土釘支護結構在深圳地鐵竹子林站的應用

【摘 要】 本文通過土釘支護結構在深圳地鐵竹子林站的實際應用，介紹了素土釘、復合土釘支護的原理、使用方法及一些應用要點。
【關鍵詞】 地鐵基坑土釘 微型鋼管樁

1 工程概況與地質條件
深圳地鐵一期工程竹子林站位于深南大道南側的綠地外緣，距深南大道道路邊約10～20m，車站東端靠近上下廣深高速公路的匝道，車站南側有福田汽車站大樓和規劃中的客運中心。基坑長214．3m，寬約30m，深約8m(南側放坡后)，11～13(北側)m。
站區地處海積平原及臺地，地形開闊。站區范圍內上覆第四系全新統人工堆積層、海相沉積層及第四系殘積層，下伏燕山期花崗巖。車站結構主要穿越地質條件較好的礫質粘性土、砂質粘性土地層，其主要物理參數見表1：
表1 主要地層物理參數表

2 土釘墻設計
土釘墻支護的作用機理是通過土釘對土體的加固作用，使土釘與土體共同工作，形成了能大大提高原狀土強度和剛度的復合土體，提高土坡的整體穩定性，以達到支護目的，土釘與土體作用機理并不是十分明晰，因此設計時以主要參數以工程類比為主。
2.1支護方案
經過反復比選，未采用降水措施，土釘墻支護典型剖面如圖1、2所示。土釘豎向間距在1．2m左右，水平間距為1～1．2m，土釘鉆孔孔徑110mm，溜注水泥砂漿全長粘接，注漿壓力0．8MPa；土釘面層采用C20網噴混凝土，厚120mm；在北側基坑沒置了微型樁，樁位于面層背部，間距1m，采用ф108注漿鋼管做成，鈷孔孔徑130mm，灌注水泥砂漿，注漿壓力o．8MPa。采用泄水管淺層排除面層后滲水，泄水管長1m，每2～3m：設置一個。

2．2 計算分析
土釘墻的支護參數的確定主要根據工程類比確定，其L(土釘長度)／H(基坑深度)不小于1．0，初擬土釘長度后，再進行檢算。檢算采用總安全系數法進行，設計時考慮其局部抗拉安全系數不小于1．5，整體穩定的安全系數不小于1．3，整體穩定性分析根據施工期間不同開挖深度及基坑底面以下可能滑動面采用圓弧滑動簡單條分法進行，計算時不考慮微型樁的支護作用。經驗算本斷面的穩定性安全系數及局部抗拉安全系數在不同開挖狀態下均滿足要求。
3 施工概況及監測結果
土釘墻支護強調動態設計，信息化施工，由于地質條件的復雜性，根據有限個地質鉆孔得到的地質資料做的設計不會是最優，所以必須在實踐過程中根據現場反饋的地質及土體變形數據對設計進行必要的調整，從而保證支護安全。
3．1 土釘抗拔試驗
土釘抗拔試驗，用于驗證設計選用的注漿材料、錨固體與土體的粘結強度、施工工藝是否合適。試驗分別選用了注漿材料為純水泥漿、水泥砂漿的試驗土釘各三組，通過抗拔試驗，注漿材料為純水泥漿的土釘錨固體界面粘結強度均能滿足要求，而水泥砂漿土釘除一組可以滿足要求外，其余兩組均在加載過程中失效。根據試驗結果，我們確定采用現有施工工藝，使用純水泥漿作為注漿材料。
3．2 施工過程
在土釘前期施工過程出現過一次異常情況：(1)在南側素土釘施工至下三層土釘時，由于開挖面潮濕及初噴不及時，開挖面出現了兩次大規模的剝離坍塌，引起坡體位移較大，最大一天坡頂水平變形達到11mm。根據現場情況，要求在坍塌地段采用砂袋堆壓坡面，停止開挖，加強監測，待邊坡位移穩定后方可繼續向下施工；根據監測，邊坡變形在三天內恢復穩定，在其后的開挖中縮短開挖段長度，及時初噴，防止了類似情況的發生。(2)北側邊坡(G123斷面處)在開挖到直坡段下7、8m時，監測結果表明支護變形速率較大，達到2．55mm／d，而正常速率為應為1mm／d。經調查，是施工速度過快引發的，在上層土釘錨固體還未達到設計要求強度時就進行下一步開挖，上層土釘發揮不了作用，邊坡變形速率必然增大。我們要求承包商嚴格按設計要求必須在上層土釘錨固體強度達到75％后方可施工下層土釘。其后的監測表明，變形速率回歸正常。在后期的土釘施工中則比較順利。
3．3施工監測
3．3．1監測內容
土釘監測內容如表2
表2 土釘監測內容

3．3．2結果分析
(1)坡體水平位移及沉降。根據監測結果，典型斷面的坡體的變形如圖3、4。從總的結果來說，沉降值小于坡頂水平位移值，坡體水平位移及沉降值郎較大。復合土釘處的水平位移雖然遠小于素土釘，但與相鄰區間的挖孔樁+錨索相比(水平位移最大值<5mm)，還是高出不少。從形成因素看來，主要是隨著基坑開挖累積而成。

(2)土釘應力。從測試結果看，如圖5(括號內為理論計算數值)，土釘內力普遍較小，除G排土釘(中下部)受力較大，與理論計算近似外，其它具體數值與理論計算均無可比性。土釘應力一般在開挖下二排土釘(7d內)時變化較為劇烈(見土釘應力曲線)，其后變化較為平緩。從監測結果看來，土釘直徑采用+25足夠了，設計時下部采用的φ28土釘偏大偏長。其應力變化如下圖6。

4 設計中的一些問題的處理與探討
4．1設計對地下水的考慮
根據深圳市的規定，土釘墻適用于地下水位以上或人工降水后地層中。本工點的設計并未采用降水措施，主要是出于以下考慮：
(1)本工點的地層主要是礫(砂)質粘性土，根據現場踏勘及調查：該類土在硬結狀態下具有較大的無側限抗壓強度、自立性好，往往可垂直開挖4～5m而不需支護，在晴好天氣下，基坑坡面初期有少量水滲出，基坑略顯潮濕，無需降水。本基坑施工過程跨越深圳雨季，降水井在連綿的雨季中實際上很難起到作用；(2)降水持續時間長，降水井的費用也較高(約40萬元)。從實測結果看，在旱、雨季中土釘應力并無明顯變化，因此在該類土中采用水土合算是合適的。
4．2微型樁的作用
根據監測結果，我們認為微型樁的作用主要體現在如下兩個方面：
(1)超前支護，保護開挖面的穩定，減少開挖中的土體側向變形。隨著開挖，開挖面應力釋放，由于土體中軟弱節理面的存在，開挖面在初噴不及時或在水量較大地段易出現剝離坍塌，逐漸加大形成空洞，對邊坡穩定極為不利，在素土釘支護所遇情況，該種坍塌較為常見。而在北側邊坡，微型樁起到了很好的超前支護作用，整個變形過程隨著基坑的開挖平穩發展，雖然邊坡高，其變形絕對值卻小于南側。
(2)改變了支護的變形形態，改善了支護的整體穩定性。從本工點的監測結果來看，南側素土釘斷面中，支護的位移沿高度大體呈線性變化，類似繞趾部向外轉動，最大水平位移發生在頂部，類似于重力式擋土墻。北側復合土釘斷面中，坡體的水平變形最大點均發生在中部。這說明微型樁改變了支護的變形狀態，不再類似于重力式擋土墻，而與土釘一起具有拉錨式支護結構的變形特征。
(3)微型樁的計算分析。如上所述，設置了微型樁的土釘結構具有拉錨式支護結構的變形特征，從監測結果上看，土釘應力主要在施工下兩排土釘時形成，與按“增量法”計算拉錨結構時的特征類似，但由于土釘與錨索在工作原理上不一樣；土釘的端頭也并未設置也不需要設置與鋼管樁聯接的傳力體系(腰梁與錨具)，兩者之間的共同承載作用很弱，故不宜按拉錨結構來進行簡化計算。《建筑基坑支護技術規程》，JGJ120-99中將鋼管樁作為超前花管來進行計算，但如本設計中設置的微型樁，采用上述方法計算時對整體穩定性的幫助很小，筆者建議在此種情況下分析時不考慮微型樁的作用，而直接將選用的整體安全系數下調0．1～0．2。如本設計，根據習慣作法，在末考慮降水措施的情況下，其安全系數應上調0．1～0．3，在考慮了鋼管樁作用后，安全系數未予調整。
4．3 設計對施工的要求
一般來說，采用土釘墻結構的前提之一是基坑周邊環境對變形要求不太嚴格，因為土釘支護位移量較大，并且極易受施工因素的影響。為減少施工因素對邊坡穩定的影響，在設計中對施工過程的控制應細化，如每小塊土釘支護的初噴時間、土釘支護完成時間及上下層土釘的施工間隔等，并通過監測結果對具體參數進行調整。在設定土釘監測指標時，應以土釘的變化速率為主控目標，防止突變，對于其累積值則可適當放寬。
5 土釘結構在地鐵中的應用前景
目前廣東地區的地鐵基坑中，較多的采用密排樁(人工挖孔樁、鉆孔樁)作為基坑的支護結構，樁與主體結構密貼作為復合或重合結構進行設計，以充分利用排樁的擋土能力。
土釘支護結構與樁墻支護結構相比，除了造價低、施工速度快等固有優勢外，還具有防水性能好的特點。因為無論是重合墻還是復合墻，后期施工的偵t墻受剛度較大的樁的約束，易產生開裂，并且裂縫的發現與修補也只能在背水面進行，側墻的防水效果較差。土釘墻采用離壁式設計，留有防水層施工空間，防水層施工在主體結構施工完成后進行，防水施工質量的可控性及效果明顯好于排樁支護。
而土釘支護與樁墻支護相比不足之處在于：軟弱土層、對基坑邊土體變形有嚴格要求的工程其使用受到限制；基坑周邊要有土釘穿越空間；對主體結構的抗浮無幫助，如主體抗浮能力不夠則需另加抗浮措施。
深圳地鐵一期工程中的竹子林站、水晶島站(土釘+預應力錨索)已在車站主體、附屬結構支護中已采用了土釘支護，后期地鐵公司大力推薦在出人口、風道等附屬結構中使用土釘支護，取得了很好的社會及經濟效益。土釘支護作為一種新型的、低能耗的擋土技術，在地鐵領域非常具有推廣價值。

參考文獻
【1】 曾憲明，黃久松，王作民等編著.土釘支護設計與施工手冊.北京：中國建筑工業出版社，2000