。

图3 边坡细砂层局部剥落Fig 3 Local exfoliation of fine sand layer in the slope

图4 边坡局部坍塌Fig 4 Local collapse in the slope

图5 边坡坍塌Fig 5 Collapse in the slope

4 基坑边坡坍塌机理分析与探讨

4.1 边坡坍塌机理分析

土钉墙的坍塌除了在软土地区可能呈现圆弧破坏外，多以楔形体滑塌[2]的形式破坏，本次坍塌即属于此种破坏形式。综合分析此次边坡坍塌事故是由多种不利因素组合诱发的，是个综合性问题[3]。它与设计方案、工程地质条件、施工措施、监测及管理等因素有关。

4.1.1 基坑支护设计方面的原因

（1）基坑支护设计时采用的是非正版的理正深基坑软件，计算存在一定的偏差。经正版理正软件验算发现土钉局部抗拉验算大部分未能通过，面层配筋计算未通过。设计本身存在一定问题。

（2）设计时考虑了砂土中的假粘聚力，细砂粘聚力取值5kPa。砂土中的假粘聚力是由砂粒间结合水[4]的毛细作用形成的，当砂由于风干日晒而失去毛细水或水含量加大毛细水成为了自由流动的重力水时，毛细作用就会消失。在砂质边坡采用土钉墙支护时，一般不考虑假粘聚力，如果考虑了就必须保证边坡在使用期间砂层不失水、不渗入水。

4.1.2 地层结构因素

本边坡10.75m 深的基坑范围内，上部黄土状粉质粘土与黄土状粉土厚度占到了整个边坡厚度2/3，其余为细砂层，这属于典型的上土下砂型的砂质边坡。砂层较土层最大的不同在于没有粘聚力，这一特性导致在凝聚力相同、厚度相同及比重相同的情况下，砂层的主动土压力明显大于土层的主动土压力。这也是当砂质边坡采用土钉墙支护时容易坍塌的内在原因。

砂层边坡按一定角度开挖后，由于存在砂粒间的毛细作用，暂时处于稳定状态。当砂层风干失去水分后在重力的作用下砂粒逐层剥落，这是砂层区别于土层的独有结构特性。这一特性也是诱发本次事故的原因之一。

4.1.3 支护结构因素

基坑边坡支护方法有很多，按支护结构分为四大类：支挡式结构、土钉墙、重力式水泥土墙及放坡[5]。放坡是用土体自身抗剪强度抵抗下滑力，支挡式结构与重力式水泥土墙均是用支挡结构或重力式挡墙抵消边坡土体滑动力，属于被动制约机理。土钉墙支护结构与其它支护结构均不相同，属于主动加固机理。土钉墙支护结构由土钉和面层两部分组成，土钉主要是改善土体的结构性能，提高原状土强度和刚度，由土钉与原状土体共同作用形成物理力学性质较好的复合土体。土钉墙面层起到均衡各个土钉的受力问题，同时限制坡面局部膨胀和局部坍塌，对坡体水平位移起到约束的作用，尤其对砂层和软土显得尤为重要。

中国现行的基坑支护规范中将面层按构造处理，不承受土压力，但实际上面层仍存在一定的土压力。国内某土钉墙支护实测面层土压力分布见图6。法国一般按土钉拉力的30%～40%来设计面层，德国在永久支护面层设计中按主动土压力的85%考虑[6]。

图6 面层土压力随深度变化（实测）Fig 6 Facing earth pressure varies with depth

国内外对面层受力情况进行了许多的研究，主要通过现场实测和室内模拟试验进行研究，有的把土钉墙面层看成竖直放置在地基上的有限长梁进行分析计算[7],其计算结果与实测值基本吻合。研究结果表明喷射混凝土面层承受的侧向土压力，呈现上、下小，中间大的特点且最大侧向土压力位于中下部。这与本案例中开始局部坍塌位置基本相同。

正常施工的情况下面层最大受力位置随着土钉墙分层向下施工逐渐下移，而在本案例中直接开挖到基坑底，使得面层最大土压力位置处没来得及施工土钉和面层。在没有土钉改善土体结构性能和没有面层约束的情况下，极易引发边坡局部坍塌。

4.1.4 施工方面的原因

（1）土方开挖违章作业

土方施工不按设计要求分层分段开挖，从地表到基坑底仅分两步作业，与设计工况严重不符。开挖到坡底时仅靠上部四排土钉及面层无法提供足够的抗滑力，从而引发坡体发生蠕变变形。违章作业是导致本次事故的根本原因。

（2）施工措施不当

当土方施工不按设计要求开挖时，支护单位应及时对施工方案做出相应调整，针对违章开挖及砂层保水采取适当的补救措施，来确保边坡支护过程中的安全。

首先对砂层机械开挖时要尽量放大坡，通过预留土方压住坡脚的方式来保证边坡的稳定性。预留土方在支护施工时再用小型机械或人工清坡运走，从上至下逐排施工土钉及面层。

其次应做好砂层防护措施，防止风干日晒导致砂层剥落。砂层的这一特点易于在喷射混凝土面层后形成掏空区。初始坍塌位置为侧向土压力最大部位，而砂层失水份后开始逐层剥落，在“内挤外剥”的双重作用下，由剥落转变为局部坍塌，在喷射混凝土面层后形成掏空区（图7a），掏空区顶部砂土继续塌方，坡体加速向下位移，当滑裂面形成后发生整体坍塌（图7b）。

图7 边坡坍塌示意图Fig 7 Schematic diagram of slope collapse

当发现边坡砂层局部剥落后，没有及时采取有效的处理措施，仅用胶合板与少量反压土无法阻挡坡体继续变形，最终导致边坡整体坍塌。

4.1.5 监测、管理因素

基坑监测与基坑设计、施工同被列为基坑工程质量保证的三大基本要素[8]，可见监测在基坑支护中的重要性。设计单位按照规范要求进行了基坑变形监测设计，但在实施过程中建设方没有按设计要求找第三方做基坑监测，边坡支护单位也没有进行严格的施工监测，仅靠现场巡视来发现问题。

从土方开挖失控、不做基坑监测、边坡出现局部坍塌强迫工人冒险作业，无不体现该项目管理混乱、建设方与监理方严重失职，这是导致本次事故的人为因素。

4.2 基坑边坡坍塌处理

边坡坍塌后，建设方组织了相关人员进行了现场分析，进行了如下处理：对坍塌段仍采用土钉墙支护，从上至下重新施工土钉和面层，土钉垂直位置不变，水平方向错开原有土钉，原土钉作废；放坡角度按塌方后形成的坡角施工，将表层松散土清理干净，逐层清理逐层支护；严格按照设计要求请第三方做好基坑的监测工作，发现问题及时解决；对开挖后未来得及支护的坡段进行反压回填，再按设计要求施工；该处理方案实施后未再发生坍塌事故。

4.3 土钉墙的护坡建议

造成边坡事故的因素有很多，有人曾对太湖软土区的47 个基坑坍塌事故进行了分析[9]，发现由勘察的不确定性[10]因素导致的事故占4.3%，设计因素导致的事故占38.3%，施工因素导致的事故占34.9%，水力破坏导致的事故占比21.3%，其它因素导致的事故占2.1%。虽然仅是小范围内的数据统计分析，但设计因素与施工因素是导致基坑事故的两大主要因素是没有异议的。砂质边坡采用土钉墙支护做为基坑支护中的难点之一，我们只有在充分了解土钉墙支护结构受力情况与砂质边坡的特性才能做好支护工作。根据多年的实践经验并结合上述工程实例，本人针对砂质边坡采用土钉墙的护坡工程总结如下几点经验。

4.3.1 土钉墙的护坡设计建议

设计计算时慎重利用砂土的假粘聚力，虽然可以降低支护成本，但同样存在风险，一般将假粘聚力做为安全储备；边坡中部与中下部位置处土钉受力最大，也是面层受力最大的位置，设计时不仅要加长土钉与提高面层强度外，土钉筋与面层加强筋的连接强度也是设计的关键；对于砂层尽量放大坡，这是提高边坡的稳定性最经济、最安全的方法；必要时在受力最大位置加设预应力锚杆，可显著减少坡体变形，提高边坡的稳定性；缩短基坑监测间隔时间。

4.3.2 土钉墙的护坡施工建议

严格控制土方超挖，务必按设计要求分层开挖，必要时要分段开挖，如果现场确实无法协调，可留足够宽度的土台，后期采用小型机械和人工二次修整边坡；由于岩土工程勘察的不确定性，在施工过程中要密切注意地层岩性、厚度、含水量等是否与设计条件一致，发现异常应及时向设计人员反映；砂层开挖后可采用塑料布覆盖或喷水泥浆保持水分，人工修坡后可先喷一层混凝土，再施工土钉；采用洛阳铲成孔过程中，要经常旋转洛阳铲，可以起到密实孔壁四周砂体的作用，使得土钉孔呈最佳受力状态；成孔后，如果不能立即注浆要采取封堵孔口措施，以确保孔内砂体湿度，防止因失水造成孔体坍塌；成孔时尽量避免用力过大从而造成孔体坍塌；放植土钉杆筋与插入注浆管时均要动作轻缓，避免对土钉孔的扰动，尤其在插入注浆管时，务必保证注浆管顺直；做好基坑监测工作，加强现场巡视，及早发现问题。