永久性边坡组合型支护结构的研究与应用

李大为 范蒙飞 张 冲 高 元 乔海峰 张 定

陕西建工第九建设集团有限公司 陕西 榆林 719000

随着沙漠边缘风积相砂土地带土地利用率大幅度提高，工程基坑支护结构在工程中尤其重要。已建项目地处毛乌素沙漠边缘一级台地，旁边是城市主干路。经勘探揭露，场地地层主要由风积相砂土组成，该地层在地质运动或风力搬运作用下会产生水平的位移而对建筑结构构成危害。本项研究成果将在风积相砂土地质环境情况下有力地解决土体对建筑主体的损坏。

近年来，众多学者对地质移动引起的边坡和相应的控制措施进行了大量的研究和实践工作，刘情情等[1]研究了支护结构对建筑围护结构的危害，并分析了某工程中临时支护与永久支护相结合的施工应用情况。经过对比分析，在节省造价的基础上，加快了施工进度。

1 工程概况

榆林市会展中心项目位于陕西省榆林市西南新区，内含6座展厅和1座国际会议中心，同时具有大型宴会厅及相应配套功能，是一座集国内外大型会议、展览、宴会、商务活动等多功能于一体的综合型公共建筑。

榆林市会展中心车库北侧紧邻市政道路（路边有高压线、燃气、消防、通信管线），高差6.5 m，基坑深度较深，场地空间有限，不具备自然放坡条件。为了保证安全施工以及避免对紧邻市政道路的影响，需要进行专项治理。榆林市会展中心车库设计理念为地下室外墙不受土体侧向推移危害，需要一种支护结构将主体外墙与周边土体隔断。

综上可知，即需要一种既要保证临时性基坑施工安全，又要保证车库外墙不受土体侧向推力危害的经济、合理的永久性支挡结构。

2 设计及原理

2.1 支护工程设计

2.1.1 支护体系的要求

1）保证边坡的稳定性，满足地下室施工有足够空间，同时阻断土体向主体结构传递水平推力的要求。

2）保证边坡位移受控，确保边坡形变处于坡肩地下各管线抗变位承受力范围内的要求。

3）满足经济性、施工工期及施工便捷兼顾的要求。

4）满足基坑阶段及主体施工阶段的使用周期要求。

2.1.2 支护设计条件

1）工程地质条件。项目临时开挖深度为6.28～6.73 m，永久使用阶段高度为7.7 m。原始地貌低洼区域进行了填土整平。据勘察资料，边坡支护区段场地自上而下的岩土层分布情况为：②粉细砂、③细砂、③1粉土，各土层相关物理力学指标参数见表1。

表1 场地土层相关物理力学指标参数

2）水文地质条件。场地的地下水属于潜水类型。勘察测得的稳定水位埋深为9.2～9.4 m，相应绝对标高为1 117.10～1 117.27 m。其水位动态变化主要受降水、自然蒸发、人工开采、地面蒸发和地下侧向径流等因素影响，场地地下水位年变化幅度为1.0 m左右。

2.1.3 支护方案及典型剖面

1）支护方案。本支护工程设计坚持安全、经济、方便施工的原则。在掌握本支护工程要求、场地工程地质和水文地质条件、场地周边环境条件等资料后，对影响边坡工程支护体系的安全、功能、工期、经济等因素的主要矛盾进行分析。

根据项目实际情况，综合比对选取了能同地基与基础、主体结构并行施工的永临组合型支护体系。在地基与基础开挖施工阶段，采用复合土钉墙支护，车库主体施工阶段采用板肋式锚索挡墙支护（同时阻断向主体结构传递的土推力）[2]，两者预应力锚索为共用构件，锚索使用生命周期贯穿临时阶段及永久性阶段。

2）支护典型剖面。经计算，临时阶段土钉长度7.5～9.0 m，面板厚度80 mm；永久阶段板肋式锚索挡墙预应力锚索抗拔安全系数为2.6，为弥补岩土层锚固力的不足，选用了分散拉力型预应力锚索，预应力锚索第1道长度为22.0 m，第2道长度为15.0 m，肋柱为500 mmh 600 mm，挡板厚250 mm。

永久性使用阶段，支护结构顶部存在覆土及车辆动荷载，根据支护结构覆土荷载、车辆荷载、构件自重及预应力锚索竖向分力等具体条件，经计算，板肋式锚索挡墙采用桩基础，受力段嵌固深度约6.9 m，桩间距2.5 m。

具体设计工况及相应工况说明见表2，支护结构典型剖面见图1。

图1 支护结构剖面示意

表2 设计工况汇总

2.1.4 有限元分析法

依托于有限元分析法，在数值计算中，土体为连续的弹塑性体，符合Mohr-Coulombm模型。以有限元分析法为理论基础，分析各阶段的稳定性及变形趋势。临时阶段总位移云图、剪切耗散与强度折减示意见图2、图3。

图2 临时阶段总位移云图

图3 临时阶段剪切耗散与强度折减示意

永久性阶段水平位移云图、竖向位移云图及矢量位移趋势示意见图4～图6。

图4 永久性阶段水平位移云图

图5 永久性阶段竖向位移云图

图6 永久性阶段矢量位移趋势示意

剪切耗散与强度折减示意见图7。

图7 永久性阶段剪切耗散与强度折减示意

2.2 施工原理

考虑到支护安全的重要性，先在护坡阶段采用土钉加锚索护坡施工技术，锚索在护坡面层施工完成后首先张拉锁定并封锚，然后紧邻车库外墙设置1道肋板式钢筋混凝土挡墙，并与车库外墙设置宽10 cm变形缝，最后锚索在肋板式钢筋混凝土上再次张拉锁定并封锚。本技术在充分利用临时性支护的基础上结合永久性挡墙施工，达到永临结合的挡墙支护工程。

3 工艺原理及操作要点

3.1 工艺原理

本工程施工工艺原理如图8所示。

图8 施工工艺原理

3.2 开挖修坡

本工程采用自上而下水平分段、垂直分层开挖修坡的明挖法施工，分段长度不宜超过20 m，分层开挖厚度按土钉/锚索/摩擦固定筋位置＋0.5 m进行控制（图9）。

图9 开挖修坡示意

3.3 土钉施工

本工程土钉成孔直径120 mm，倾角15e ，重力孔内灌注水泥浆，孔内浆体应灌注饱满。土钉与面层钢筋必须有效连接。在注浆体及喷射护坡混凝土面层达到设计强度的75%后方可开挖下层土方。土钉施工过程中遇到不明障碍物时，可适当调整孔位和倾角。

3.4 锚索施工

锚索材料釆用高强度、低松弛钢绞线，强度1 860 MPa。钻进过程中，应对每孔地层变化（岩粉情况）、进尺速度及一些特殊情况进行现场记录。锚索下料采用砂轮切割机切割，避免电焊切割。采用水灰比为0.50～0.55的水泥浆进行注浆。当浆体强度达到设计强度后，方可进行张拉锁定，在浆体未完全固化以前不得拉拔和移动锚索。锚索张拉完成后进行自由段注浆，注浆材料同锚固段（图10）。

图10 锚索自由段与锚固段剖面示意

3.5 护坡面层施工

每层开挖修坡完成后及时搭设施工架体，绑扎面层钢筋网片及水平向加强筋，面层钢筋保护层采用水泥垫块进行控制。待土钉及锚索孔道注浆完成，同时面层钢筋绑扎验收完成后方可进行喷射护坡面层混凝土（图11）。

图11 面层钢筋混凝土原理示意

3.6 锚索第1次张拉封锚施工

预应力张拉前做好技术交底工作，张拉机械操作人员经过培训合格后方能上岗。首先做好预应力筋和锚索、夹具的安装检验，张拉设备的校验，然后吊张拉设备定位安装，安装工作锚板、夹片，最后安装千斤顶、工具锚、夹片等。

预应力筋的张拉采用以应力控制为主，伸长量为辅的方法。临时性张拉一次张拉到设计值封锚，永久性张拉在张拉到设计值后观察其变形量，在变形稳定后封锚。轻轻松开油泵截止阀，使油压缓慢降至零，则完成了对钢绞线的锚固。油泵向回程油缸供油，活塞慢慢回程到底。张拉最终锁定后将锚具外多余的钢绞线用机械切断，并留长5～10 cm的外露锚索，以防滑落。

3.7 永久性阶段挡墙基础施工

成孔采用泥浆护壁施工工艺隔桩法施工。钢筋笼应整体制作，待吊装钢筋笼完成并验收合格后浇筑混凝土。

3.8 肋板式挡墙结构施工

柱、墙插筋的锚固及插筋和柱、墙上部纵筋的连接均应符合图集11G01相关要求。模板材料必须具有足够的刚度，模板加固应编制专项方案并严格按照方案要求施工，施工时要注意泄水孔与锚索套管不可遗漏，锚索套管坡度与锚索角度一致[3]（图12）。

图12 肋板式挡墙示意

3.9 土方回填及二次张拉封锚

在张拉下层锚索前先进行回填土，至下层锚索底部时，停止回填，及时张拉下层锚索并锁定，下层锚索张拉锁定完成后继续回填，当回填至上层锚索底部时停止回填，同时对上层锚索张拉并锁定，最后回填到位。

张拉最终锁定后将锚具外多余的钢绞线用机械切断，并留长10 cm的外露锚索，以防滑落[4]（图13、图14）。

图13 分阶段回填并张拉示意

图14 二次最终封锚示意

4 控制项目

1）锚索张拉完成后，进行自由段注浆，注浆材料同锚固段。自由段锚索外面套了塑料管，注浆浆液不能进入自由段钢绞线，可保证自由段锚索的自由伸缩。

2）孔道灌浆时水泥浆液从孔口溢出后停止注浆；注浆后浆液面下降时，应进行孔口补浆。

3）肋板式挡墙施工时要注意泄水孔与锚索套管不可遗漏，锚索套管坡度与锚索角度一致。

4）护坡与肋板式挡墙回填土必须与最终锚索张拉相配合，当回填至上层锚索底部时停止回填，同时对上层锚索张拉并锁定，最后回填到位。

5 结语

临时性支护及永久性挡墙从勘察、设计到施工，项目全过程参与，勘察收集市政数据、提出方案、方案选择、确定支护方案、材料采购、施工。施工前注意方案选择的合理性以及方案中重难点捕捉，最大程度把施工中碰到的重难点消化在设计中，本项目在施工前解决了锚钉和锚索与市政管网冲突的问题、钻孔孔壁坍孔、锚索张拉等难点问题[5]，同时根据项目场地实际情况，充分应用了永临结合的理念，节省了造价。施工过程严格准确区分临时性阶段与永久性阶段锚索张拉封锚工艺；临时性张拉一次张拉到设计值封锚；永久性张拉在张拉到设计值后观察其变形量，在变形稳定后封锚。各阶段张拉时采取旁站监督、检测措施，确保锚索张拉符合设计要求。