緊鄰道路基坑土釘墻支護(hù)方案及施工過(guò)程地層變形分析

林禮健，陳志忠，張禮朝

（1.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州350003;2.福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，福建 福州350003）

緊鄰道路基坑土釘墻支護(hù)方案及施工過(guò)程地層變形分析

林禮健1，陳志忠1，張禮朝2

（1.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州350003;2.福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，福建 福州350003）

福州市某電力纜化工程位于二環(huán)路金雞山隧道口的車(chē)道隔離綠化帶上，基坑開(kāi)挖的紅線緊臨市政干道，交通與基坑開(kāi)挖過(guò)程的相互影響較大，變形要求較為嚴(yán)格。在介紹該基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，以二維有限元軟件為工具，分析基坑施工過(guò)程中周邊地層的變形規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，雖然坑頂最大的位移量達(dá)到了65.0mm，超過(guò)了30mm的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，但距離坑頂2.4m以外的道路路基沉降量則為29.0mm，小于30.0mm的沉降控制目標(biāo)，可認(rèn)為基坑開(kāi)挖引起的地層變形不影響道路安全，基坑實(shí)際施工過(guò)程監(jiān)測(cè)得到的沉降數(shù)據(jù)也與分析結(jié)果相吻合。數(shù)值分析結(jié)果指導(dǎo)了該基坑工程的設(shè)計(jì)和施工，同時(shí)也可為類(lèi)似工程建設(shè)提供參考。

土釘墻支護(hù)；有限元分析；地層變形；方案設(shè)計(jì)；施工監(jiān)測(cè)

0　引　言

土釘墻技術(shù)具有施工速度快、需要場(chǎng)地小、設(shè)備簡(jiǎn)單、材料用量少、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于地下水位以上的基坑或邊坡加固工程中，但由于土釘墻屬于輕型支護(hù)結(jié)構(gòu)，土釘及面層的剛度小，支護(hù)體系變形較大，不適用于對(duì)變形要求非常嚴(yán)格的場(chǎng)地[2]。根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求：當(dāng)基坑潛在滑動(dòng)面內(nèi)存在建筑物或重要地下管線時(shí)，不宜采用土釘墻進(jìn)行支護(hù)[3]；當(dāng)基坑周邊環(huán)境對(duì)于變形控制要求較為嚴(yán)格時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)采用類(lèi)比法合理確定土釘墻或復(fù)合土釘墻的支護(hù)技術(shù)的適用性，并結(jié)合數(shù)值法進(jìn)行變形分析預(yù)測(cè)[4]。

國(guó)內(nèi)的眾多學(xué)者也開(kāi)展了土釘墻支護(hù)基坑開(kāi)挖過(guò)程中的周邊地層變形計(jì)算的研究：魏煥衛(wèi)[5]推導(dǎo)出釘土相對(duì)位移、土釘墻坡面?zhèn)认蜃冃魏捅粍?dòng)區(qū)土體內(nèi)沿土釘軸線任意一點(diǎn)土體位移的實(shí)用公式；姜曉光[6]提出了一個(gè)基于工程經(jīng)驗(yàn)和彈性變形理論的水平位移計(jì)算公式，并對(duì)參數(shù)取值給出了建議；劉斌[7]以深圳和廣州地區(qū)的10個(gè)工程實(shí)例數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)土釘墻及復(fù)合土釘墻側(cè)移計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)。這些方法主要是基于基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)側(cè)墻土體均質(zhì)的假定，無(wú)法考慮實(shí)際土體分層的影響。采用有限元軟件能夠較好地模擬不同地層地質(zhì)條件、不同開(kāi)挖狀態(tài)對(duì)土體變形的影響：葉俊能[8]采用ABAQUS有限元軟件建立了土釘-面層-土體的相互作用模型，通過(guò)模擬分析得到了土體深層水平位移、面層位移、面層土壓力和土釘軸力的分布形式和基本規(guī)律；高盟[9]考慮了土釘-土釘墻的相互作用，建立三維有限元模型，分析計(jì)算土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移，提出了變形控制和盈利控制相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。這些數(shù)值模擬分析的方法和結(jié)論為工程技術(shù)人員提供了一定的參考，但對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用，還需開(kāi)展針對(duì)性的分析與研究。

福州市某電力纜化工程的隧道及基礎(chǔ)承臺(tái)基坑位于二環(huán)路金雞山隧道口的綠化帶上，基坑開(kāi)挖的紅線緊臨市政干道，坑頂距離道路主車(chē)道的最小距離僅為2.4m，交通與基坑開(kāi)挖過(guò)程的相互影響較大，變形要求較為嚴(yán)格。文章在介紹基坑開(kāi)挖處的地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，以二維有限元軟件為工具，分析基坑施工過(guò)程中周邊地層的變形規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，雖然坑頂最大的位移量達(dá)到了65.0mm，超過(guò)了30mm的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，但距離坑頂2.4m以外的道路路基沉降量則為29.0mm，小于30.0mm的沉降控制目標(biāo)，可認(rèn)為基坑開(kāi)挖引起的地層變形不影響道路安全，基坑實(shí)際施工過(guò)程監(jiān)測(cè)得到的沉降數(shù)據(jù)也與分析結(jié)果相吻合。數(shù)值分析結(jié)果指導(dǎo)了該基坑工程的設(shè)計(jì)和施工，同時(shí)也可為類(lèi)似工程建設(shè)提供參考。

1　工程概況

1.1基坑概況

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告及電氣的總平面圖，基坑開(kāi)挖面積約300m2，四周周長(zhǎng)約78m，墊層厚度150mm，工程整體的基坑開(kāi)挖深度見(jiàn)表1。

表1　基坑開(kāi)挖深度表

圖2　擬建場(chǎng)地周邊環(huán)境條件

根據(jù)基坑開(kāi)挖深度及福建省的《福建省建筑邊坡與深基坑工程管理規(guī)定》（閩建建[2010]41號(hào)）第三章的規(guī)定，基坑工程安全等級(jí)為二級(jí)[2]。

1.2周邊環(huán)境

基坑周邊環(huán)境較為復(fù)雜，周邊主要為二環(huán)路的道路、隧道及回轉(zhuǎn)車(chē)道，基坑外邊線距道路紅線距離較近，圍護(hù)空間相對(duì)有限，具體如下：

東側(cè)：為北環(huán)東路金雞山隧道口的洞門(mén)墻及洞門(mén)墻前的應(yīng)急車(chē)道，基坑開(kāi)挖邊界距應(yīng)急車(chē)道約0.4m，離洞門(mén)墻約30.5m。

南側(cè)：為北環(huán)東路的南側(cè)車(chē)道，車(chē)道寬約18m，4車(chē)道同向行駛，基坑頂邊界線距道路紅線為2.5m，南側(cè)8.15m有1條500×360的電信通道。

西側(cè)：基坑西側(cè)為北環(huán)東路金雞山隧道口的調(diào)轉(zhuǎn)車(chē)道，車(chē)道邊界與基坑開(kāi)挖頂邊界線之間的距離僅為0.2m。

北側(cè)：基坑坑頂距離道路用地紅線3.38m，距基坑頂邊界外10.5m處有一根DN800的雨水管。與南側(cè)的機(jī)動(dòng)車(chē)道一樣，北側(cè)的機(jī)動(dòng)車(chē)道寬18.0m，4車(chē)道同向行駛。

兩根DN300的雨水管從基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)穿過(guò)，施工期間需進(jìn)行遷改。

基坑工程的平面布置圖如圖1所示，擬建場(chǎng)地周邊實(shí)際環(huán)境如圖2所示。圖2的視角與平面圖相反，即由西向東看。表2為基坑周邊市政管線一覽表。

圖1　基坑平面布置圖

表2　基坑周邊市政管線一覽表

根據(jù)該工程周邊環(huán)境及福建省《福建省建筑邊坡與深基坑工程管理規(guī)定》（閩建建[2010]41號(hào)），本工程基坑環(huán)境保護(hù)等級(jí)為二級(jí)。

1.3工程地質(zhì)條件

該工程主要的場(chǎng)地條件為丘陵山地區(qū)上覆薄層殘積砂質(zhì)黏性土，下伏花崗巖，巖土層分布自上而下描述如下[10]：

①雜填土：人工堆積，松散～稍密，稍濕～濕，主要由碎石、磚、砂及黏性土等組成，大部分為路基回填，年限大于10a。

④粉質(zhì)黏土：沖洪積，灰黃色，可塑～硬朔，稍濕～濕，主要由黏性土、礫砂組成，成分不均，局部砂礫含量較大，呈砂質(zhì)黏土或泥質(zhì)砂礫。

⑩砂質(zhì)黏性土：為花崗巖風(fēng)化殘積土，灰黃色，棕黃色，可～硬塑、濕～稍濕，原巖結(jié)構(gòu)可見(jiàn)，主要成分為石英、長(zhǎng)石等，長(zhǎng)石已風(fēng)化呈土狀，干強(qiáng)度中等，韌性低，無(wú)搖振反應(yīng)，浸水易軟化。

?全風(fēng)化花崗巖：灰黃色，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，散體狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)基本破壞，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石等，風(fēng)化劇烈，長(zhǎng)石大部分已風(fēng)化蝕變，巖芯呈砂土狀，浸水易軟化崩解，巖體極破碎，屬極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。

基坑影響深度范圍內(nèi)土層的主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3，地質(zhì)剖面見(jiàn)圖3。

表3　基坑的工程地質(zhì)條件

圖3　基坑的代表性地質(zhì)剖面

2　土釘墻支護(hù)方案設(shè)計(jì)

基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)包括基坑整體的圍護(hù)方案設(shè)計(jì)和基坑單元設(shè)計(jì)。由于基坑周邊建筑距離基坑較近，采用土釘墻在基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)，且對(duì)變形較為敏感，故采用有限元方法對(duì)基坑開(kāi)挖引起周邊地層變形的大小和規(guī)律進(jìn)行分析[3，4]。

2.1圍護(hù)方案分析

根據(jù)福建地區(qū)大量的基坑工程經(jīng)驗(yàn)，圍護(hù)方案分析及確定需充分考慮以下幾點(diǎn)：

（1）圍護(hù)方案應(yīng)充分考慮到周邊環(huán)境的要求，重點(diǎn)是周邊居民房，確保基坑施工過(guò)程中對(duì)其影響在允許的變形范圍內(nèi)；

（2）圍護(hù)方案應(yīng)滿(mǎn)足基坑圍護(hù)體自身的安全性及穩(wěn)定性要求，防止失穩(wěn)、坍蹋、傾覆等隱患的發(fā)生；

（3）在安全的前提下，應(yīng)盡量選擇經(jīng)濟(jì)合理的圍護(hù)方案，有效控制基坑作為臨時(shí)工程的資源成本的投入；

（4）圍護(hù)方案應(yīng)充分考慮到施工的可行性及方便性，施工的方便可以便于施工的管理及控制，并可節(jié)省工期，減少基坑的暴露時(shí)間進(jìn)而減小對(duì)周邊環(huán)境的影響。

該工程基坑開(kāi)挖深度為5.5m，基坑周邊環(huán)境較為復(fù)雜，場(chǎng)地地層地質(zhì)條件較好，除了表層1.2m深度范圍內(nèi)的回填土外，基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)主要是粉質(zhì)黏土，且地下水位較低，根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，可采用土釘墻支護(hù)。

2.2土釘墻支護(hù)單元設(shè)計(jì)

基坑支護(hù)計(jì)算時(shí)選取了最具代表性的4個(gè)斷面分別進(jìn)行計(jì)算。該工程中，控制最為嚴(yán)格的應(yīng)該是南北側(cè)緊臨北環(huán)東路行車(chē)道的4-4剖面。

基坑挖深5.50m，土釘墻的面層坡率為1∶0.25，土釘?shù)臈U體材料為HRB400的20鋼筋，土釘排距、列距均為1200mm，入射角度均為15°，桿體長(zhǎng)度分別為5.0m、5.0m、6.0m和6.0m（自下往上），鉆孔直徑100mm。

土釘墻的面層采用100mm厚的C20噴射層護(hù)面，噴射層內(nèi)掛HPB300的8鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)的間距為150mm×150mm。

由于施工周期較長(zhǎng)，不僅包含鐵塔基礎(chǔ)承臺(tái)的澆筑，還需要現(xiàn)澆電纜終端區(qū)域隧道，考慮到施工期間為雨季，故還設(shè)置了專(zhuān)門(mén)的排水系統(tǒng)：坡頂采用400mm×400mm的截水溝，將四周的水匯至地勢(shì)最低的基坑西側(cè)，而后采用水泵將集水排至市政管網(wǎng)工程中；在基坑底部的四周，設(shè)置了同樣規(guī)模的積水溝，將坑內(nèi)的積水匯至基坑內(nèi)的西側(cè)，采用水泵泵送至市政管網(wǎng)工程中。

土釘墻基坑支護(hù)單元斷面如圖4所示，土釘及其與面層連接的大樣見(jiàn)圖5，采用理正深基坑設(shè)計(jì)軟件計(jì)算的各個(gè)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖4　基坑單元計(jì)算

圖5　土釘及其與面層連接大樣

表4　土釘墻支護(hù)主要計(jì)算結(jié)果

3　基坑開(kāi)挖引起的地層變形研究

由于現(xiàn)有的基坑設(shè)計(jì)軟件只能計(jì)算土釘本身的內(nèi)力，同時(shí)對(duì)整體穩(wěn)定、抗隆起、抗傾覆采用單項(xiàng)驗(yàn)算的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于基坑開(kāi)挖引起周邊地層變形的計(jì)算則只能采用地層損失率的經(jīng)驗(yàn)評(píng)估方法，要針對(duì)每個(gè)工程的具體情況進(jìn)行周邊環(huán)境影響分析，就需要采用有限元等數(shù)值模擬分析工具[11]。

3.1有限元模型建立

以Plaxis有限元軟件建立基坑開(kāi)挖過(guò)程分析的有限元模型，模型邊界取為30m寬×20m高。根據(jù)地質(zhì)勘查的結(jié)果，土體自上而下按實(shí)際分層取值，水平向假設(shè)各向同性，土體單元采用摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，并采用高精度的15節(jié)點(diǎn)三角形單元模擬、板樁以梁?jiǎn)卧M、內(nèi)支撐以支撐單元模擬，有限元模型建立的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3，有限元模型見(jiàn)圖6。

圖6　有限元模型

基坑開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程可分為5個(gè)施工步驟：

（1）開(kāi)挖至第1道土釘墻下方，激活第1道土釘，同時(shí)激活開(kāi)挖范圍內(nèi)的混凝土噴射面層；

（2）開(kāi)挖至第2道土釘墻下方，激活第2道土釘，同時(shí)激活開(kāi)挖范圍內(nèi)的混凝土噴射面層；

（3）開(kāi)挖至第3道土釘墻下方，激活第3道土釘，同時(shí)激活開(kāi)挖范圍內(nèi)的混凝土噴射面層；

（4）開(kāi)挖至第4道土釘墻下方，激活第4道土釘，同時(shí)激活開(kāi)挖范圍內(nèi)的混凝土噴射面層；

（5）開(kāi)挖至基坑底部，同時(shí)激活開(kāi)挖范圍內(nèi)的噴射混凝土面層。

3.2開(kāi)挖工程變形分析

根據(jù)3.1節(jié)的基坑施工過(guò)程分析，按5個(gè)施工步驟模擬開(kāi)挖過(guò)程，并最終得到土釘及噴射面層的內(nèi)力及周邊地層的位移云圖。開(kāi)挖產(chǎn)生的基坑周邊地層變形位移如圖7所示。從基坑變形的位移增量云圖中可以看出，由于基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的周邊土體變形，主要還是集中于基坑內(nèi)側(cè)的卸荷開(kāi)挖區(qū)，最大的坑底變形量（回彈變形）達(dá)到了278.8mm。

圖7　基坑開(kāi)挖周邊地層變形位移云圖

在基坑開(kāi)挖的外側(cè)，即兩側(cè)道路的地基土范圍內(nèi)，產(chǎn)生了一定的土體變形，變形方向主要是沿著水平的方向朝著基坑內(nèi)側(cè)。產(chǎn)生變形的主要原因有兩個(gè)：（1）由于土釘及其面層的剛度不夠引起的土層朝著基坑內(nèi)側(cè)位移而產(chǎn)生的墻后土體變形；（2）坑底回彈引起的墻后土體下沉變形。這兩部分變形的矢量之和即為土體最終的變形量。

根據(jù)數(shù)值模擬分析，基坑坑底最內(nèi)側(cè)點(diǎn)的最大變形增量為65.0mm，大于道路路基的基本變形要求，但在距離坑頂1.2m之外的路面變形量（坑頂噴射護(hù)面層最外側(cè)）迅速減小為40.0mm，而2.4m之外的地表變形量為29.0mm，小于地面允許值的30mm的要求。

3.3監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)值分析

根據(jù)土釘墻的施工過(guò)程周邊地層變形的特性，在基坑的四周分別布置了18處坑頂變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)、24處坑地表沉降點(diǎn)、5處深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)和10處臨近管線監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中的周邊地層和環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

該基坑目前已經(jīng)順利開(kāi)挖至底部，并進(jìn)行樁基礎(chǔ)承臺(tái)的鋼筋綁扎（見(jiàn)圖8）。根據(jù)施工過(guò)程監(jiān)測(cè)，基坑邊坡坡頂?shù)淖畲笞冃沃禐?1.6mm；2.4m外地面的最大變形值為22.5mm，未超過(guò)監(jiān)測(cè)警報(bào)值，且與設(shè)計(jì)方案的計(jì)算結(jié)果較為接近，證明數(shù)值分析結(jié)果的可靠性。在類(lèi)似工程建設(shè)中，該工程的設(shè)計(jì)方案和數(shù)值分析過(guò)程可作為參考。

圖8　基坑開(kāi)挖至底部

4　結(jié)　語(yǔ)

由于現(xiàn)有的土釘墻設(shè)計(jì)軟件無(wú)法計(jì)算周邊地層的變形，采用有限元等軟件對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程引起的卸荷效應(yīng)進(jìn)行模擬分析，是預(yù)估基坑開(kāi)挖過(guò)程產(chǎn)生地層變形量的有效手段，同時(shí)也可評(píng)估方案的可行性和安全性，為整體方案的制定提供依據(jù)。但工程實(shí)施過(guò)程仍應(yīng)堅(jiān)持動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的基本原則，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋，指導(dǎo)施工，為建設(shè)工程提供安全保障。

[1]付文光,楊志銀.土釘墻技術(shù)的新進(jìn)展及前景展望 [J].巖土工程學(xué)報(bào),2010,32(7):17-21.

[2]劉國(guó)彬,王衛(wèi)東.基坑工程手冊(cè)（第二版）[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[3]JGJ120-2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[4]GB50739-2011，符合土釘墻基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

[5]魏煥衛(wèi),楊敏,孫劍平,等.土釘墻變形的實(shí)用計(jì)算方法 [J].土木工程學(xué)報(bào),2009,42(1):81-90.

[6]姜曉光,楊志銀,劉斌.土釘墻支護(hù)水平位移計(jì)算的簡(jiǎn)便方法[J].土木工程學(xué)報(bào),2010,43(8):121-124.

[7]劉斌,楊敏,楊志銀,等.土釘墻及復(fù)合土釘墻側(cè)移經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法的改進(jìn)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2012,34(supp):45-48.

[8]葉俊能,王立峰.土釘墻性狀開(kāi)挖的有限元分析[J].巖土力學(xué), 2009,30(supp):528-531.

[9]高盟,高廣運(yùn),張遠(yuǎn)芳.土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有限元分析[J].巖土力學(xué),2007,28(11):2461-2464.

[10]林岳勇,黃文義,陳東乾.福州～鳳坂220kV線路開(kāi)斷進(jìn)公園變搶修工程地質(zhì)勘查報(bào)告[R].福州：福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院, 2016.

[11]劉志祥,張海清.土木工程數(shù)值分析與工程軟件應(yīng)用系列教程:PLAXIS高級(jí)應(yīng)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2015.

[12]GB50497-2009，建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].

TU4

B

1009-7716（2016）11-0091-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.11.026

2016-09-16

林禮健(1971-)，男，福建福州人，高級(jí)工程師，主要從事輸電線路運(yùn)行檢修工作。