北京富力城三期大型共建深基坑降水支护技术

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　　摘要：结合北京富力城三期大型共建项目实例介绍了排桩、土钉支护技术的设计和应用。实践证明，复合土钉支护技术在北京粉质粘土和粉土以及砂质土层中具有性能可靠，施工简便和造价低廉等优点。
　　关键字：深基坑土钉支护； 井点降水；基坑监测
　　
　　前言
　　目前土钉墙(包括锚喷支护)因施工速度快、操作简便、经济适用、安全可靠, 在深基坑支护工程中被广泛采用, 支护深度一般为5～20 m, 它是北京地区基坑建设最常用的基坑加固方式, 但对于基坑深度较大且周围临近建筑物沉降要求比较严格的情况, 单独使用土钉墙作为深基坑支护方法往往造成基坑边坡侧向位移过大, 影响周围建筑物的正常使用。如果使用桩锚支护或其它支护方式又会大幅提高造价, 而采用土钉与锚杆组合式支护技术, 可以较好地解决此类基坑的支护问题。
　　
　　一、 工程概况
　　拟建富力城公建（酒店、商业与写字楼）工程由北京富力城房地产开发有限公司投资开发、广州市住宅设计院有限公司设计，位于北京市朝阳区东三环双井桥内侧、广渠门外大街
　　二、 工程地质条件
　　拟建场地位于北京市朝阳区东三环中路西侧、广渠门外大街北侧。地貌属永定河冲洪扇的中部，地形平坦。
　　1.人工填土层
　　粘质粉土素填土①：黄色～褐黄色，湿，稍密，含少量砖、灰渣，局部成分为粘质粉土和砂质粉土。本层厚度为0.60～2.50m，层底标高为35.32～37.01m。
　　房渣土①1：杂色，湿，稍密，以砖块、灰渣、碎石等建筑垃圾为主，含少量粘性土。本层厚度为0.60～1.70m。
　　2. 一般第四纪沉积层
　　砂质粉土②：褐黄～黄褐色，湿，中密，含云母和氧化铁，夹粘质粉土及粉质粘土薄层或透镜体。本层厚度为3.40～7.20m，层底标高为27.12m～32.42m。
　　粉质粘土②1：褐黄～黄褐色，饱和，可塑，含氧化铁。夹粘质粉土薄层或透镜体。本层厚度为0.50～2.30m。
　　重粉质粘土②2：褐黄～黄褐色，饱和，可塑。本层厚度为2.20m。
　　粉砂②3：褐黄～黄褐色，湿，中密，以石英、长石为主。本层以薄层或透镜体形式出现。本层厚度为0.50～1.50m。
　　粉细砂③：褐黄～黄褐色，湿，中密～密实，以石英、长石为主，夹粉质粘土、砂质粉土、中砂及砾砂薄层或透镜体，含少量圆砾。本层厚度为1.60～6.30m，层底标高为25.52～26.77m。
　　粘质粉土－砂质粉土③1：褐黄～黄褐色，湿，中密，含云母和氧化铁，本层以薄层或透镜体形式出现。本层厚度为0.40～0.50m。
　　圆砾④：杂色，湿～饱和，中密～密实。主要成分为沉积岩、岩浆岩，充填30％～40％细中砂，夹细砂、砾砂、卵石薄层或透镜体。本层厚度为2.10～3.80m，层地标高为21.92～23.87m。
　　细中砂⑤：褐黄～黄褐色，饱和，密实，以石英、长石为主，夹粉质粘土、砂质粉土及粗砂薄层或透镜体，含少量圆砾。本层厚度为1.5～3.8m，层底标高为19.96～21.11m。
　　粉质粉土－粉质粘土⑥：褐黄～黄褐色，饱和，中密～密实，可塑。含云母、氧化铁。本层厚度为1.90～5.60m，层底标高为14.42～15.91m。
　　砂质粉土⑥1：褐黄～黄褐色，饱和，密实，含云母和氧化铁。本层厚度为0.80～1.50m。
　　粘土⑥2：褐黄～黄褐色，饱和，可塑。含氧化铁。本层厚度为1.00m。
　　细中砂⑦：褐黄～黄褐色，饱和，密实，以石英、长石为主，夹圆砾⑦1层及、粉质粘土、砂质粉土、粉砂、砂砾薄层或透镜体，含少量圆砾。本层厚度为10.50～11.50m，层底标高为3.73～3.91m。
　　3 场地水文地质条件：
　　第一层地下水：潜水，稳定水位埋深为13.50～13.70米，水位标高24.72～25.11米；
　　第二层地下水：微承压水，水头距离地面为21.30～21.80米，水位标高为16.81～17.12米。
　　存在上层滞水。
　　场地内地下水对钢筋混凝土结构无腐蚀性
　　
　　三、基坑降水支护方案选择
　　为便于设计施工，将商业与写字楼与会所相临区域为桩③支护段；商业及写字楼与会所及住宅楼不相临区域为桩④支护段，其它区域为土钉墙支护区域段。
　　为保证干燥作业，商业写字楼A段须进行基坑降水，为保证安全施工商场及写字楼须进行基坑支护。
　　（一）、基坑降水设计
　　3.1．1降水方案选择
　　该降水工程的主要难点在于：（1）商业、写字楼A段的基础底板正好位于细中砂⑤层；（2）基坑周边地面、地下障碍物多，给井位的选择和成井造成一定影响；（3）由于基坑面积大，周边降水井难以保证中部降水要求，而采用常规抽水方法将给基坑和建筑施工带来许多不便；（4）基坑西侧与已建建筑相距太近，降水将对其产生影响。（5）基坑西侧与会馆部位要进行护坡桩施工，护坡桩外地下管线多，降水井没有施工位置。
　　3．1．2降水设计计算（商业、写字楼A段）
　　A段基坑面积约4273m2，周长208m。
　　（1）计算引用半径r0
　　 m
　　（2）影响半径R
　　圆砾④层
　　细中砂⑤层
　　式中：
　　R―影响半径，m；
　　S―降水深度，m；圆砾④层S1=2.8m；细中砂⑤层S2=1.0m；
　　H―含水层厚度，m；圆砾④层H1=2.1m；细中砂⑤层H2=2.8m；
　　K―含水层渗透系数，m/d；圆砾④层K1=40.0m/d；细中砂⑤层K2=15.0m/d；
　　（3）潜水于基坑涌水量Q：
　　
　　圆砾④层
　　细中砂⑤层
　　总涌水量：
　　式中：
　　Q--基坑总涌水量，m3/d；
　　3.1．3降水井布置
　　 3.1．3.1降水管井布置
　　 为拦截地下水向基坑内涌入，保持基坑内相对干燥，保证基础施工，距基坑边坡外缘1.50～2.00m，沿基坑四周布置抽水的降水管井。井间距约为7-8m（根据现场情况，降水井尽可能布置在桩位的正后方）；管井底位于细中砂⑦层；管井孔径为600mm； 孔内均下入内径300mm的水泥砾石滤水管,在井管外围填入直径2～4mm的砾石滤料或3mm的石屑。详见基坑降水井平面布置图。
　　由于施工场地内可能的地下管线和障碍物较多，因此具体位置视场地情况而定，尽可能使其既满足设计要求又能避开障碍物。
　　3.1．3.2管井结构
　　(1)间距、孔深：商业、写字楼A段：井间距约为7m，井深为28.0m； 酒店：井间距约为8m，井深为30.0m；
　　(2)孔径：管井孔径均为600mm。
　　(3)井管：管井均下入内径300mm的水泥砾石滤水管。
　　(4)滤料：在井管外围填入直径2～4mm的砾石滤料或3mm的石屑。
　　(5)为加速水体疏，干坑内可适当布设降水井。同时考虑每个电梯井的位置均布设1口井。
　　3.1．4排水
　　根据现场情况，基坑东西两侧均具备排水条件，南北两侧没有排水条件，所以，可将排水管线按两侧分别布置。
　　3.1．5地面防渗措施
　　1． 基坑5m范围内不宜设置用水点；
　　2． 基坑四周边沿3m范围内做好地面排水工作，防止雨水和人工用水的入渗引起边坡坍塌。
　　
　　（二）、基坑支护设计方案
　　
　　3．2.1基坑支护
　　在我方技术部门的组织下，经过现场调查、分析研究和反复论证，本着安全、优化、经济的设计原则，选择科学、合理的设计施工方案--土钉墙与锚杆护坡桩联合支护的施工工艺。同时应注意加强土方开挖与基坑支护的配合，防止因开挖面过大而未及时支护导致边坡塌方；应考虑边坡荷载对边坡稳定性的影响。

　　根据现场地层条件以及周围环境因素，对其变形要求较为严格，为此西侧采用锚杆护坡桩；其它区域采用预应力锚杆和土钉墙联合进行支护。
　　3．2.2方案选择
　　基坑支护的方法较多，如：土钉墙支护、锚杆护坡桩支护等。
　　土钉墙支护土钉支护是依靠土钉体与土体之间的摩擦力将边破土体内不稳定区土体的侧压力，通过土钉的水平推力作用传递到稳固区。在土钉支护体系中，土钉与土体共同作用，充分利用土体的自承能力和土钉与土体之间的摩擦力，约束土体的侧向变形，形成一种自稳性结构，既增强了土的主动受力能力，又增强了土体破坏的延性。由于土体延性的增加，即使土体支护体系发生破坏，也是渐进性的。该工艺最大特点就是土体位移变形相对较大，但经济造价较低。因此在边坡位移无特殊要求的地方广泛采用。
　　锚杆护坡桩北京地区深基坑支护已广泛采用。采用锚杆护坡桩，是一种被动的支挡形式，它依靠桩结构体系的支挡能力、桩体的刚性支挡土体，控制土体位移。这种支护形式最大优点是控制位移能力强，但投入大，成本高。
　　为此，根据该场地的工程地质和水文地质条件以及结合场地周围环境对位移要求条件，并结合在北京地区类似工程的设计与施工经验，经我方专家与技术人员共同研究论证，采用土钉墙支护与锚杆护坡桩联合支护的设计方案。这样一方面可完全保证基坑的稳定性，另一方面可充分发挥两种工艺方法的优越性，安全可靠、施工周期短而且经济造价适中。
　　
　　2.6设计方案
　　根据现场地层条件以及周围环境因素，将基坑支护划分为A、（B、C、D、E）两个支护区域；A区为基坑的北侧基坑深度为-17.45m，西侧可放坡的区域采用土钉墙和预应力锚索联合支护（即设计5-5剖面）、西侧无放坡的区域采用护坡桩和预应力锚索联合支护（即剖面2-2）、北侧和东侧因有放坡的条件采用土钉墙和预应力锚索联合支护（即设计4-4剖面）；
　　（B、C、D、E0区域东侧因有放坡条件，采用土钉墙和预应力锚索联合支护（即设计7-7剖面）、西侧无放坡的区域采用护坡桩和预应力锚索联合支护（即剖面6-6）、对边坡稳定性以及位移要求严格，为此该处采用锚杆护坡桩进行支护；具体位置及设计作法详见图示。
　　2.7 设计原理（设计书） 2.7.1土钉墙设计计算原理 本工程采用土钉墙进行支护，其设计计算原理严格执行《基坑土钉支护技术规程》（CECS96：97）。
　　土的容重为γ=19kN/m3，地面超载为常规取q=30kN/m2；
　　 （1）边坡最危险滑弧面计算
　　应用条分法，对每个土体进行极限平衡分析，得出边坡整体稳定性安全系数最小的滑动弧面。忽略条间力，利用瑞典条分法计算公式：
　　式中：ci――第i条士滑动面上的粘聚力(kPa)；
　　li――第i条土条弧长(m)；
　　Wti――第i条土条自重(kN/m)；
　　αi――第i条土条弧线中点切线与水平线夹角；
　　φi――第i条土条滑动面上的内摩擦角；
　　ui――第i条土条承受的水压力；
　　K―― 安全系数。
　　由于安全系数K出现在等号两侧，计算繁杂，一般利用程序搜索计算出最小安全系数。经上机计算，该场地天然土坡最小安全系数K<1，天然边坡土体处于不稳定状态，需进行边坡支护。
　　（2）土钉所受的土压力
　　式中：Ti――第i个土钉所受的土压力(kN)
　　q――坡上超载(kN/m2)；
　　γ――土的容重(kN/m3)；
　　Hi――第i个土钉的高度(m)；
　　kai――第i层主动土压力系数，kai=tg2(45°-φi/2)；
　　Sx、Sy――士钉水平、垂直间距（m）；
　　c――土的粘聚力(kPa)。
　　 （3）土体抗拔力(滑裂面外)
　　Tμi=πD Lbiτfi
　　式中：Tμi――第i条土钉滑裂面外的抗拔力(kN)；
　　D――钻孔直径(m)；
　　Lbi――第i层土钉伸入破裂面外稳定区的长度(m)；
　　τfi――锚体砂浆与土体间各层士的粘结强度(kN/m2)。设计时也用下式代替：
　　τfi=σitgφI+ci
　　计算时每根土钉的抗拔安全系数Ks应大于1.30。
　　（4）抗滑安全验算
　　抗滑安全系数：
　　KH= Fi/Eax
　　式中：KH――抗滑动稳定安全系数；
　　Eax――墙后主动土压力(kN)；
　　Fi――假设墙底断面上产生的抗滑合力(kN)。
　　(5)配筋
　　以上计算,在选配钢筋或钢绞线时，结合《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99中6.1.3关于土钉抗拉载荷折减系数乘以理论计算值即为每排土钉实际受力值，以此为计算设计值进行选用：
　　土钉抗拉载荷折减系数为：
　　计算数据输入计算机，采用《深基坑支护之星》计算程序，结果详见后。
　　2.7.2锚杆护坡桩设计计算原理
　　土压力计算采用库仑理论。根据主动土压力与被动土压力受力平衡计算嵌固深度。
　　(1)土压力计算：
　　主动土压力系数 ：
　　被动土压力系数：
　　其中φ为各土层的内摩擦角,δ为桩土间摩擦角。
　　主动土压力Pa=
　　被动土压力Pp= 土压力计算：
　　(2)护坡桩受力分析计算
　　护坡计算采用等值梁法。先求出主动土压力Ea,对o点取矩,Mo=0,求得锚杆拉力T;然后按力的平衡求得P0,则嵌固深度
　　
　　锚杆自由段长度：
　　锚杆锚固段长度：
　　锚杆总长：L=Lf+Lm
　　其中D为锚固体直径,qs为土与锚固体间的粘结强度,K为安全系数 ,α为锚杆倾角。
　　按桩身剪力为零点求得最大弯矩，按等效矩形单面或双面配筋。
　　(3)整体稳定性验算
　　按圆弧滑动法验算，要求安全系数k≥1.3。
　　
　　四、支护方案的实施
　　1、土方开挖
　　土方施工与基坑支护相配合，根据护坡桩以及土钉的纵距，来确定挖土分层深度和数量，一般地，土方开挖高度为土钉位置下约30cm，而且应分段、分区施工，以利土钉施工。对于锚杆护坡桩位置，挖土时应预留护坡桩开孔土层厚度，待进行护坡桩与锚杆施工时，挖土机应转移至其它区域进行施工；
　　挖土与基坑支护紧密配合，交叉作业施工，合理调配两种工序。
　　
　　2、监测方案
　　由于办公1及会所紧临基坑，为及时掌握基坑变形动态信息，拟在办公1及会所周围布设7个变形观测点，在基槽边缘、（西侧）桩顶上按照10～15m不等间距布设位移观测点，以便对其基坑变形进行观测，在施工期间不定期进行观测，直至基槽完工。以后可7～10天观测一次，至变形稳定为止。其间可根据施工进度和变形发展随时加密观测次数，如发现变形异常，应及时停止基坑内作业，分析原因，采取还土、坡顶卸载等加固措施，确保边坡安全。
　　①人员及仪器设备：由我公司专职测量人员进行位移观测，采用仪器为精密水准仪；
　　②点位埋设：设测点布置在土钉墙翻边、护坡桩顶边缘附近，统一编号，观测点的间距10-15m，观测基准点选在距基坑较远且相对稳定的地方。观测点用水泥桩固定，桩顶设小桩或用彩墨线标定，以保证仪器对中精度，附近做醒目标志，便于观测及保护。
　　③观测方法：可采用直线法进行观测。在基坑开挖之前进行一次观测，作为基准数据，以后观测结果和首次观测结果比较，求出边坡位移。
　　④观测时间：在基坑开挖过程中，每天进行一次观测，雨后第二天加强一次观测，基坑开挖结束达到稳定后，每周观测1次，且随外界条件变化随时做适当调整。
　　
　　五、结语
　　施工整个过程检测表明基坑的水平位移和竖直沉降均在控制值之内，从而保证了地下室的施工安全。
　　加强型土钉作为复合土钉的一种形式, 它的应用空间广阔, 但设计计算中并无成熟的计算方案,一般是按土钉进行设计计算, 并将锚杆这一部分作为一种安全储备。如何知道锚杆所起的确切的作用, 对推广该方法有很好的促进作用, 也是必须做到的。
　　实践证明,对于北京地区的超大深基坑支护,尝试采用上部土钉墙下部桩锚结合的支护结构是可行的,并取得了较好的经济效益。

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