鄧 超 杜應(yīng)平 田朋飛

（十堰城控建筑設(shè)計有限公司，湖北十堰 442000）

0 引言

在東部沿海城市以及中西部山區(qū)河漫灘地段，工程建設(shè)時經(jīng)常遇到土巖結(jié)合基坑邊坡。此類基坑邊坡往往具有明顯的“上軟下硬”特點(diǎn)，即上覆土層一般厚度不大，強(qiáng)度相對較低，但下部巖石較為完整，強(qiáng)度較高。當(dāng)基坑場地放坡受限，采用傳統(tǒng)的落底式排樁（樁錨、樁撐）體系支護(hù)時，支護(hù)樁在下部基巖中成孔難度大，工程代價高?？紤]到工程經(jīng)濟(jì)性與施工難度問題，很多地區(qū)的基坑工程技術(shù)人員開始嘗試將樁底只嵌入穩(wěn)定基巖頂部[1-2]；當(dāng)基坑開挖到底時，支護(hù)樁樁腳將“懸吊于”基坑中上部位置，稱之為“吊腳樁”[3]。支護(hù)結(jié)構(gòu)樁底巖肩預(yù)留寬度一般有限，當(dāng)“嵌固力”不足時，往往需在底部施加“鎖腳”錨桿（索）。同時，樁體中上部也需要多道錨拉結(jié)構(gòu)來解決樁體抗傾覆（變形）問題，常見的構(gòu)造形式如圖1所示。

圖1 “吊腳樁”支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面示意圖

隨著深層地下室建筑物爆發(fā)式增長，“吊腳樁”支護(hù)體系在土巖結(jié)合深基坑工程中取得了較大發(fā)展。劉紅軍等[4-5]、吳 騰[6]、李洪曉[7]運(yùn)用有限元方法結(jié)合基坑監(jiān)測技術(shù)，闡釋了“吊腳樁”支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、變形規(guī)律；畢經(jīng)東等[8]、趙文強(qiáng)[9]、岳建國等[10]認(rèn)為“吊腳樁”支護(hù)體系計算時，可按“零嵌固”樁體進(jìn)行彈性抗力分析，下部巖體按傳統(tǒng)巖石噴錨結(jié)構(gòu)計算；趙文強(qiáng)[9]、劉 江[11]、郭鵬舉[12]結(jié)合實(shí)際工程案例，闡述了“吊腳樁”的適用地層、施工方法及工程風(fēng)險等問題。

同時，“吊腳樁”支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也存在明顯的局限性。首先是計算理論尚不清晰，目前相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)規(guī)范中還沒有對此類“上下組合型”支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)定和說明。巖土設(shè)計人員只能依靠經(jīng)驗(yàn)，通過傳統(tǒng)“等值梁法”、“彈性抗力法”等理論進(jìn)行簡化設(shè)計，導(dǎo)致支護(hù)設(shè)計或偏于保守，或安全儲備不足。再者，當(dāng)前城市工程建設(shè)中，深基坑周圍限制因素較多，如當(dāng)上部土層中存在“地下管網(wǎng)”、“臨近建筑物基礎(chǔ)”等障礙物時（如圖1所示），樁體中上部錨拉體系無法進(jìn)行施工，上部土體安全便無法保證。若樁體改用內(nèi)支撐方式，同樣存在豎向支承樁（柱）施工困難，支護(hù)代價較大等問題，因此將失去適用性。

為解決上述土巖結(jié)合深基坑支護(hù)問題，本文以鄂西北十堰市城區(qū)某超高層建筑的深基坑支護(hù)工程為例，介紹一種逆作法墩式擋墻的設(shè)計、施工方法。墩墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工表現(xiàn)形式為排墩（樁），但其受力形式、設(shè)計原理、構(gòu)造方式均為重力式混凝土擋墻，因此稱為逆作法墩式擋墻。工程實(shí)踐表明，逆作法墩式擋墻計算原理清晰，對周邊環(huán)境保護(hù)較好，且具有施工便利、造價經(jīng)濟(jì)等顯著優(yōu)勢。

1 工程概況

某深基坑工程位于十堰市城區(qū)百二河（漢江支流水系）河漫灘區(qū)域，基坑開挖深度19.6 m，周圍環(huán)境如圖2所示。

圖2 某深基坑工程平面位置圖

根據(jù)巖土工程勘察成果，基坑上覆第四系覆蓋層厚5.0～6.5 m，由上至下地層分別為：素填土厚1.5～2.0 m，砂卵石厚3.0～4.5 m。以下為分布穩(wěn)定的強(qiáng)風(fēng)化?微風(fēng)化鈉長石英片巖，其中強(qiáng)風(fēng)化?中等風(fēng)化巖分布較薄，厚度不足1 m，其下為即為深厚堅硬的微風(fēng)化巖層，各巖土層設(shè)計參數(shù)見表1。

基坑四周緊鄰重要市政道路（路肩下部存在管線）和已建多層住宅（含地下室），無放坡空間，且上部土體拉錨受限。若采用常規(guī)支護(hù)樁結(jié)構(gòu)，樁底須深入基坑底5～8 m，則樁長至少需要25 m；在堅硬巖層中開挖成孔，施工極其困難，周期長，代價高。若按“吊腳樁”理論設(shè)計，基坑邊坡下部微風(fēng)化片巖自穩(wěn)性好，傳統(tǒng)噴錨方案即可解決整體穩(wěn)定性問題；但樁體中上部因基坑側(cè)壁土層存在障礙物，無法施工斜向錨桿，樁體位移無法保證。通過對基坑周圍情況的綜合分析，并結(jié)合本地區(qū)類似工程經(jīng)驗(yàn)，最終選取逆作法墩式擋墻+巖石噴錨方案進(jìn)行支護(hù)，取得了較好的支護(hù)效果。

2 逆作法墩式擋墻的設(shè)計與施工

2.1 逆作法墩式擋墻的設(shè)計原理

從20世紀(jì)60年代起，重力式擋墻就開始在我國鐵路、公路工程的邊（滑）坡治理中得到充分運(yùn)用[13]，多以路肩（路堤）墻、路塹擋墻的形式出現(xiàn)。隨著各級城市大規(guī)模基建活動的興起，各類重力式擋墻被引入建筑邊坡治理領(lǐng)域，相關(guān)的設(shè)計理論和構(gòu)造措施要求均比較完善。與建筑邊坡不同，城區(qū)深基坑支護(hù)中，周圍環(huán)境相對復(fù)雜，重力式擋墻截面尺寸相對較大，加之采用正作法施工需解決臨時邊坡開挖及其穩(wěn)定問題，因而不適用于基坑工程。

而此次設(shè)計采用的墩式擋墻方案能夠有效解決擋墻逆作法問題，從而保證基坑的開挖安全。深基坑上部采用逆作法墩式擋墻，即先采用人工或機(jī)械方式成孔，開挖墩底進(jìn)入基巖50 cm即可；隨后按設(shè)計要求施工豎向抗傾覆錨桿和抗滑移錨桿，再綁扎鋼筋籠，澆筑墩體。墩體澆筑完成后，用冠梁連接成為整體，等達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，再按逆作法分層開挖基坑，由上至下用素混凝土（也可適當(dāng)加入插筋）置換墩間土體，使墩與墩間置換體共同組成一道等寬的重力式混凝土擋墻。

受限于支護(hù)空間問題，此類墩式擋墻一般厚度不會太大，一般在1.5 m以內(nèi)。一般情況下，基坑邊線轉(zhuǎn)折弧度較大時（≥90°），墩式混凝土擋墻的截面強(qiáng)度和地基承載力均易滿足規(guī)范要求。但由于墻體寬度有限，抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定性往往難以滿足驗(yàn)算要求。為解決墩墻穩(wěn)定性問題，借鑒“吊腳樁”的加固方法，采用巖石錨桿彌補(bǔ)逆作法墩式擋墻抗滑移和抗傾覆不足問題。錨桿采用墩底豎向錨桿，也可以在墩墻底部打斜向鎖腳錨桿。簡言之，此類方法在深基坑上部土層采用逆作法墩式擋墻結(jié)合錨桿解決土層局部穩(wěn)定性問題，下部巖體采用巖石錨桿方案解決邊坡整體穩(wěn)定性問題。

2.2 逆作法墩式擋墻的構(gòu)造特點(diǎn)

與傳統(tǒng)重力式擋墻不同，墩式擋墻的構(gòu)造形式可總結(jié)為“地面開挖成墩、墩間置換成墻”，其組合形式與公路、鐵路中常見的“樁+墻”支擋結(jié)構(gòu)也有一定相似性。當(dāng)周邊建（構(gòu)）筑物較為重要時，基坑支護(hù)施工時可充分結(jié)合基坑變形監(jiān)測要求，按逆作法逐層開挖、置換，通過冠梁形成連續(xù)、完整的混凝土墻體，其構(gòu)造特點(diǎn)參見圖3。

圖3 逆作法墩式擋墻構(gòu)造平面圖

與“吊腳樁”構(gòu)造形式不同，墩式擋墻的墩長度一般不超過6 m，墩體直徑一般不超過1.5 m，墩身只需按基本構(gòu)造配筋即可，相關(guān)穩(wěn)定性驗(yàn)算及截面驗(yàn)算均按墩間重力式混凝土墻體進(jìn)行。與傳統(tǒng)重力式擋墻相比，墩式擋墻抗滑移、抗傾覆驗(yàn)算時還應(yīng)考慮墩底豎向錨桿以及斜向鎖腳錨桿的加固效果。同時，為加快施工進(jìn)度，當(dāng)墩底豎向錨桿能解決抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定性時，可不采用斜向鎖腳錨桿。墩底豎向錨桿施工后，應(yīng)與墩體鋼筋籠焊接一體后，再進(jìn)行墩體澆筑，如圖4所示。

圖4 逆作法墩式擋墻豎向錨桿構(gòu)造示意圖

2.3 逆作法墩式擋墻的計算方法

以上述深基坑工程為例，選取逆作法墩式擋墻的代表性計算剖面（見圖5）。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[14]中重力式擋墻的相關(guān)規(guī)定，同時考慮錨桿加固效果，墩式擋墻的計算（驗(yàn)算）流程如下：

圖5 逆作法墩式擋墻計算剖面圖

（1）土壓力計算

擋墻側(cè)向土壓力按直立式墻背考慮，縱向計算寬度B取兩墩中心距。主動土壓力計算公式如下：

式中： Ea為主動土壓力合力，kN；γ為墻后土體重度，kN/m3；c為墻后土體黏聚力，kPa；φ為墻后土體內(nèi)摩擦角，（°）； H 為墻后土體高度，m；Ka為主動土壓力系數(shù)；B為土壓力計算寬度，m。

（2）抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算

擋墻抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算截面為土巖交界面，滑移力為主動土壓力水平分力，抗滑力為墻底摩擦力及鎖腳錨桿錨固力的水平分力，驗(yàn)算公式如下：

式中：Fs為 擋墻抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)；G為擋墻自重，kN；Fv為 豎向錨桿的抗剪容許承載力，kN；F3為鎖腳錨桿的軸向設(shè)計錨固力，kN；α為鎖腳錨桿錨入角度，（°）；δ為主動土壓力與水平方向夾角，（°）。

（3）抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

擋墻抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算中心點(diǎn)取為墩底邊緣（靠近基坑側(cè)），驗(yàn)算公式如下：

式中： Ft為擋墻抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)；F1為外側(cè)豎向錨桿的設(shè)計錨固力，kN；F2為中部豎向錨桿的設(shè)計錨固力，kN； D′為 鋼筋籠直徑，m；h為 墩體嵌固深度，m；d為主動土壓力作用點(diǎn)與墩底距離，m。

（4）地基承載力驗(yàn)算

墩式擋墻基礎(chǔ)應(yīng)置于基坑下部穩(wěn)定巖體之上，驗(yàn)算公式如下：

①偏心距驗(yàn)算

式中：e 為擋墻底面偏心距，m； M為擋墻全部荷載對墻趾的彎矩，kN·m；W 為為擋墻全部豎向力之和，kN。

②承載力驗(yàn)算

式中： Pk為 擋墻基礎(chǔ)底面平均壓力值，kPa； Pkmax為擋墻基礎(chǔ)底面最大壓力值，kPa； D為擋墻寬度，m； A為計算底面積，m2， A=B×D 。

（5）擋墻截面強(qiáng)度驗(yàn)算

擋墻驗(yàn)算截面為土巖交界面，驗(yàn)算公式如下：

①抗壓承載力驗(yàn)算

若墩間墻填筑毛石混凝土，按式（15）驗(yàn)算：

若墩間墻填筑素混凝土，按式（16）驗(yàn)算：

式中： γ0為邊坡重要性系數(shù)； N為擋墻計算截面處軸力值，kN；f 為砌體抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，kPa； fcc為素混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，kPa。

②抗剪承載力驗(yàn)算

若墩間墻填筑毛石混凝土，按式（17）驗(yàn)算：

若墩間墻填筑素混凝土，按式（18）驗(yàn)算：

式中：V 為擋墻計算截面處剪力值，kN； fv為砌體抗剪強(qiáng)度設(shè)計值，kPa；δ0為 水平截面平均壓應(yīng)力，kPa；α′為砌體修正系數(shù)；λ為計算截面處的剪跨比。

下部基巖按巖石噴錨方案進(jìn)行設(shè)計，計算時可將上部擋墻、土體及地面荷載均按等效超載法考慮，相關(guān)方法較為常規(guī)，不再贅述。

2.4 逆作法墩式擋墻的施工流程

（1）預(yù)先平整場地，間隔跳挖墩孔，墩底施工豎向錨桿；然后及時下鋼筋籠澆筑低標(biāo)號混凝土，全部墩孔澆筑完畢后，施工墩頂冠梁。

（2）待墩體混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%以上即可分層分段開挖基坑土體，并加強(qiáng)基坑位移監(jiān)測；使用低標(biāo)號混凝土（土體自穩(wěn)性好時可使用毛石混凝土）置換墩間土體，使墩與墩間置換體形成整體。

（3）待墩間置換體強(qiáng)度達(dá)到70%后，方可分層分段開挖巖體，施工巖石錨桿及錨桿圍囹，直至開挖至基坑底設(shè)計標(biāo)高。簡要施工流程參見圖6?圖8。

圖6 墩體施工

圖7 墩間土體置換

圖8 基巖拉錨施工

3 墩式擋墻支護(hù)效果及對比分析

上述深基坑工程按逆作法墩式擋墻+巖石噴錨方案進(jìn)行支護(hù)，在基坑開挖及基礎(chǔ)施工期間，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，且擋墻頂部位移得到了有效控制（最大位移<30 mm），較好地保護(hù)了周圍重要市政道路及鄰近建筑物安全，支護(hù)效果實(shí)拍如圖9所示。類似墩式擋墻支護(hù)結(jié)構(gòu)先后在鄂西北多個土巖結(jié)合深基坑工程中成功應(yīng)用。

與傳統(tǒng)排樁（樁撐、樁錨）支護(hù)形式相比，逆作法墩式擋墻施工快、造價低。排樁在深厚堅硬微風(fēng)化巖體中成孔非常困難，單臺班旋挖機(jī)械成樁速度約為2 d/根；而墩式擋墻只需嵌巖50 cm，鉆進(jìn)速度快，單臺班旋挖機(jī)械成墩速度約0.5 h/根。在支護(hù)代價方面，傳統(tǒng)排樁支護(hù)每延米需要5.5萬元（初期方案預(yù)估價），而逆作法墩式擋墻+巖石噴錨方案每延米綜合造價不足2.5萬元，工程造價優(yōu)勢明顯。

與“吊腳樁”支護(hù)形式相比，逆作法墩式擋墻能解決上部土層因障礙物無法錨固的問題，設(shè)計原理有規(guī)可循，計算方法成熟、明確。且墩間土體置換成墻，與墩體連接連為一體，避免了常見的樁（墩）間土體擠出（變形過大）問題，對周圍環(huán)境復(fù)雜的土巖結(jié)合深基坑適用性更好。

同時，應(yīng)當(dāng)指出，逆作法墩式擋墻墻體寬度相對較小，當(dāng)墻體中上部不進(jìn)行拉錨時，抗傾覆能力有限，多適用于上覆土層7 m以內(nèi)的土巖結(jié)合基坑。

4 結(jié)論

逆作法墩式擋墻設(shè)計方案已在鄂西北多個土巖結(jié)合深基坑工程中成功應(yīng)用，相關(guān)成果可為我國其他地區(qū)土巖結(jié)合深基坑的設(shè)計、施工提供重要的方案參考，其基本特點(diǎn)和優(yōu)勢如下：

（1）支護(hù)施工便利：墩式擋墻結(jié)合了重力式擋墻設(shè)計方法以及“吊腳樁”的加固形式，采取“地面開挖成墩、墩間置換成墻”的構(gòu)造形式，施工過程快捷、便利。

（2）計算理論清晰：墩式擋墻設(shè)計時只需考慮墩底豎向錨桿及斜向鎖腳錨桿的加固效果，在傳統(tǒng)重力式擋墻計算理論的基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)即可，相關(guān)計算方法較為成熟、明確。

（3）支護(hù)安全性好：墩式擋墻采用逆作法施工，對上部土體的變形控制效果較好，能夠有效解決上部土層因障礙物無法拉錨的情況，可適用于基坑周邊環(huán)境復(fù)雜、上覆土層7 m以內(nèi)的土巖結(jié)合深基坑。

（4）工程造價較低：墩柱只需按基本構(gòu)造配筋，墩間墻體可采用素混凝土或毛石混凝土填充；相比于傳統(tǒng)排樁（樁撐、樁錨）支護(hù)方法，墩式擋墻工程造價較低，優(yōu)勢明顯。