鹅卵石地层深基坑支护技术研究

摘要：以北京市某深基坑支护工程为例，对其所在区域的场地条件、周边环境及工程地质条件进行了具体的分析，提出土钉墙与桩锚相结合的复合支护方案，充分发挥两种支护形式相应的优势。针对卵石地层采用人工挖孔法成孔技术，有效解决机械成孔所带来的诸多不利因素，并制定合理的施工过程。支护效果表明，方案设计合理，边坡变形得到有效控制，水平位移最大值仅为12.1mm，各支护单元的受力性能发挥正常。同时，合理的施工过程使得支护工程先于预定工期11d完成，为整个项目的后续施工赢得了宝贵的时间，为类似工程提供一定的借鉴经验。

关键词：岩土工程 深基坑 支护体系 土钉墙 锚杆

1、引言

近年来，在城市建筑中高层乃至超高层建筑大量涌现，同时城市地下空间的开发也随之逐步向更深处发展，深基坑、超深特大型基坑层出不穷，因而，深基坑支护理论及技术正面临新的挑战[1]。其中土钉支护技术经过近20 年的应用，支护理论及设计方法都得到了长足的发展，尤其是近几年针对钉土相互作用机制、土钉复合支护结构以及土钉结构稳定性算法等进行了比较深入的研究[2-5]。本文结合北京市某深基坑工程支护方案设计，详细介绍了该工程的设计过程，并结合基坑布局提出了合理的施工方案，进行信息化施工，做到了过程控制，取得了很好的支护效果。

2、工程概述

2.1 工程概况

基坑位于北京市海淀区，西侧紧临中关村南大街，写字楼A座地上27 层，写字楼B座地上14 层，北侧公寓地上8.5层，框剪结构。地下均为4层，拟采用筏板基础，基坑挖深为19.95 m，基坑平面图见图1。

图1 基坑平面图(单位：mm)

2.2 工程地质及水文地质条件

本次勘察揭露55m深度范围内，岩性以卵石层夹砂土、黏性土为主，基坑开挖深度范围内的土层参数及其物理力学性质指标见表1。

表1 土层物理力学性质指标

土层名称 层厚/m 重度γ /(kN?m－3) 内摩擦角? /(°) 黏聚力c/kPa

杂填土 1.6 16.5 10.0 10

黏质粉土 4.3 19.7 26.8 38

砂质粉土 4.0 18.7 21.5 26

细砂 3.1 19.7 17.0 32

中砂 1.9 20.5 39.0 0

卵石 13.1 21.0 44.0 0

拟建场区的水文地质单元属永定河冲洪积扇中上部。据勘察，地面以下55m 深度范围内，地下水水位埋深27.4～27.8m。部分孔存在上层滞水，水位埋深5.8m。经对地下水的腐蚀性测试分析，地下水对混凝土结构无腐蚀性。

2.3 工程分析

(1)基坑四周的环境相对比较简单，其中西侧道路距离西坡上口线13m，北坡已有建筑物距离边坡上口线12.6m，距离南坡上口线5m为材料运输通道，坡顶无堆载；

(2)基坑开挖深度范围内的土层主要由黏质粉土、细砂、中砂及卵石组成，表层为杂填土，层厚1.6m，状态均为稍密～中密，地质条件较好，在支护中主要预防在砂层段发生流砂现象；

(3)地下水水位在基底标高以下，因而在开挖前无需降水，对于局部上层滞水可采取明沟排水及坡面引流的方法将其疏干；

(4)要进行总体布局，充分考虑基坑形状特点及其与周边的关系，制定合理的施工方案。

2.4 支护方案的选定

通常根据基坑周边环境的严峻程度，结合基坑开挖深度、工程地质和水文地质条件来确定支护方式。结合工程分析，本工程选择土钉墙与桩锚相结合的复合支护型式，基坑上部黏质粉土层深度范围采用土钉墙支护法，考虑土钉间排距布置的合理性，支护深度确定为6.7 m，放坡系数0.2，充分利用基坑四周的空间。而基坑6.7m深度以下部分，则采用“护坡桩+锚杆”的组合式改良支护法，该法在悬臂结构上加设一排或多排锚杆(索)，支护系统可简化为简支(外伸)梁或超静定(外伸)梁，挡土效果好，土体变形可得到有效限制。

3、支护方案设计

3.1 土钉墙支护设计

3.1.1 设计方法

按照相关规程所提供的土钉墙设计原理进行设计，并进行整体稳定性验算。

土钉设计内力计算：

1.25γ0Tjk≤Tuj (1)

其中，

Tjk =ζe qjkS xjSzj/ cosαj

Tuj = πdnjΣqsikli

式(1)中各参数含义见相关规程。土钉墙整体稳定性分析方法：圆弧滑动条分法，取安全系数Fs ≥1.5。

3.1.2 设计结果

土层参数采用表 1 提供的数据，根据规范法进行计算后，针对土钉的设计长度进行优化，最后得出：土钉钢筋采用二级螺纹钢筋，设计参数见表2，整体稳定性安全系数F s = 1.77。

表2 土钉设计参数

层序 锚孔直径

/mm 间距×排距

/(m×m) 倾角

/(°) 土钉直径

/mm 土钉长度

/m 设计拉力

/kN

1 100 1.6×0.9 10 16 3 5.8

2 100 1.6×1.4 15 20 9 54.2

3 100 1.6×1.3 15 20 9 66.9

4 100 1.6×1.3 15 20 9 42.6

5 100 1.6×1.3 15 16 6 31.8

坡面铺设φ6 mm@200 mm×200 mm钢筋网片，并设置1φ16 mm 横向压筋及1φ16 mm 竖向压筋，面层喷射C20 细石混凝土，喷层厚80mm，混凝土配合比为水泥:砂子:石屑 = 1:2:2。

3.2 桩锚支护设计

3.2.1 护坡桩成桩工艺选择

本工程－15 m 以下为卵石层，总层厚13.1m，基坑深度范围内层厚约3.7m，其中局部含有粒径较大的漂石。对于这种地层，机械成孔相当困难，参考类似地层桩孔施工的教训，若选用机械成孔势必造成施工人员严重窝工、施工效率低，甚至个别桩位无法成孔的后果。而人工挖孔法可控性强，在地层条件和周边环境允许的前提下，专业的作业队伍其工作效率是很高的，并可以有效解决场区内卵石层较厚、机械施工无法成孔的问题。因此，护坡桩采用人工挖孔灌注桩。