柔性复合材料面层土钉墙支护在基坑工程中的应用

刘 毅 孙 涛 徐开山 杨宁晔 齐 阁 刘玉峰

1. 青岛瑞源工程集团有限公司 山东 青岛 266555；2. 山东科技大学 地球科学与工程学院 山东 青岛 266590

在以往的边坡支护工程中，以混凝土面层为代表的“灰色”支护结构被大量采用。但混凝土与钢材的生产过程对生态环境有着极大的危害。所以，采用柔性的土工合成材料面层来代替混凝土面层契合了目前国家大力倡导的绿色发展理念[1]。本文在对新型支护体系结构进行系统介绍的基础上，结合青岛某基坑支护工程，介绍了柔性面层在工程中的支护效果，希望能为类似工程提供参考。

1 柔性面层土钉墙支护体系

柔性面层土钉墙支护体系（图1）是一种新型边坡支护体系，由柔性土工合成材料代替传统钢筋混凝土面层，可以大大简化施工工艺，缩短施工工期，降低工程造价，节能环保并有效控制边坡变形[2]。

图1 柔性面层土钉墙支护体系

1.1 体系构成

柔性面层、锚杆（土钉）及柔性面层与锚杆的连接结构[3]共同组成柔性面层土钉墙支护体系。三者协同作用，形成一个整体，共同发挥支撑边坡稳定的作用。其中的柔性面层可使用土工织物、土工膜、土工特种材料等土工合成材料（图2）。土工合成材料相比混凝土面层，具有一定的延展性，在施工过程中可对其施加适当的预应力，使其紧密地贴合于边坡上，有助于边坡的防护。

图2 土工合成材料

1.2 工作原理

柔性面层土钉墙支护体系的工作原理与锚喷支护技术类似。如图3所示，当边坡发生侧向位移时，锚杆产生拉力抵抗边坡滑动，而柔性面层则抵抗锚杆间的部分土压力并将土压力传递给滑裂面外的锚杆。柔性面层产生的张力起到了保持坡面局部稳定的作用。

2 工程实例

2.1 工程概况

拟建工程场地位于青岛市黄岛区。拟建建筑物包括8栋高层住宅楼和6座商业楼及地下车库。基坑挖深4.5～8.4 m，支护长度约989.6 m。根据钻探资料，场区的地层分布较均匀，土层共分为7层，依次为：素填土、细砂、粉土、中粗砂、淤泥质土、粉质黏土、中粗砂。

2.2 支护设计方案

根据JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》，本基坑设计安全等级为二级，设计使用期限1年。根据基坑周边环境、工程地质条件以及开挖深度，划分为7个支护单元，采用复合土钉墙支护和钉墙支护体系。

场区南侧用地红线外为规划道路，地下车库外墙与用地红线距离为10.6 m，相比场区其他位置，南侧更具有放坡条件（图4）。因此在南侧的E-F-G单元区段（以下简称EFG边坡”），使用柔性复合材料面层来代替传统的喷射混凝土面层。EFG边坡长约244.6 m。

如图5所示，EFG边坡坡顶采用φ20 mm的击入式土钉，长度为1.0 m，水平间距2.0 m。坡面设有5排长1.5 m的φ20 mm击入式土钉，垂直间距1.5 m，水平间距1.5 m。土钉墙面层采用复合土工织物柔性面层，由抗拉强度为50 kN/m的双向塑料土工格栅和面密度为400 g/m2的短纤土工织物热合而成（图6），产品的横、纵向断裂强度均为50 kN/m，纵向伸长率≤15%，横向伸长率≤13%，土工织物有效孔径0.07～0.20 mm。复合土工织物每幅宽6 m，从坡顶向坡底方向铺设，格栅间使用尼龙绳缝合，坡顶面层外延1.5 m，放坡比例1∶1.2。边坡面积约3 000 m2。

2.3 支护稳定性验算

2.3.1 整体稳定性验算

根据JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》中规定进行整体稳定性验算：采用圆弧滑动条分法进行验算，应满足规程中公式5.1.1-1与5.1.1-2的要求。

图3 柔性面层边坡支护体系工作原理

图4 基坑监测点位布置

图5 EFG边坡支护设计剖面

图6 复合土工织物

以基坑最深深度8.37 m进行支护整体稳定性验算，共分4步开挖：采用理正深基坑设计软件进行计算，整体稳定性安全系数分别为Ks,1=1.576，Ks,1=1.847，Ks,1=1.763，Ks,1=1.606，均满足二级安全等级大于等于1.3的要求，故整体稳定性满足条件。

2.3.2 平行于坡面抗滑安全性验算

根据GTC主动加固系统的作用原理进行平行于坡面抗滑安全性验算[4]，即Sd≤SR/Fs，其中：Sd为锚杆最小抗剪力设计计算值，SR为锚杆极限抗剪能力值，Fs为抗纯剪安全系数。由于本工程中采用土钉墙支护，故无锚杆预应力，且处于中粗砂中，故也不考虑黏聚力，即V=0，c=0，经验算后Sd为13.52 kN，SR/Fs=37.39 kN，同样满足平行于坡面抗滑安全性要求。

综合以上监测结果及安全性验算，说明采用柔性面层边坡支护技术进行基坑支护以保证基坑和周边建（构）筑物的安全，为后续地下结构的施工奠定了良好的基础。

2.4 施工工艺

基坑工程柔性复合材料面层边坡支护施工工艺为：开挖、修整坡面→施工坡顶竖向锚杆，铺设坡顶柔性面层→施工坡顶混凝土→施工第1道土钉→铺设柔性面层→水平方向、竖直方向设置加强筋→分层开挖、分层支护至基底→砂袋压住坡脚。

在施工过程中应当注意以下几点：在铺设面层的过程中可适当施加预应力，使面层张紧，更加紧密地覆盖在边坡表面，使每个单元成为一个紧密的整体，面层缝合搭接处的搭接长度≥250 mm；铺设面层之前应当修整坡面，避免锋利的块石割破面层；设置加强筋可采用绑扎固定，钢筋连接采用搭接焊，焊接长度不应小于钢筋直径的10倍。

2.5 监测数据分析

该工程自2月8日开工，监测工作自进场开始取初始值，基础回填完成结束，先后进行了61期共200 d的监测。监测数据表明，基坑各单元最大水平位移为9.08 mm，最大沉降变化为7.80 mm。从基坑周边巡查结果看，周边无裂缝出现，且无流砂、管涌、塌方现象，处于稳定可控状态。

在EFG边坡坡顶选取4个典型水平位移监测点（HV1、HV2、HV3、HV4）和4个典型沉降监测点（VB1，VB2，VB3，VB4），参见图4。坡顶位移-时间曲线如图7（a）所示，坡顶沉降-时间曲线如图7（b）所示。

图7 坡顶水平位移、坡顶沉降与时间关系曲线

由图7（a）可以看出，HV1和HV2曲线变化相对平缓，HV3和HV4曲线变化速率波动相对较大。但2月到5月初所有监测点均有明显的位移变化，这是因为该阶段正在进行基坑的开挖及支护施工，对土体造成了扰动。但随着开挖工程逐步完成，坡顶水平位移变化趋于稳定，基坑达到稳定状态，在后一阶段时间里，位移量基本没有增加。

图7（b）表明了坡顶沉降与时间的关系曲线，与坡顶水平位移类似，4个监测点的沉降位移变化相近，均主要发生在2月到5月底。3月底，VB3曲线变化速率相比其他3条曲线明显变大，最终沉降量也大于另外3条曲线，可能是监测点的相对位置造成的空间效应和开挖强度不同造成的。随着开挖工程逐步完成，沉降位移也逐渐趋于稳定。

同时，为了对比柔性面层和混凝土面层的支护效果，将使用柔性面层支护结构体系的EFG边坡的水平位移变化〔图8（a）〕和沉降变化〔图8（b）〕与基坑其他两侧使用混凝土面层支护的边坡进行对比，发现两者的水平位移和沉降变形数据相差不大，并无明显差异。

3 效益分析

通过柔性面层土钉墙支护体系在本工程中的应用，以及对监测数据的分析，可以看出：使用柔性面层与传统混凝土面层相比，具有明显的社会效益与经济效益。

首先，使用柔性面层代替混凝土面层，大大缩短了施工时间，由于使用混凝土面层需要喷射而成，而且还需要一定的养护时间才可进行下一步工序，而柔性面层只需在开挖好的坡面进行铺设、张紧即可，省去了养护的时间，故可以提高整体的施工效率，节省更多的时间成本。

图8 坡顶水平位移、沉降时间关系曲线

其次，使用混凝土面层成本要高于柔性面层，以本工程为例，使用柔性面层的支护单元长约244 m，坡面长约14 m，总面积约3 616 m2。传统钢筋混凝土面层以φ6.5 mm@200 mm 200 mm钢筋网、厚80 mm的C20混凝土面层核算造价约85元/m2；以柔性面层为例，核算造价约40元/m2。故采用新技术本工程可降低造价53%。

同时，由于混凝土面层在施工过程中需要现拌、喷射，产生很大的噪声和扬尘问题，会对周围环境产生严重的影响，而使用柔性面层不会产生大量的扬尘和噪声；混凝土拌制过程中大量砂石的使用也会对自然资源造成破坏，故在自然环境的保护方面，柔性面层相比于混凝土面层有着巨大的优势。

4 结语

1）使用柔性面层土钉墙对边坡进行加固可有效地控制边坡的变形速率，且基坑的水平和垂直变形量均小于预警值，因此使用柔性面层土钉墙进行支护是可行的。

2）与传统的喷射混凝土面层相比，柔性面层在施工期间污染小、施工快、价格低，有效地节约了资金成本和时间成本，可在工程地质条件允许的地区大规模使用。

3）柔性面层土钉墙支护体系在可持续发展方面具有更广阔的发展空间。