郭文胜，杜浩鸣，张志强

（1.河南五建建设集团有限公司，郑州 450000；2.郑州大学 土木工程学院，郑州 450001；3.河南省第一建筑工程集团有限责任公司，郑州 450014）

复合土钉墙处理复杂环境下基坑工程适用性分析

郭文胜1，杜浩鸣2，张志强3

（1.河南五建建设集团有限公司，郑州 450000；2.郑州大学 土木工程学院，郑州 450001；3.河南省第一建筑工程集团有限责任公司，郑州 450014）

针对复合土钉墙处理复杂环境下基坑工程的适用性进行研究，采用有限元方法对复杂环境下复合土钉支护的基坑进行了数值模拟分析，结果表明所采用的支护方案能较好地解决同时遇到既有电力隧道、防空洞和旧桩基时深基坑工程边坡支护的问题。并通过对该基坑工程施工过程中支护结构坡顶竖向和水平位移进行试验监测及分析，认为在深基坑周边同时存在电力隧道、防空洞以及旧桩基的复杂环境条件下采用桩锚土钉复合支护体系能充分满足基坑的安全稳定要求和周边建筑物与管线的保护要求。

复杂环境；复合土钉支护；有限元分析；监测分析

0　引 言

近年来城市建设快速发展，基坑工程中很大一部分都是处在市区，基坑周边环境较为复杂，通常会存在已有地下结构，导致基坑的设计和施工上的困难。基坑支护不仅要满足施工地下结构时的安全，同时要保证周边建筑环境的正常使用。单一支护形式在处理复杂环境下的深基坑工程时很难同时满足使用要求和经济效益，复合支护形式的快速发展成为解决这一难题的有效手段。

复合土钉支护体系在深基坑工程支护应用中具有明显的经济效益和施工工期优势。近年来许多学者对复合土钉支护体系的可行性进行了研究分析，并得出了很多有益的结论。秦四清 等首次运用剪滞力理论结合加筋土的准粘聚力理论分析研究了钉和土之间的作用机理。梁仕华从能量角度出发，提出了土钉支护的准粘聚力计算公式。魏海云 等利用BP神经网络法进行了土钉支护的变形预测。杨光华，黄宏伟提出土钉力的增量计算法，并认为土钉上作用的土压力实际是成三角形分布的。蒋美蓉 等对深基坑土钉支护性能的三维有限元进行分析，并经过工程实践，证明了有限元可以用来分析土钉的工作性能。宋二祥 等运用有限元分析方法对复合土钉支护体系中土体变形模式和模型参数的选用问题进行研究，分别建立一般土钉支护和复合土钉支护的二维有限元模型，对比分析了二者的变形大小、搅拌桩土压力以及土钉轴力的大小与分布差异。秦会来通过土钉支护与水泥土桩复合土钉支护的对比分析，提出了一种新的土钉力的增量计算方法，在此基础上，提出了水泥土桩复合土钉的变形计算方法及简化算法，并结合工程实例验证了该法的可行性。吴忠诚 等通过对复合土钉支护结构的全过程内力和变形进行观测，研究了地下水和土压力的变化对土-土钉偶合体力学性能的影响规律，揭示了复合土钉支护结构的变形特征。熊赞民在研究土钉和锚杆的基础上，运用可靠性理论研究了复合土钉支护的稳定性，并给出了失稳概率。尹骥 等结合某复合土钉支护的工程实例，建立有限元模型采用强度折减法计算了复合土钉支护的稳定安全系数，计算得到的滑裂面位置与实际破坏形态非常吻合。俞登华 等结合上海某工程实例建立二维有限元模型计算复合土钉支护的位移，采用强度折减法分析该基坑的整体稳定性，并讨论了位移与稳定性的关系。金刚锋 等从土的塑性理论出发，分析了作用疏排桩上的土压力，研究了疏排桩的抗滑效应，并成功运用到了工程实例。陈海涛采用有限元软件对疏排桩-复合土钉墙支护结构进行分析，研究分析了支护结构水平位移、竖直位移以及总位移特征。宋克选通过有限元方法对排桩内支撑复合土钉支护结构进行研究分析，提出了该支护结构的土压力分配模式。周亮采用ABAQUS软件对排桩复合土钉支护结构进行分析，总结了排桩复合土钉支护结构的受力变形机制。徐国忠介绍了软土地区一层地下室的基坑采用排桩与土钉联合支护的优势，并指出该支护结构需要合理的设计方法。

对于本文中的深基坑工程项目，由于该深基坑部分周边附近存在电力隧道、防空洞以及旧桩基，采用传统的计算方法对该部分边坡的支护结构进行分析计算时不能同时考虑电力隧道、防空洞及旧桩基三者的影响。笔者采用有限元和现场实测的方法对该深基坑工程项目的支护结构方案进行分析研究。

1　工程概况

盛润·锦绣城基坑工程项目位于郑州市中原区棉纺路与工人路交叉口。基坑底长×宽=152.7 m×115.2 m，自然地面标高为-1.4 m，基坑深度为12.3 m，局部为13.46 m。基坑的北面为5栋商住楼；东面为规划的道路；南面为棉纺西路，基坑开挖上边线距棉纺西路人行道北边约为8.5 m；西面有两栋旧建筑物，其中一栋三层砖混结构建筑，距基坑开挖上边线为2.55 m，另一栋七层砖混结构建筑，距基坑开挖上边线为1.35 m，基坑周边环境详如图1所示。

在深基坑的南部边坡，设计支护桩的南侧，存在与深基坑边坡基本平行的，东西通长的城市主电力隧道。电力隧道为砖墙砌筑，隧道的墙壁厚度为370 mm，隧道的北部侧墙距离设计支护桩为3.1 m，隧道的内部净宽度为1.5 m，隧道的内部高度为2.6 m，隧道的底板标高为-5.5 m，距离支护桩顶部以下1.2 m；在城市主电力隧道与设计的支护桩之间，存在着东西走向的防空洞，防空洞为砖墙砌筑，洞壁厚度为370 mm，防空洞内净高度为2.5 m，防空洞的洞顶标高度为-8.5 m。在深基坑的南部边坡，设计支护桩的南侧，在电力隧道的北侧，有与设计支护桩部分交接的一排东西方向分布桩间距为7.5 m的老桩基。本文只分析了同时存在电力隧道和防空洞时的支护方案。电力隧道、防空洞和支护桩三者的位置关系，如图2所示，电力隧道与支护桩的现场位置，如图3所示。

图2　电力隧道、防空洞与支护桩位置示意

图3　电力隧道与支护桩位置

2　处理方案

2.1支护桩遇防空洞的处理方案

在该深基坑工程中，防空洞的走向不是一条直线，没有规律性，有部分支护桩需要穿越防空洞。对于穿越防空洞的支护桩需要进行处理。

该工程中采用钢护筒桩模，钢护筒的长度为3.5 m，出防空洞的上顶和下底各500 mm，钢板厚度为3 mm，内径为900 mm工厂卷成筒状，接缝焊接严密。钢护筒在防空洞范围内作为桩身混凝土的侧模，然后进行钢筋混凝土支护桩的混凝土浇筑。处理后现场实图，如图4所示。

图4　钢护筒混凝土支护桩

2.2防空洞封堵处理方案

对于南部平行于深基坑边坡的防空洞，支护桩施工完成后，基坑开挖前分段开挖的过程中，在南边边坡防空洞170 m范围内，按照30～40m长度分隔为若干小的单元，对防空洞分段砌墙分隔开，分段填充水泥土，防空洞填充和基坑开挖支护同步进行。

对于东西部垂直于深基坑边坡的防空洞，为了防止防空洞与市政管网连接，造成市政污水和雨水倒灌基坑，采取在洞口2 m处砌筑500 mm砖墙，M7.5水泥砂浆砌筑，中间喷射1 m厚C20混凝土，洞口砌筑500 mm砖墙。在距洞底200 mm高处，设置D=50 mm的溢流管，发现有水时，及时对接水管将水排出。防空洞封堵示意图，如图5所示。

2.3支护桩遇到老桩基

在深基坑的南部边坡，设计支护桩的南侧，在电缆隧道的北侧，有与设计支护桩互相交接的一排东西方向分布的老桩基。老桩基与支护桩的平面位置关系，如图6所示，老桩基与支护桩的立面位置关系，如图7所示。

图6　老桩基与支护桩的平面位置关系

由于老桩基的桩底部的混凝土扩大头的影响，造成支护桩施工暂停施工。根据了解，施工总承包单位刚进场施工时，此部位的现场的房屋已经拆除，外露的钢筋混凝土桩头和基础由于外形不规整，曾经询问建设单位相关人员，得到的答复是，此处的钢筋混凝土是独立基础的钢筋，可以用炮锤进行破除，深度不会太深了。但是，此信息与现场严重不符合，待到施工支护桩桩孔受阻时，才得到了相对准确的地基资料。并根据老桩基的位置，绘制了老桩基和支护桩平面位置关系图，如图7所示。

图7　老桩基与支护桩的立面位置关系

2.3支护方案

为保护深基坑南边坡市政电力隧道，在自然地坪（标高：-1.4 m）到设计支护桩顶（标高：-4.2 m）之间，高度2.8 m范围内，采用2排土钉支护，土钉采用HRB400级钢筋，直径20 mm，锚固体的直径为120 mm，土钉长度为6 m，倾斜角度为100，水平间距为1.5m，竖向间距为1m，支护结构详图，如图8所示。

图8　支护结构

3　有限元与实测分析

3.1有限元模型及参数

采用有限元计算模型如图9所示，模型尺寸长度70 m，土体深度32.5 m。左侧和右侧边界约束土体水平向位移，底部约束水平和竖向位移。基坑深度12.5 m，分步开挖，每次开挖1.5 m，最后一步开挖0.5 m。基坑上部土钉墙部分存在电力隧道，下部预应力土钉部分由于存在旧的桩基础，故采用土钉墙以及预应力土钉进行支护。土层自上而下共分为9层，土体参数见表1。基坑上部采用土钉墙支护结构，为了不影响到电力隧道，土钉长度以不碰到电力隧道为标准进行设置，模型具体参数见表2。

图9　有限元模型

表1　基坑工程设计土层参数

表2　土钉参数

土层自上而下共分为9层，土体参数见表1，土体采用摩尔库伦模型，土体弹性模量根据压缩模量参考文献得到。基坑上部采用土钉墙支护结构。对于已有防空洞，模型计算时防空洞部分按照水泥土考虑，土钉锚杆参数见表2。有限元模型如图7所示，本项目有限元分析中，采用8结点高阶单元，土体本构采用摩尔-库伦模型，不考虑剪胀角的作用。

3.2有限元结果分析

通过采用有限元软件，可以较好的模拟施工过程中基坑的变形情况，为方案的实施提供参考。

计算得到的基坑整体位移矢量图，如图10所示，竖向沉降最大值为17.2 mm，基坑底部隆起最大值为29.7 mm；水平位移最大值为27.9 mm。

基坑水平位移云图和竖向位移云图分别如图11、图12所示。可知计算结果满足《建筑基坑监测技术规范》，方案可行。

图10　基坑位移矢量

图11　基坑水平位移

图12　基坑竖向位移

3.3实测数据与有限元计算对比分析

该项目监测时间从2012年6月18日到2013年4月14号。对于本文所分析的上部土钉下部桩锚复合支护结构部分的监测点为7～9号点。以图13中FEM表示采用有限元方法对各时间点处工况分析的结果。

图13　支护坡顶水平位移

由图13可得对于本文所关注的复合土钉支护结构部分，其中上部土钉下部预应力土钉复合支护结构监测位置为测点10～16号点，可以发现该部分最大位移为20 mm左右，满足规范要求。

由图14中可得对于本文所关注的复合土钉支护结构部分，其中上部土钉下部预应力土钉复合支护结构监测位置为测点10～16号点，可以发现该部分最大位移为7 mm左右，满足规范要求。

图14　支护坡顶竖向位移

4　结 语

本文通过采用有限元方法对同时存在防空洞和电力隧道的复杂环境下基坑支护方案进行了计算分析，并结合基坑监测数据，对比分析得出如下结论：①采用复合土钉支护结构方案能够满足该复杂环境下基坑支护的特殊要求；②通过对深基坑的支护坡顶水平和竖向位移可得其最大变形值均在限值范围内，与有限元结果进行对比，表明有限元计算结果的合理性。

主要参考文献

［1］秦四清.土钉支护结构优化设计［J］.矿产勘查，2000（1）.

［2］邓建刚，傅旭东.土钉支护结构的优化设计［J］.岩土力学，2003（z2）.

［3］魏海云，方云，陈爱云.土钉支护及其变形的BP神经网络预测［J］.西部探矿工程，2003（9）.

［4］杨光华，黄宏伟.基坑支护土钉力的简化增量计算法［J］.岩土力学，2004（1）.

10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.20.065

TU753

A

1673-0194（2016）20-0101-04

2016-09-20

郭文胜（1976-），河南郑州人，高级工程师，总经理，本科，主要研究方向：地下工程。