某基坑土钉墙支护的思考与探讨
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摘要：以某基坑工程为案例，就土钉墙在“上硬下软”地层组合中的应用、其设计和施工应注意的问题进行了探讨，供相似工程借鉴。
关键词 土钉墙 “上硬下软”地层 思考与探讨
1. 前言
在西安渭河低级阶地上，可见上部为黄土状土、下部为淤泥质粉质粘土的“上硬下软”的冲湖积地层组合。尽管土钉墙不适宜淤泥和淤泥质土，但该淤泥质粉质粘土多为夹层状，厚度不大或由于设计认识不足等原因，土钉墙在这种“上硬下软”地层组合中常被采用。地层组合的特殊性决定了土钉墙的设计、施工不能按照一般粘性土或一般湿陷性黄土对待，否则，在基坑环境因素发生变化时，会产生诸多安全隐患，甚至造成安全事故。
某基坑位于西安市北三环，东西长260m，南北宽180m，开挖深度8.0m。地貌单元为渭河一级阶地，地层自上而下依次为人工填土①层、硬塑状黄土状土②层、软塑状淤泥质粉质粘土③层、中密粉细砂④层和中粗砂⑤层。构成基坑边坡的地层为①、②、③层，形成了“上硬下软”的特殊地层组合。①层厚1\2m，②层厚4-6m，③层呈不连续分布，一般厚度1-2m，最大厚度3.0m。地下水位埋深12.4m。
设计采用土钉墙支护。支护工程施工中和施工完成后一段时间，恰逢多雨天气，基坑北侧、南侧东部、西侧南部在不同时间出现了不同程度的坍塌。
立足地层的特殊性，坚持动态设计和信息法施工的原则，根据不同区段事故的不同诱因，采取不同的处理措施特别是对原坡线和坡比进行了修正，并给予及时实施，满足了地下空间的施工要求。
2. 坍塌诱因及处理
基坑北侧硬塑状黄土状土②层厚达5.0m，③层淤泥质土厚度仅为1.0m，土钉墙完成后，发现坡顶向下2-3m范围内混凝土面层干湿交替出现，与降雨相吻合。经查，距坑边水平距离1.5m、深度2.0m处埋置一东西向直径500mm、未被先期发现的废弃排污管道，有大量污水存在。调查当天再降暴雨，场地外市政管道排泄不畅，污水回流进入该管道，在场地西北角击穿管道接口，进入坡体土层，同时击穿土钉墙面层，在坡面上喷涌而出似瀑布，②、③层土完全饱和，暴雨期间即发生坍塌，出现险情到坍塌持续时间0.5h。
对基坑环境因素认识不足、未查明地下管线的存在成为诱发坍塌事故的人为因素。处理方案为：挖除东西向废弃污水管道，封堵两端管口，在原管道底面处留置1.5m宽平台，其下坡比由1：0.3变为1：0.5，土钉参数不变。动态设计前后坡线、坡比对比图如下。
场地南侧坡线为平台+折线型，上部3m按1：0.3放坡，平台宽4m，下部5.0m按1：0.4放坡，下部边坡由②层和③层构成，③层厚度达3m。土钉墙完成两个月后，平台下5.0m高的边坡出现裂缝，之后坍塌，持续时间4h。经查，雨期主体施工方抽排坑内积水，排水口在东南角围墙处，距坑边仅为5.0m，围墙外形成长期性的大面积积水，水深0.5m，积水渗入边坡土层回流基坑，在坡脚现多处溢水泉眼。抽排雨水变成“对基坑边坡土体进行抗渗流试验”，③层土由软塑渐变为流塑状，抗剪强度降低，土钉抗拔作用失去；同时经调查，在开挖4.0m宽平台时，大型挖机碾压使靠近坡面一侧的履带下土体下陷约0.4m，土体中出现潜在裂缝，回灌水沿该裂缝由东向西运动软化土层，滑面追踪该裂缝产生，坍塌后该裂面和裂面上擦痕清晰可见。
1）、“上硬下软”地层组合的基坑支护设计风险性较高，设计必须分阶段进行，遵循动态设计原则，设计准备―概念性设计―施工图设计―施工设计―设计变更，段段深入，层层进步。对场地环境因素和工程地质条件有深入、全面、动态的认识和掌握，在不同设计阶段给予充分的考虑和修正。
2）、“上硬下软”地层组合的基坑工程失稳多与水有关。对各种给排水管道的位置、走向、埋深、尺寸、接口或潜在漏水点的位置、地表水流向、汇集区、生产生活用水的情况，要通过资料收集、现场踏勘、询问调查、信息反馈等手段，采用动态控制模式。在“上硬下软”地层组合的基坑工程中“水”的破坏性远大于其对一般基坑工程的作用。水是外因，它来源于地质体之外；水又是内因，它是地质体的组成部分。“上硬下软”基坑工程支护设计中，必须对“天然状态”和“饱水状态”两种情况给予充分考虑，设计说明中对“水因素”的管控要给予重点阐述。
3）、“上硬下软”地层组合中土钉墙设计计算，不仅要进行抗拉、抗拔、整体稳定性、面层强度验算，而且必须采用饱水状态下的物理力学指标对基坑边坡稳定性进行验算，特别要对“下软土层”采用饱水条件的抗剪强度指标进行抗拉、抗拔、整体稳定等验算。
由于地层的特殊性，“上硬下软”地层组合的基坑边坡安全系数的控制值应比规范规定值有所提高。一、二、三级边坡的整体稳定性K值可分别取1.5、1.4、1.3，而饱水状态下安全系数宜不小于1.3。也就是说：与一般粘性土或黄土构成的边坡相比，“上硬下软”基坑边坡工程须保留更大的安全储备。
4）、“上硬下软”地层组合的基坑工程，须按地基软弱下卧层强度验算的理论，对下软地层进行下卧层强度验算。强度不满足时，说明下软土层在上覆应力作用下会发生冲切破坏、其无自稳能力，基坑开挖时就存在较大的安全风险，当下软土层厚度较大时不适宜单独采用土钉墙进行支护。
5）、对“上软下硬”地层组合，进行基坑支护设计时，坡线型式和坡比大小对基坑边坡的稳定性的影响是巨大的。坡线多应采用折线+台阶型，特别是基坑深度较大时，不宜采用一坡到顶，台阶的位置、宽度设置恰当，可大大提高基坑边坡的整体稳定性；坡度能缓则缓，不可过陡，根据地层等因素的不同，不同层位宜采用不同的坡比。
6）、“上硬下软”基坑工程动态设计的信息收集、反馈、管理、运用、必须动态进行。及时进行设计变更，调整坡比、留置平台、加固坑内软土。必要时采用搅拌桩、微型桩、钢管桩、降水疏干等预处理措施，形成复合土钉墙。
4.结语
土钉墙在“上硬下软”的基坑工程中应慎重采用。应结合缓坡度、多坡比、留平台、预处理、复合型等技术措施进行设计；必须进行饱水状态下的强度（包括抗拉、抗拔、整体稳定、面层强度等）验算，保留较大的安全储备；必须对下软土层进行下卧层强度验算。
“上硬下软”基坑开挖、支护施工须坚持“两分三严禁”原则。即分层分段开挖、分层分段作业，严禁超挖、严禁超载、严禁坡顶机械碾压。
“上硬下软”基坑工程从设计到施工必须动态地重点关注“基坑环境因素”，特别管控好“水”因素，安全危害起源于“水”。
动态设计和信息法施工的思想贯穿“上硬下软”基坑工程设计和施工的全过程。
参考文献：
1.《湿陷性黄土地区建筑基坑工程安全技术规程》JGJ167―2009
2.《建筑深基坑工程施工安全技术规范》JGJ311―2013
3.《浅议复合土钉墙在西安城市建设中的应用前景》卢晓明 城市建设理论研究 2012.3