超前微型樁復(fù)合土釘墻在深基坑工程中的應(yīng)用

劉 巖，龐 博，王文博

(1．承德石油高等專科學(xué)校 建筑工程系，河北 承德 067000；2．河北華熱工程設(shè)計有限公司，河北 承德 067000)

近年來深基坑工程不斷出現(xiàn)，促使深基坑設(shè)計計算理論的提高和施工工藝的發(fā)展。合理的基坑支護形式和施工，對工程進度和保護周圍環(huán)境能發(fā)揮重要作用。土釘支護經(jīng)濟可靠、靈活、施工速度快、對環(huán)境影響小等優(yōu)點而廣泛使用，但在高水位、松散土層中，基坑自穩(wěn)能力差，無法滿足直立放坡要求、施工成本增加，土釘墻質(zhì)量下降，導(dǎo)致基坑穩(wěn)定可靠性降低。超前預(yù)支護微型樁復(fù)合土釘墻采用微型鋼管樁預(yù)支護，結(jié)合土釘墻以及預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合支護形式，對于自立性較差的松散土層或直立邊坡可起到超前支護作用，避免土釘施工過程中的邊坡局部失穩(wěn)，有效控制基坑變形，而對基坑深度較大或周邊環(huán)境對變形限制較為嚴(yán)格時，還可增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿，同時微型樁嵌入坑底土層一定深度，能有效提高基坑底部抗隆起、滲流穩(wěn)定性要求。該支護技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的一些基坑支護工程中，取得了較好的支護效果，也從中積累了豐富的工程實踐經(jīng)驗。中國社會科學(xué)院中心圖書館12 m深基坑工程、山東某時代廣場11.5 m深基坑工程、廣州某9 m深基坑工程等，基坑周邊的施工環(huán)境復(fù)雜，施工場地狹窄，場地地質(zhì)條件很復(fù)雜，采用超前微型樁復(fù)合土釘支護，成功地保證了基坑穩(wěn)定性和基坑變形，取得了滿意的效果。

1 微型樁復(fù)合土釘墻的性能特點

1.1 構(gòu)造組成

微型樁復(fù)合土釘墻由微型樁、土釘、噴射混凝土面層、排水系統(tǒng)組成，如圖1所示。微型樁指沿基坑側(cè)壁連續(xù)分布、用于控制基坑變形、提高基坑穩(wěn)定性的小截面尺寸豎向構(gòu)件，目前應(yīng)用較多的是鋼花管注漿及預(yù)制管樁。土釘指植入土中并注漿形成的細長桿件，承受拉力與剪力并對原位土體進行加固，常見的有鋼筋桿體與注漿固結(jié)體組成的鋼筋士釘、擊人土中的鋼管土釘，構(gòu)造如圖2所示。鋼筋網(wǎng)噴射混凝土面層由內(nèi)置鋼筋網(wǎng)、加強筋及噴射混凝土組成，起到保護基坑側(cè)壁防止水土流失作用。排水系統(tǒng)包括坑內(nèi)排水措施、邊坡泄水孔、基坑頂部防水截水措施。

1.2 應(yīng)用范圍

微型樁復(fù)合土釘墻支護屬于臨時基坑支護措施，適用于安全等級為二級或三級土層基坑，使用時間不應(yīng)超過1年，且不應(yīng)超過設(shè)計規(guī)定。適用于地下水位以上或降水后基坑、自立性較差土層或直立邊坡的基坑，非軟土基坑深度不宜大于12 m，淤泥質(zhì)土基坑深度不宜大于6 m。當(dāng)基坑潛在滑動面內(nèi)有建筑物、重要管線時不宜采用。

1.3 構(gòu)造要求

微型樁復(fù)合土釘墻的構(gòu)造如圖3所示，應(yīng)采用微型樁與土釘墻面層貼合的垂直墻面。土釘各向間距，根據(jù)基坑深度及土層強度宜控制在l ～2 m，傾角宜為5°～20°，土釘長度按承載力計算確定，但應(yīng)使各層土釘受力均勻。土釘成孔采用較多的是洛陽鏟或打入式鋼管，洛陽鏟成孔速度快、比較經(jīng)濟，一般土層宜優(yōu)先使用，打入式鋼管能有效克服松散土層塌孔、縮徑導(dǎo)致的土體擾動和沉陷，保護基坑周邊環(huán)境。打入式鋼管采用鋼花管，鋼管的外徑不宜小于48 mm，壁厚不宜小于3 mm，注漿孔應(yīng)設(shè)置在鋼管末端(1/2～2/3)管長范圍內(nèi)，每個注漿截面的注漿孔宜取2個，且應(yīng)對稱布置，注漿孔的孔徑宜取5～8 mm ，注漿孔外應(yīng)設(shè)置保護倒刺。

采用微型樁預(yù)支護時，宜在基坑上部設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋪桿。微型樁伸入基坑、底的長度宜大于樁徑的5倍、且不應(yīng)小于1 m，間距不宜大于1 m。微型樁可用無縫鋼管或焊管，管徑48～150 mm，應(yīng)采用水泥漿或水泥砂漿灌注密實。

面層噴射混凝土的強度等級不應(yīng)小于C20，3 d齡期的噴射混凝土強度不應(yīng)小于12 MPa。面層厚度不應(yīng)小于80 mm，面層內(nèi)應(yīng)設(shè)鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑宜為6～10 mm，間距宜為150～300 mm，當(dāng)面層厚度大于120 mm 時，宜設(shè)兩層鋼筋網(wǎng)，坡面外露的土釘頭之間應(yīng)設(shè)直徑14～20 mm 的加強筋予以連接。

1.4 工作性能

一般土釘墻與聯(lián)合支護土釘墻的受力變形有一定區(qū)別，如圖4所示，一般土釘墻墻頂水平位移隨著開挖深度逐步向坑內(nèi)發(fā)展，坑壁變形成傾斜直線，坑底以下(0.2～0.6H，H為基坑開挖深度)處位移為零。復(fù)合型土釘墻的位移表現(xiàn)為墻頂小、下中部大，墻體又向前凸起的趨勢，坑底以下相當(dāng)深度處仍有這種位移趨勢。微型樁復(fù)合土釘墻從受力性能上，可視為由微型樁、面層、土釘和加固范圍內(nèi)的原位土體四部分組成，故其破壞形式分為微型樁破壞、加固體體外整體破壞、加固體體內(nèi)破土釘破壞和面層破壞。

2 設(shè)計計算理論

微型鋼管樁屬于土釘墻支護中的超前支護，且屬于柔性支護體系，在設(shè)計計算中仍采用土釘墻的理論進行計算。計算取單位長度按平面應(yīng)變問題分析，采用簡化圓弧滑移面條分法進行基坑整體穩(wěn)定性驗算，如圖5所示。最危險滑裂面是指土體、土釘及各復(fù)合構(gòu)件提供的安全度之和為最小值的滑移面，通過試算搜索求得，驗算時應(yīng)考慮開挖過程中各工況，驗算公式宜采用分項系數(shù)極限狀態(tài)表達法[1]。根據(jù)工程統(tǒng)計結(jié)果，整體穩(wěn)定驗算考慮微滑移面以下超前微樁的抗力作用，通過設(shè)置組合作用折減系數(shù)，限制了這些復(fù)合構(gòu)件的作用程度。當(dāng)復(fù)合土釘墻底部存在軟弱黏性土?xí)r，還有可能出現(xiàn)坑底土體被坑周土體壓擠隆起，坑邊土體嚴(yán)重下沉的情況，應(yīng)按地基承載力模式進行坑底抗隆起穩(wěn)定性驗算，如圖6所示。

3 施工要點

微型樁復(fù)合土釘墻施工工藝及微型鋼管注漿樁施工工藝流程如圖7所示。

3.1 微型樁施工要點

微型樁樁徑較小間距較密，施工時嚴(yán)格按照定位線成孔要求樁位誤差<50 mm。為保證微型樁垂直度<0.5%，避免鉆孔向坑內(nèi)外傾斜、孔底交叉，要求鉆孔前進行場地整平、鉆機就位后調(diào)整水平與垂直度。邊投料邊振動鋼管，保證投料逐步下沉，為防管內(nèi)投料卡管，嚴(yán)禁快速傾倒，應(yīng)少量投入，確保管內(nèi)碎石的均勻。微型鋼管樁施工完成后在圍墻和樁之間實施壓密注漿，來解決早期由于施工不當(dāng)引起的位移裂縫，同時達到加固地基的目的。

3.2 復(fù)合土釘墻施工要點

復(fù)合土釘墻施工必須符合“超前支護，分層分段，逐層施作，限時封閉，嚴(yán)禁超挖”的要求[2]。超前支護是指在基坑開挖前進行微型樁施工，待其強度達到規(guī)定后方可開挖，預(yù)支護可以控制地下水和限制基坑側(cè)壁位移的作用，保證基坑穩(wěn)定。

基坑開挖所產(chǎn)生的地層位移受時空效應(yīng)的影響，開挖暴露的面積越大，位移也越大，為控制位移，施工應(yīng)按照設(shè)計工況分段、分層開挖，分層厚度應(yīng)與土釘豎向間距一致。下層土的開挖應(yīng)等到上層土釘注漿體強度達到設(shè)計強度的70%后方可進行，每層開挖后應(yīng)及時施作該層土釘并噴護面層，封閉臨空面，減少基坑無土釘?shù)谋┞稌r間。工程中因超挖而造成的基坑坍塌事故屢有發(fā)生，即使未造成基坑坍塌事故，基坑開挖期位移過大，也會使基坑使用期的安全度下降。因此，分層開挖時應(yīng)嚴(yán)格控制每層開挖深度，協(xié)調(diào)好挖土與土釘施工的進度，嚴(yán)禁多層一起開挖或一挖到底。

地面超載是施工中土方、材料、構(gòu)件、機具等臨時性堆料及大型運輸車輛。地面堆載擺放不合理極易導(dǎo)致基坑坍塌事故的發(fā)生，所以施工過程中應(yīng)嚴(yán)格平面布置圖選擇合適的安全距離堆放，不得隨意更改大型運輸車輛行車路線。

3.3 排水措施

水患是基坑工程的“大敵”。地下水、雨水、施工用水下滲、舊管道滲漏等，影響施工進度、延誤工期，另外長時間排水不暢，會使土體強度降低，導(dǎo)致基坑坍塌。因此應(yīng)做好場區(qū)的排水系統(tǒng)和地面硬化。

場區(qū)排水應(yīng)包含地表排水系統(tǒng)、坑內(nèi)排水系統(tǒng)、坡前引水系統(tǒng)。地表排水系統(tǒng)主要是沿基坑周邊設(shè)置坡頂擋水墻截水溝，避免雨水流入基坑，地面排水坡度不宜小于0.3%。坑內(nèi)排水系統(tǒng)由排水溝和集水井組成，坑內(nèi)排水溝將積水排入集水井，并通過水泵及時排除到坑外，排水溝宜離開坡腳一定距離，以免沖刷、浸泡坡腳，危及邊坡的穩(wěn)定性。坡前引水系統(tǒng)主要是在噴射混凝土層中架設(shè)導(dǎo)水管，將部分地下水引入坑內(nèi)集水井，并通過集井及時排除坑外。

3.4 變形監(jiān)測

為了及時掌握邊坡變形動態(tài)，保證邊坡安全穩(wěn)定和工程順利進行，要對邊坡進行變形監(jiān)測，以便于及時發(fā)現(xiàn)問題，起到預(yù)控目的。監(jiān)測對象根據(jù)基坑安全等級主要有：地下水位、鄰近建筑物和道路的水平位移、支護結(jié)構(gòu)水平位移及坡頂沉降等內(nèi)容。

支護施工階段，每天監(jiān)測1次，在完成坑開挖，變形趨于穩(wěn)定的情況下，可適當(dāng)減少監(jiān)測次數(shù)，直到支護退出工作為止。各觀測點和基準(zhǔn)點要嚴(yán)格保護并做明顯標(biāo)記。觀測嚴(yán)格按時間進行，不許漏測，開挖接近槽底時，觀測人員不得離開現(xiàn)場。加強對周邊建筑物的沉降觀測。邊坡支護進行之前，做好基準(zhǔn)點，在相臨建筑物上按標(biāo)準(zhǔn)留置足夠數(shù)量的觀測點。

根據(jù)地層條件、基坑安全等級確定復(fù)合土釘墻變形控制指標(biāo)的建議值，復(fù)合土釘墻側(cè)向位移范圍一般在0.1%H～1.5%H，軟土中多數(shù)在0.3%H～1.5%H之間，一般土層中多數(shù)在0.1%H～0.7%H之間。

3.5 基坑開挖預(yù)警措施

在施工開挖過程中，基坑頂部的側(cè)向位移與當(dāng)時的開挖深度之比，砂性土為主土層超過3‰、黏性土為主土層超過5‰時，應(yīng)密切加強觀察并及時對支護采取加固措施。當(dāng)發(fā)現(xiàn)基坑頂位移超標(biāo)，地面裂縫較大時，土釘墻部分應(yīng)采用加密土釘或打預(yù)應(yīng)力錨桿的方法解決，樁錨支護部分采用補打錨桿的方法補救，嚴(yán)防事態(tài)擴大。

4 結(jié)語

在基坑施工過程中，微型樁復(fù)合土釘墻有效控制坡頂變形，無局部塌陷發(fā)生，確保邊坡安全穩(wěn)定，與護坡樁方案相比，節(jié)約造價、施工速度快，此在深基坑支護應(yīng)用方面會有很大的發(fā)展空間。同時，由于計算分析理論、工作性狀認(rèn)識尚不完善，使得微型樁復(fù)合土釘墻的使用受到一定程度的限制，這就要求在設(shè)計施工過程中多結(jié)合經(jīng)驗、構(gòu)造要求，尤其加強基坑變形監(jiān)測。

參考文獻：

[1] GB50739—2011，復(fù)合土釘墻基坑支護技術(shù)規(guī)范[S].

[2] GB50086—2015，巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范[S].