劉情情 黃昌乾 黎良杰 潘啟輝 吳 蘭

(中航勘察設計研究院有限公司，北京 100098)

0 引言

邊坡支護按照工程使用年限分為臨時支護和永久支護兩類，兩類支護設計的安全等級及依據(jù)的設計規(guī)范均不同。在工民建項目中，臨時支護通常為基坑支護，設計依據(jù)《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ120-2012)，設計使用年限一般為1～2年，服務于基槽開挖期間，待基槽回填后，基坑支護的服務功能終止[1]；永久支護為使用年限大于2年的邊坡支擋結構，設計依據(jù)《建筑邊坡工程技術規(guī)范》(GB 50330-2013)，當臨近建筑物時，設計使用年限同臨近建筑物的使用年限，通常為50年，服務于整個建筑物使用期[2]。這兩類支護通常分開設計。

在山地項目中，常常出現(xiàn)建筑物兩側土壓力不平衡的情況，通常在一側設置永久性的支擋結構來承擔不平衡的土壓力，當建筑物同時有地下室需要進行基坑開挖時，還需設置基坑支護結構，如果兩種支護體系有一定的水平距離，可分別設置、單獨計算；但山地項目常常受場地空間條件限制，此時臨時支護與永久支護需要相結合設計，即通過一種支護結構來滿足兩種工況的要求，設計時應統(tǒng)一計算分析，既保證工程安全可靠，又經(jīng)濟合理。本文所述的工程案例就是這種臨時支護與永久支護相結合設計的情況。

1 工程概況

擬建項目位于北京市門頭溝區(qū)永定鎮(zhèn)，場地位于西山山前，永定河洪沖積扇上部，現(xiàn)狀地形起伏較大，地面標高為98.00～112.95 m。

本工程場區(qū)建筑總平圖如圖1所示，擬支護邊坡位于場區(qū)南側，邊坡總長度約200 m，沿場區(qū)南側用地紅線分布，坡腳臨近擬建建筑物，擬建建筑物南、北兩側設計地坪標高相差近10 m。建筑物基礎外邊線距離用地紅線約5 m，支護結構位于用地紅線與建筑基礎外邊線之間，在有限的空間內(nèi)，既滿足開挖至建筑物基底標高時臨時基坑支護的要求，還要承擔永久工況下建筑物南北兩側的不平衡土壓力。

圖1 總平圖

1.1 場區(qū)環(huán)境條件

擬支護位置現(xiàn)狀地形為天然斜坡，坡頂現(xiàn)狀標高113.4～109.8 m，坡底標高105.2～98.2 m，場區(qū)周邊為現(xiàn)狀及規(guī)劃道路，無臨近建筑物，坡頂沿用地紅線有一排電線桿(可拆除)。坡頂紅線為規(guī)劃道路，道路寬度20 m，道路規(guī)劃標高116.1～107.7 m，西側高、東側低，道路南側為臨近項目規(guī)劃用地(未開發(fā))。本工程開工時，道路路面結構已施工完成。

1.2 水文工程地質條件

根據(jù)勘察報告，本工程場地地層分為人工填土層、一般第四系沉積土層、侏羅系龍門組基巖。人工填土層包括：碎石填土①層，雜填土①1層，黏質粉土填土①2層。一般第四系沉積土層包括：碎石②層(局部為塊石，夾粉質黏土②1、黏質粉土②2薄層及透鏡體)，粉質黏土②1層，黏質粉土②2層，碎石③層，粉質黏土—重粉質黏土③1層。侏羅系龍門組基巖包括：強風化粉砂巖④層,中等風化粉砂巖⑤層。

本工程在鉆孔深度以內(nèi)觀測到一層地下水，地下水類型為潛水，穩(wěn)定水位標高為90.60～94.56 m，歷年最高地下水位均接近自然地面。施工前根據(jù)臨近基坑開挖情況已知本基坑開挖范圍內(nèi)無地下水。

2 兩種工況下的邊坡高度

2.1 臨時工況下邊坡高度

坡頂規(guī)劃道路路面設計標高116.1～107.7 m，坡腳擬建建筑物基底標高93.4 m，基坑開挖后臨時邊坡高度14.3～22.7 m。

2.2 永久工況下邊坡高度

永久工況下的邊坡高度需要通過分析建筑結構兩側不平衡土壓力對建筑結構的影響后確定。

(1)建筑物不平衡土壓力計算

建筑物南北兩側地坪標高相差10 m，如果不采取任何支護措施，不平衡土壓力將直接作用在結構體系上。按照靜止土壓力計算不平衡力的大小，計算公式見式(1)、式(2)。

(1)

K0=1-sinφ

(2)

式中：E0——土壓力，kN/m；

K0——靜止土壓力系數(shù)；

γ——土體重度，kN/m3；

H——邊坡高度，m；

φ——土的內(nèi)摩擦角，(°)。

土體重度取19 kN/m3，不平衡土體高度H為10 m，土體等效內(nèi)摩擦角取為30°，代入公式(1)、(2)求得K0=0.5，E0=475 kN/m。即建筑物每延米的不平衡土壓力為475 kN。

(2)抗滑移驗算

R=μ·∑G

(3)

(4)

式中：R——抗滑力，kN/m；

μ——摩擦系數(shù)；

∑G——結構每延米重，kN/m；

K——抗滑移安全系數(shù)。

結構每層重按照15 kN/m2計算，∑G=1880 kN/m，地基土為碎石土，摩擦系數(shù)μ=0.4，代入式(3)求得R=752 kN/m。

將R、E0代入式(4)求得K=1.58>1.35，建筑物滿足抗滑移整體穩(wěn)定性的要求。

(3)結構體系計算分析

將不平衡土壓力加在結構體系上進行計算，發(fā)

現(xiàn)整個結構體系的變形很大，不滿足設計要求。同時考慮到地震工況下不平衡土壓力對結構體系影響的計算方法尚不成熟，如果將不平衡土壓力由結構體系承擔，會給整個結構體系帶來很大的風險。

綜上所述，結構專業(yè)提出采用支擋結構承擔建筑結構南北兩側不平衡土壓力，結構體系完全不考慮不平衡土壓力的作用。要求肥槽僅回填至103.00 m標高，103.00 m標高以上部分為永久性邊坡，永久邊坡高度4.7～13.1 m。為避免南側土壓力向建筑結構傳遞，在永久性支護結構與建筑外墻之間設置永久性結構空腔，空腔頂部采用結構外挑蓋板封閉。

3 支護方案選擇與設計

3.1 方案選型

按照建筑及結構單位的要求，支護結構與道路及建筑物的高程關系如圖2所示。此外要求支護結構頂部留不小于3 m覆土的空間，滿足預埋管線的要求。

圖2 支護結構與道路及建筑物高程關系典型剖面(單位：m、mm)

本工程臨時支護高度14.3～22.7 m，采用常規(guī)的樁錨支護體系能夠滿足本工程的要求。肥槽回填后永久支護高度4.7～13.1 m，比臨時支護高度小9.6 m，一般來講，這種情況下臨時工況是控制性工況，滿足臨時工況，永久工況自然就滿足了。但是由于本工程地層條件為土層，臨時支護選用了預應力錨索，根據(jù)相關文獻[3-7]和北京地區(qū)工程經(jīng)驗，土層中的預應力錨索隨著時間的延長會發(fā)生預應力損失，永久工況要滿足50年的服務期限，預應力錨索的作用大打折扣，為保證工程安全，永久工況設計計算時應不計錨索的作用。

臨時工況初步選用傳統(tǒng)的樁錨支護體系，護坡樁樁徑800 mm，樁間距1.6 m，配置多道預應力錨索；永久工況下不計預應力錨索的作用，按照懸臂樁支護結構進行復核計算。對于永久邊坡高度8 m以下的情況，樁徑800 mm，樁間距1.6 m的排樁體系只需要增大護坡樁的配筋就能滿足要求；當邊坡高度8～13.1 m時，樁徑800 mm的護坡樁按懸臂樁構件計算無法滿足支護要求，若為此增大懸臂樁的樁徑，則對于臨時支護是不經(jīng)濟的，施工上也不便利，綜合考慮，采用雙排樁支護體系，前排樁借用臨時支護的護坡樁，只需增設后排樁。增設后排樁后，考慮后排樁的作用臨時工況變化為雙排樁樁錨支護體系，較常規(guī)情況下的單排樁樁錨體系可適當優(yōu)化錨索的工程量。

綜上所述，各種工況下的計算模型匯總于表1。

表1 各工況計算模型

3.2 樁頂標高的確定

支護結構與建筑外墻之間設置永久性空腔，空腔頂部用結構外挑蓋板封閉，結構蓋板一側固定在結構外墻牛腿上，一側搭在支護結構上，因此支護結構頂標高應同結構蓋板板底標高。結構蓋板的板底標高全長范圍內(nèi)分為7段，由于結構蓋板的標高分段較多，為減少支護剖面數(shù)量，便于機械打樁施工，將樁頂標高合并為3種，分別為110.00 m、109.65 m、105.65 m，樁頂設置小擋墻，通過調(diào)整小擋墻的高度，滿足結構蓋板標高的要求。小擋墻的高度0.84～2.40 m，厚度400 mm，錨固在冠梁上，小擋墻按照懸臂梁構件進行計算配筋，做法如圖3所示。

圖3 樁頂小擋墻做法(單位：mm)

3.3 設計參數(shù)

(1)第一類典型剖面

臨時工況下基坑深度14.3～17.6 m，對應永久工況下邊坡高度4.7～8.0 m。臨時工況按照樁錨支護體系設置，選用直徑800 mm的護坡樁，排樁間距1.6 m，嵌固段4.5 m，設置3道預應力錨索。永久工況下按照懸臂樁進行復核計算，增大護坡樁的配筋，能夠滿足要求。典型剖面設計參數(shù)如圖4、圖5所示。

圖4 第一類臨時工況典型剖面(單位：mm)

圖5 第一類永久工況典型剖面(單位：mm)

(2)第二類典型剖面

臨時工況下基坑深度17.6～22.7 m，對應永久工況下邊坡高度8.0～13.1 m。臨時工況按照雙排樁樁錨支護體系設置，前排樁樁徑800 mm，樁間距1.6 m，樁長21.6 m，后排樁樁徑800 mm，樁間距1.6m，樁長18.6 m，排間距3.0 m，設置4～5道預應力錨索。永久工況下按照懸臂雙排樁進行復核計算，調(diào)整護坡樁的配筋。典型剖面設計參數(shù)如圖6、圖7所示。

圖6 第二類臨時工況典型剖面(單位：mm)

圖7 第二類永久工況典型剖面(單位：mm)

3.4 樁間土支護

103.00 m標高為永久工況和臨時工況的分界線，永久工況采用擋土板作為樁間支護，臨時工況采用鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土作為樁間支護?？紤]擋土板0.5 m的嵌固深度，以102.50 m標高作為兩種做法的分界線。

102.5 m標高以上設置永久性的擋土板，板厚度200 mm，配置雙層雙向鋼筋，考慮到工程的美觀性，將擋土板設置在樁的外側，通過L型植筋與樁體連接，做法如圖8所示。102.5 m標高以下采用常規(guī)的鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護，噴射混凝土厚度50 mm。

圖8 永久工況樁外擋土板做法

3.5 腰梁

雖然永久工況下，不考慮錨索的作用，但是由于錨索的預應力是隨著時間逐漸損失的，并會保留一定的殘余應力，仍可作為安全儲備，因此103.00 m標高以上的預應力錨索按照永久錨索的要求設置，做防腐處理、設置混凝土腰梁及封錨。103.00 m標高以下的預應力錨索按臨時工況的要求設置，做鋼腰梁，肥槽回填后，錨索服務終止。

3.6 嵌固段問題

由于本工程肥槽回填后，肥槽內(nèi)土體為永久性邊坡支護樁的嵌固段，回填土密實程度至關重要。設計要求：肥槽回填土應采用3∶7灰土，分層夯實碾壓，壓實度不小于0.95，施工中應嚴格控制回填土的施工質量，確保回填土的密實度；必要時也可考慮采用混凝土回填肥槽。

4 施工工藝及工序

本工程支護樁采用旋挖鉆機干成孔作業(yè)施工工藝，預應力錨索采用套管鉆機施工工藝。

采用逆作法施工：開挖至樁頂標高(樁頂標高與道路之間采用土釘墻支護)——施工前排樁和后排樁——鑿樁頭、施工冠梁處預應力錨索(第1道)、綁扎冠梁、連梁鋼筋——開挖第一層土——施工第2道預應力錨索——綁扎第一段擋土板及腰梁的鋼筋、澆筑擋土板及腰梁混凝土——開挖第二層土，重復上述步驟直至開挖至基底。

5 工程監(jiān)測

邊坡監(jiān)測方案按臨時工況與永久工況來考慮。監(jiān)測內(nèi)容為坡頂水平位移及沉降、樁頂水平位移及沉降、坡頂?shù)孛娉两?、支護結構深層水平位移、錨索拉力監(jiān)測。

目前本工程已開挖至基底，臨時工況接近完工狀態(tài)，根據(jù)基坑監(jiān)測的結果：坡頂土釘墻最大水平位移18.6 mm，最大沉降20.68 mm；樁頂最大水平位移為14.4 mm，最大沉降為14.16 mm；坡頂?shù)孛娉两底畲笾?8.15 mm；深層水平位移最大值2.26 mm，錨索拉力均在控制值范圍內(nèi)，選取典型剖面分析錨索應力隨時間的變化規(guī)律，如圖9所示。監(jiān)測結果表明：臨時工況下支護體系安全可靠，雙排樁樁錨支護體系的樁頂變形、深層水平位移較常規(guī)單排樁樁錨支護體系控制較好；錨索在150天施工工期時間內(nèi)已有一定的預應力損失。

圖9 錨索軸力-時間關系圖

永久工況下的變形還需持續(xù)監(jiān)測。永久工況下肥槽回填后邊坡高度變小，樁頂變形會先變小，隨著錨索的預應力逐漸損失，支護體系由樁錨支護體系逐步過渡到懸臂樁支護體系，樁頂變形又會逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定。對錨索預應力的持續(xù)監(jiān)測有助于研究土層預應力錨索預應力損失的變化規(guī)律。

6 結論

(1)該工程采用雙排樁、懸臂樁及樁錨支護體系聯(lián)合設計，同時滿足了臨時工況和永久工況的要求，安全、經(jīng)濟、合理，達到了預期的效果。這種設計理念可供后續(xù)類似工程參考。

(2)支護結構頂標高隨著結構外挑蓋板標高變化，分段較多，通過設置樁頂小擋墻，統(tǒng)一了樁頂標高，降低了施工難度，加快了施工進度。

(3)永久工況下，采用了外掛式的擋土板進行樁間土支護，擋土板布置在支護樁的外側，降低了施工難度，增強了工程的美觀性。

(4)監(jiān)測結構表明錨索預應力在施工期間會發(fā)生一定的損失，但碎石土地層短期內(nèi)的損失并不大，長期作用下預應力錨索在土層中的預應力損失規(guī)律還需要繼續(xù)研究，本工程永久工況下錨索預應力的監(jiān)測結果將來可為后續(xù)深入研究提供試驗數(shù)據(jù)。