土钉支护在郑州金成紫荆大厦基坑工程中的应用

冯志先，梁姝颖，齐 艳

（天津市水利勘测设计院，天津 300204）

0 引言

现代土钉支护技术是20 世纪70 年代在新奥法的基础上发展起来的一种支护技术。 土钉支护是由被加固土体、放置在其中的土钉体和喷射混凝土面层共同组成的一种挡土结构。 其特点是沿通长与周围土体接触，以群体起作用，与周围土体形成一个组合体，在土体发生变形的条件下，通过与土体接触界面上的黏结力或摩擦力，使土钉被动受拉，并主要通过受拉工作给土体以约束加固或使其稳定。 在基坑开挖中，土钉支护已成为桩、墙、撑、锚支护之后又一项较为成熟的支护技术[1]。

1 工程概况

拟建的金成紫荆大厦位于郑州市紫荆山路与商城路交叉口西南角，场区概况如图1 所示。该工程为高层商住楼，地上24 层，地下2 层，高度86.4 m，总建筑面积约10 万m2，基坑开挖深度为9 m。 底层平面尺寸呈圆形，直径72 m，框剪结构，采用CFG 复合地基。 基坑分两次开挖，第一次深度为6 m，是为方便CFG 桩施工而开挖的。 第二次深度达到9 m，即基底设计标高。

1.1 工程特点

图1 郑州金城紫荆大厦施工现场平面图Fig.1 Construction spot planar graph of Jinchengzijing building of Zhengzhou

该基坑支护工程主要有以下4 个特点：（1）基坑深、难度大。垂直开挖深度为9m，是郑州市同类工程中开挖最深的工程之一。（2）环境条件复杂。工程区南侧法院东街对面是明潭加油站，设备荷载大，东侧紧邻紫荆大道，北侧5m 为商城路，沿路埋设了上下水和电缆等管线，西临商城路住宅小区。周围环境对基坑变形较为敏感，不允许有较大变形，因此控制基坑变形是支护的关键。（3）第一次和第二次开挖间隔为6 个月，基坑长时间暴露，必然会带来各种不利影响。 第二次开挖深度在地下水位以下，需要降水，又正逢汛期，降雨可形成较大的地表径流。 另外，排污管道渗漏水也可通过结构松散、透水性好的杂填土、粉土、粉细沙渗入基坑。因此，降水防渗，防止坡角和土钉施工中涌水、涌沙现象，也是保证支护结构稳定的重点。 （4）基坑平面为圆形，在每步土钉支护结构施工完成之后，形成一个非闭合的挡土拱圈。而产生拱圈效应有利于边坡的稳定， 其性能较常规土钉支护结构将有所提高。

1.2 工程地质条件

根据钻探揭露、原位测试及土工试验资料，基坑及其影响范围内的地层特性如下：第一层为素填土，灰褐色至黑色， 结构松散， 浅部多为砖碴等建筑垃圾，平均层厚3.8 m。 第二层为粉土，褐黄色，局部灰黄色，湿，稍密～中密，层厚0.5～3.5 m。第三层以粉土为主，部分地段为粉细沙，黄褐色，湿，中密～密实，层厚0.8～5.7 m。 第四层为粉沙，灰褐黄色，饱和，中密～密实，局部松散，层厚1.6～6.6 m。第五层为粉土，褐黄色，灰黄褐色，湿，中密～密实，含少量钙质结构，层厚1.0～3.3 m。第六层为粉细沙，褐黄色，饱和，密实，含钙质结构，层厚2.5～7.3 m。

1.3 水文地质条件

场地勘察期间，地下水位埋深为6.9～7.2 m，属第四系松散层孔隙潜水，主要受大气降水及径流补给影响。

2 土钉支护结构稳定性分析和计算

在一般情况下，土钉支护结构稳定性评价以安全系数为准则。 对临时性结构，设计安全系数一般大于或等于1.3；对于永久性工程结构，一般大于1.5。

2.1 滑裂面选取

目前，常用的滑动面有楔体滑动面、圆弧滑动面、对数螺旋曲线滑动面3 种。 在土钉支护结构稳定性评价及设计中，工程界大多采用圆弧滑动法。 本工程采用瑞典条分法计算边坡最危险滑裂面，对每个土条进行极限平衡分析，得出边坡丧失稳定性安全系数最小的危险滑裂面。 计算公式为

式中：Fs为稳定安全系数；ci为第i 条土滑动面上的凝聚力；Li为第i 条土条弧长；qi为第i 条土顶面作用的荷载；Wi为第i 条土自重力；αi为第i 条土弧线中点切线与水平线夹角；φi为第i 条土条滑动面上的内摩擦角；bi为第i 条土条的宽度。

采用工程软件、选取不同的圆心坐标进行试算，当圆心横坐标X1＝-17.647、纵坐标Y1＝12.089、半径R＝20.761，圆弧与坡面(或坡底)交点横坐标X2＝0.000、纵坐标Y2＝1.152，圆弧与坡顶交点横坐标X3＝2.514、纵坐标Y3＝9.000 时，得到天然土坡的最小安全系数Fs＝0.404。 此圆弧即为最危险滑裂面。

2.2 内部稳定性分析

滑裂面可能出现在支护内部，可以穿过全部或部分土钉，底部通常与坡角相交。 按上面所确定的圆弧滑裂面，采用条分法进行稳定性分析。 分析时，可取单位长度，按式（2）进行计算。

式中：Wi、Qi为作用于土条i 的自重和地表荷载；αi为土条i 圆弧破坏面切线与水平面的夹角；Δi为土条i 的宽度；φi、ci为土条i 圆弧破坏面所处第j层土的内摩擦角和凝聚力；TRK为破坏面上第k 排土钉的最大抗力；βk为破坏面上第k 排土钉轴线与该处破坏面切线之间的夹角，所处土层为第j 层；Sh为土钉的水平间距。

分析计算时，地面荷载取值考虑了堆载和动荷载的影响。 地层力学参数在原勘察报告的基础上根据实际经验进行了折减。 按（2）式进行了稳定性分析，得Fs＝1.631，符合安全要求。

2.3 外部稳定性分析

根据重力式挡墙的方法计算简化挡土墙的抗滑稳定性、抗倾覆稳定性和墙底部土的承载能力。 抗滑安全系数KH＝4.230， 抗倾覆安全系数KQ＝3.510，支护外部稳定性满足要求。

2.4 计算结果

1）土钉设计参数详见土钉支护剖面图(见图2)。钻孔直径为15cm，水泥砂浆强度等级为M20，水灰比≤0.5，根据工况可适量掺加外加剂。

图2 土钉支护剖面图Fig.2 Soil nail supporting section

2）支护面层为厚70～80 mm 的网喷混凝土，混凝土强度等级为C20，采用φ6@230×230 钢筋网片，加强筋采用φ18，沿土钉端部布置。

3）防水系统:（1）在支护面层背部设置水平间距为2 m、 长度为50 cm 的水平塑料排水管， 管壁带孔，内填滤水材料，将其插入边壁土体。 （2）基坑地表水的防渗。 可在基坑周边近边坡处地表作1.0 m泛水层，与土钉面网参数相同。 （3）为排除积聚在基坑内的渗水，在坑底设置排水沟及集水坑，离边壁0.5～1.0 m。

3 支护施工信息化监测管理

信息化施工技术是运用系统工程于施工之中的一种现代化施工管理方法，包括信息采集→信息分析处理→信息反馈→控制与决策 （调整设计、施工方案及采取相应措施）[3]。 它是基坑支护施工的一个特点，也是确保基坑开挖安全的措施。 监测是信息化施工的重要一环。

3.1 现场监测

本基坑开挖较深，为保证支护结构的安全可靠，将其对相邻建筑物的影响限制在允许的范围内，进行了现场监测。 监测内容包括：（1） 布置水位观测井。 （2）对邻近建筑物进行沉降观察。 （3）进行水平位移监测。（4）设定警戒值。支护结构水平位移达到开挖深度的0.3%时，该变形值视为警戒值。

3.2 监测结果分析与控制

通过对整个基坑工程系统的动态监测，获得了详尽的基坑坡顶水平位移、地下水位、邻近建筑物沉降变形及地质条件的变化等资料，及时调整了施工工艺。 例如：根据土建施工需要，对塔吊部位进一步加固；监测土层变化，对易坍塌的无黏结力沙土，采取边壁修整后先喷一薄层混凝土、然后设置土钉的方法，缩短了边壁土体的裸露时间，防止了土体的坍塌；施工中考虑到紫荆山路安全和超载对基坑安全的负面影响，在东侧部分地段采取了加设地锚措施等。

4 圆形支护结构的性能分析

本基坑土钉支护完成后，形成一个非闭合巨厚圆拱（局部放坡作运土通道）。 水平圆拱的作用使土钉支护结构性能有了许多新的特点。

4.1 支护完成后形成的巨厚圆拱特点

（1）圆形基坑的对称性和支护结构上荷载的对称性，可使巨厚圆拱四周土压力大部分达到自身平衡。

（2）土钉支护加固范围内的土体，形成圆形巨厚类重力式挡墙，类似于弹性力学中的圆筒受均布荷载。 作用于挡墙上的主动土压力为均布荷载，它随深度和土层性质而变化。

（3）土钉支护分步施工，每开挖步骤完成后，形成拱圈，承受该道拱圈高度内的土压力，拱圈之间不相互影响。

4.2 支护结构性能

（1）巨厚圆形挡土墙利用土体自身的起拱作用，有效地减小了作用于支护结构上的土压力。 圆形支护土压力分布如图3 所示。

图3 圆形支护土压力分布Fig.3 Round supporting soil stress distribution

（2）土钉支护形成的圆拱，增强了支护结构的稳定性，减少了开挖对周围环境的影响。

这个巨厚型圆拱的受力特点和支护性能，也区别于闭合挡土拱圈。 闭合挡土拱圈最常用的是椭圆形或抛物线组合拱圈，拱圈厚度一般不大，是以受压为主的结构，可将土压力对圆弧面结构产生的压应力转化为轴应力，且大部分可以自身平衡。 它对混凝土构件抗压强度有较高要求[2]。

5 结语

深基坑工程是一项高技术含量、高风险性工程，其成败关系到整个工程能否顺利进行、周边环境能否正常使用和人民生命财产的安全。 紫荆大厦基坑开挖及支护工程，经过精心设计、信息管理、科学施工，顺利地完成了施工任务。 回顾过去的施工经历，有以下体会：

（1）本工程确定支护方案时，根据基坑深度、周边环境及地质情况，按照安全经济、节省工期的原则，进行了多种方案的比较，发现不同的支护造价和工期差别很大。 而土钉支护方案比其他支护形式节省造价1/3 左右， 土方工程和基坑支护可同时施工，从而缩短工期。

（2）第一次开挖和桩基施工期间，土钉支护承受了超载、动载、振动等诸多不利因素的影响，支护性能稳定，基坑坡面最大水平位移不到8 mm。 第二次支护结束后，最大水平位移为12 mm，经过7、8 月大雨的考验，支护结构、周围的建筑物和街道均无异常。

（3）信息化施工是深基坑施工的重要手段和必要措施。

（4）选择支护方案时，在基坑四周允许起拱的条件下，可以采用闭合或近闭合的拱圈来支挡土压力，充分发挥圆形、椭圆形、抛物线和拱形的力学性能[2]。

（5）在郑州地区采用土钉支护的基坑中，本工程的开挖深度最大。 它的成功，丰富了郑州地区深基坑围护结构设计和施工的方法，对深基坑土钉支护设计与施工有较高的参考价值，必将产生良好的社会效益和经济效益。

[1] 陈肇元， 崔京浩. 土钉支护技术在基坑工程中的应用[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.

[2] 赵锡宏，陈志明，胡中雄，等. 高层建筑深基坑围护工程实践与分析[M]. 上海：同济大学出版社，1996.

[3] 秦四清，万林海，贾金禄，等. 深基坑工程优化设计[M].北京：地震出版社，1998.