逆作拱墙支护结构是自上而下分层逆作施工的水平闭合或非闭合拱形挡土结构。逆作拱墙技术是将基坑或边坡开挖成圆形、椭圆形等弧形平面,并沿基坑或边坡侧壁分层逆作钢筋混凝土拱墙,利用拱的作用将垂直于墙体的土压力转化为拱墙内的压力,以充分利用墙体混凝土的抗压强度,达到支护结构所需的刚度及强度要求。在合理矢跨比下,拱形墙体结构水平方向主要以承受压力为主,拱内弯矩较小。

　　 《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—99) ^[1]把逆作拱墙列入支护结构选型表中,并对其适用条件,例如场地条件、拱墙矢跨比以及基坑最大开挖深度等提出具体的要求;并提出支护结构设计要因地制宜,充分利用基坑的平面形状,使基坑支护设计既安全又节省费用。

　　 逆作拱墙支护技术因其优越的受力特点,在工程中得到广泛的应用。天津开发区大型泵站深基坑 ^[2]、珠海市海滨广场基坑 ^[3]、广州东峻广场基坑 ^[4]、惠州市广信大厦基坑 ^[5]、柳州市某大桥超深锚碇基坑 ^[6]、广州市马涌1号泵站基坑工程 ^[7]均采用逆作拱墙支护技术。

　　 在实际应用过程中,由于设计、施工或现场管理等各方面的原因,部分采用逆作拱墙支护技术的基坑出现了严重的工程事故。1998年5月,珠海市拱北祖国广场基坑在施工过程发生基坑坍塌事故 ^[8],造成了很大的社会影响。

　　 贵阳渔安·安井温泉旅游城“未来方舟”B6组团沿南明河展开,用地狭长,地处山地且坡度较大,等高线成连续Z字形分布。基地西接规划道路十六,东临绕城高速,东西两侧平均高差约32m。建筑物与周边环境剖面关系详见图1。

　　 为了解决坡地建筑的消防问题,在B6组团北侧设置环形消防车道,该车道同时具备连通绕城高速与南明河侧规划道路十六的作用,详见图2。

　　 环形车道采用钢筋混凝土框架结构,内径27.2m,外径46.4m,车道宽度9.6m,环形车道总爬升高度为35m。

　　 场区为侵蚀-溶蚀型中低山河谷地貌,原始地势总体呈东高西低,地层为志留系高寨田组石灰岩、泥灰岩 ^[9]。场区内岩石节理裂隙较发育,岩体较破碎,岩层总体呈单斜产出,岩层产状为255°∠13°,层间充填物为泥质充填或泥质夹岩屑充填,岩体层面结合很差。场地岩土主要由素填土、硬塑红黏土及下伏志留系高寨田群薄至中厚层泥灰岩、厚层至块状石灰岩组成。

　　 地下水类型主要有上层滞水与基岩裂隙水,上层滞水主要赋存于松散层中,水量较小;地下水埋深较深,钻孔深度范围内未测到地下水位标高。

　　 场地原始地貌详见图3;沿环形车道支护结构范围主要地质剖面情况见图4(S_gz代表志留系高寨田群);各土层主要岩土参数见表1。

　　 边坡开挖后将形成长约93m,高17.6～32.2m的环形岩质边坡。根据地质调查以及钻探揭露,按各段边坡的岩土组成,将边坡分为8段,各段边坡的主要特征见表2。典型区段3边坡与支护结构的关系见图5。

　　 由于场地边坡属岩质顺向坡、切向坡,边坡存在外倾结构面,岩体较破碎。顺向坡可能沿层面滑动,切向坡可能产生沿岩体内部破裂角平面滑动。选取剖面1-1′～9-9′作为各段边坡的代表性剖面,根据各剖面的主要特征参数,计算边坡稳定系数。采用极限平衡法,假定某个断面附近的岩石由层面和节理裂隙切割成一个岩块进行模拟,根据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013) ^[10]平面滑动法计算公式,对各代表性剖面的边坡稳定性进行评价,计算结果见表3。

　　 各代表性剖面的边坡稳定性系数为:

　　 ${\rm K}{}_{\text{s}}=\frac{\gamma V\text{c}\text{o}\text{s}\theta \tan \phi +Ac}{\gamma V\text{s}\text{i}\text{n}\theta }(1)$

　　 剩余下滑力为:

　　 ${\rm T}=\gamma V\text{s}\text{i}\text{n}\theta -\frac{\gamma V\text{c}\text{o}\text{s}\theta \tan \phi +Ac}{\gamma {}_{\text{t}}}(2)$

　　 式中:K_s为稳定性系数;γ为岩土体的重度,kN/m³;c为结构面的粘聚力,kPa;φ为结构面的内摩擦角,°;A为结构面的截面面积,m²;V为岩体的体积,m³;θ为结构面的倾角,°;T为剩余下滑力,kN/m;γ_t为推力安全系数,取为1.3。

　　 从表3计算结果可知,该段边坡垂直开挖后,顺层边坡段稳定性较差,可能产生顺层滑移;切向边坡段稳定性较好,但由于边坡岩体较破碎,岩石竖向节理裂隙发育,边坡开挖后可能产生小规模滑塌。故必须采取措施对边坡进行支护,以保证边坡稳定。

　　 环形车道挡土结构为永久性结构,支护结构安全等级为一级,重要性系数γ=1.1。支护结构平面为半径25.7m的半圆弧(图6),场地顶部局部平整后,最大挡土高度为28m,剖面展开见图7(图中标高单位为m;A～K为表达平面与剖面的对应关系)。

　　 边坡支护结构采用拱形钢筋混凝土连续墙支护方案,平面上分成3个区段:两端各约16.1m长区段为嵌入坡底10m的人工挖孔支护桩,挖孔桩采用方桩,两个最端部桩截面尺寸为2.0m×2.0m(厚度),其余范围桩截面尺寸为2.0m×1.2m(厚度);中间约60.5m长区段为逆作施工的钢筋混凝土连续墙,连续墙厚度为1.0m。

　　 边坡支护结构充分利用逆作拱墙的空间受力特点,平面上土压力主要通过轴压力的方式沿着拱轴方向传至两端先行施工的人工挖孔支护桩区段。

　　 两端人工挖孔支护桩区段要求在土方开挖前采用人工开挖、小型水磨钻取芯掘进的施工方法进行施工,要求跳挖施工。相邻桩之间沿高度每2m距离设置0.4m×0.4m×0.2m(深度)抗剪槽,以确保两端人工挖孔支护桩区段能满足平截面假定条件,以抵抗中间钢筋混凝土连续墙区段传递而来的剪力及弯矩。

　　 中间约60.5m长钢筋混凝土连续墙区段结合土方开挖采用逆作法施工,沿支护结构每2.52m埋设ϕ273×16钢管混凝土柱,以其作为施工阶段钢筋混凝土连续墙的竖向支撑,自上而下分段浇筑钢筋混凝土连续墙,内埋钢管在整体支护结构完成后作为连续墙的受拉钢筋受力。为了确保连续墙边坡开挖的施工安全,增加锚杆对顶部开挖临界滑移面进行固结与裂缝填堵。

　　 考虑到本边坡的受力及破坏机制复杂,采用SAP2000 V14分析软件对边坡支护结构的施工过程进行模拟,考察每个施工步的结构承载力和变形。连续墙采用弹性壳单元模拟,钢管柱、锚杆采用弹性梁单元模拟。

　　 人工挖孔支护桩混凝土、钢筋混凝土连续墙的混凝土强度等级C40;钢管柱钢材Q345B,内填充M30水泥砂浆。

　　 两端人工挖孔支护桩最外侧槽段截面2m×2m,其余槽段截面2m×1.2m;中间连续墙厚度1m,钢管截面为ϕ273×16。

　　 根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012) ^[11]计算土压力:

　　 $\begin{array}{l}p{}_{\text{a}\text{k}}=\sigma {}_{\text{a}\text{k}}{\rm K}{}_{\text{a},i}-2c{}_i\sqrt{{\rm K}{}_{\text{a},i}}(3)\\ {\rm K}{}_{\text{a},i}=\tan {}^2\left(45°-\frac{\phi {}_i}{2}\right)(4)\end{array}$

　　 式中:p_ak为主动土压力强度标准值,kPa;σ_ak为支护结构外侧计算点的土中竖向应力标准值,kPa;K_a,i为第i层土的主动土压力系数;c_i为第i层土的的黏聚力,kPa;φ_i为第i层土的内摩擦角,°。

　　 对于中风化岩,取φ=30°,K_a=0.33;考虑到场区内岩石节理裂隙较发育,岩体较破碎,偏于安全忽略岩层的粘聚力;考虑坡顶超载10kN/m²,在坡顶以下h₀的主动土压力p_ak为:

　　 $p{}_{\text{a}\text{k}}=0.33\times (26.5h{}_0+10)=8.745h{}_0+3.3$

　　 式中h₀为计算点离坡顶的深度,m。

　　 支护结构侧面与土体的接触面按只受压弹簧考虑,对中风化岩,取面弹簧刚度为1 000N/mm³。连续墙下端置于中风化岩上,土弹簧为只受压弹簧,弹簧刚度取3 000N/mm³。钢管柱底部按不动铰支座考虑。

　　 第1步:施工两端的人工挖孔支护桩、中间区段的钢管柱。人工挖孔支护桩、钢管柱均进入坡底中风化岩10m,平整后坡顶距坡底最高28m,见图8(a)。

　　 第2步:施工第1层连续墙。从坡顶往下开挖5.0m的土方,利用钢管柱作为支撑,单侧支模板施工钢筋混凝土连续墙,连续墙纵筋底部预留钢筋连接器与下层连续墙纵筋连接,见图8(b)。

　　 此时连续墙与两侧已施工区段未形成闭合的拱,在支护结构侧面增加间距2.52m×1.5m、长度12m的土钉以维持施工过程的边坡稳定。

　　 第3步:施工第2层连续墙。按照逆作法施工顺序,继续往下开挖3.0m的土方,连续墙纵筋通过钢筋连接器与上段纵筋连接,单侧支模板施工钢筋混凝土连续墙,连续墙纵筋底部预留钢筋连接器,见图8(c)。

　　 第4～8步:施工第3～7层连续墙。分段重复以上施工步骤,每层开挖深度为3.0m,第4步完成后连续墙与两侧区段开始形成闭合的拱,见图8(d)。

　　 第9步:施工第8层连续墙。重复以上施工步骤,此步骤完成后连续墙底部离坡底距离为2m,见图8(e)。

　　 第10步:施工第9,10层连续墙。当开挖土方至边坡底时,预留2.0m的空间(第9层)暂不施工,然后继续开挖至边坡底以下3.0m(第10层),绑扎连续墙钢筋后一并浇筑底部的钢筋混凝土连续墙。此时,边坡支护结构整体组装完成,见图8(f)。

　　 施工过程主要阶段现场实景见图9。

　　 施工完成后的支护结构的变形及内力见图10～12。

　　 (1)施工过程支护结构的最大位移:X向24.6mm(面内),Y向-45.0mm(面外指向边坡临空面),竖向-8.3mm(向下),均发生在支护结构的中部,见图10(a)。

　　 (2)钢管柱最大轴压力为-2 260kN,最大轴拉力为1 207kN(图10(b)),钢管柱承载力满足要求。本支护结构为非完全对称拱,在支护结构施工及使用过程中,其整体受力类似于一个悬臂构件。在土压力产生的整体弯矩作用下,受拉侧的钢管产生拉力,当在整体弯矩作用下钢管拉力大于连续墙自重作用下钢管产生的压力时,钢管处于受拉状态。

　　 (3)中间区段水平方向内力:绝大部分区域为轴压力,最大值-6 522kN/m。水平方向的局部弯矩最大值发生在施工完成后,为596kN·m/m,此时同一位置水平轴压力为-2 184kN/m,按压弯构件验算,实配钢筋满足承载力要求。

　　 局部轴拉力发生在顶面左上角,最大拉力为2 203kN/m,此时同一位置水平弯矩180kN·m/m,施工图中在剪力墙顶设高度1m的冠梁,按拉弯构件验算,实配钢筋满足承载力要求。

　　 (4)中间区段竖直方向内力:受分段施工影响,中间局部区域竖向轴力为拉力,最大363kN/m,此时同一位置的竖向弯矩为435kN·m/m,按拉弯构件验算,实配钢筋满足承载力要求。

　　 其余区域竖直方向轴力为压力,最大为-2 341kN/m;此区域最大竖向弯矩为257kN·m/m,此时同一位置的竖向轴压力为-545kN/m,按压弯构件验算,实配钢筋满足承载力要求。

　　 (5)两端区段水平方向内力:取受力较大的左端区段进行验算,水平方向主要承受中间区段传递的水平力,表现为剪力较大,由于区段内各槽段通过抗剪槽有效咬合,区段整体抗剪,在坡底标高全截面最大剪力为63 611kN,按整截面抗剪验算,实配钢筋满足承载力要求。

　　 区段内水平方向最大弯矩为231kN·m/m,实配钢筋满足局部抗弯要求。

　　 (6)两侧区段竖直方向内力:取受力较大的左端区段进行验算,施工过程中最大竖向弯矩发生在施工完成后的最外侧槽段,为4 798kN·m/m,此时同一位置的竖向轴压力为-16 297kN/m,最外侧槽段的横截面为2m×2m,按压弯构件进行验算,实配钢筋满足承载力要求。

　　 区段内最大竖向拉力发生在施工完成后的最内侧槽段,为6 449kN/m,此时同一位置处弯矩接近于零,取最内侧槽段按轴拉构件进行验算,实配钢筋满足承载力要求。

　　 (7)支护结构周边岩(土)层承载力:施工过程中岩层受到的最大土压力为9.43MPa,小于中风化岩承载力特征值9.7MPa,地基承载力满足要求。

　　 根据上述计算结果,人工挖孔桩ZH1～ZH4及中间区段连续墙配筋如图13,14所示。

　　 为考察边坡支护结构在施工过程以及支护结构完成正常使用过程的位移变化情况,要求在第1层连续墙施工完成后,对边坡支护结构的沉降以及水平变形进行监测,监测数据可作为项目验收及存档资料。

　　 本工程2015年11月开始两端人工挖孔支护桩区段及中间区段钢管柱施工,2016年7月最后一层连续墙施工完成。根据施工期间变形监测资料 ^[12],支护结构两端区段顶点位移一般为7.2～13.9mm,最大位移为16.6mm。中间区段顶点位移一般为2.4～5.8mm;中间区段测斜孔施工期间面外最大测斜位移为10.0mm,面内最大测斜位移为3.0mm,位于坡顶以下8.5m处。

　　 本支护结构为永久性,正常使用期间继续进行变形监测。根据长期变形监测资料 ^[13],支护结构施工完成后变形基本稳定,中间区段测斜孔2017年11月面外最大测斜位移为13.7mm,位于坡顶以下8.5m处,测斜位移方向为面外指向边坡临空面方向。

　　 边坡支护结构的变形满足设计及规范要求。

　　 由于场地内岩层节理裂隙较发育,节理面结合很差,因此在模拟分析时,将岩层当作节理各向充分发育、无粘聚力的散体材料,土压力计算时偏于安全地忽略岩层的粘聚力,并据此计算主动土压力,导致实际上高估了作用在支护结构上的土压力。另外,由于土拱效应使得实际的土压力减小。这是支护结构实际变形远小于施工过程模拟的支护结构变形的主要原因。

　　 (1)本工程环形消防车道边坡支护结构,采用拱形钢筋混凝土连续墙支护方案,能满足边坡支护结构设计及规范要求。

　　 (2)通过两端先施工的人工挖孔支护桩,形成嵌入坡底的悬臂构件,给中间区段的钢筋混凝土连续墙提供约束支座,能充分发挥拱形钢筋混凝土连续墙支护结构的空间受力特点,提高支护结构效率。

　　 (3)本项目采用的逆作拱墙支护方案,边坡支护结构自上而下分层施工可与挖土同步交叉进行,施工速度较快。本项目支护结构总造价约为1 500万元,相对于方案比选阶段对比的、当地类似地质情况普遍采用的抗滑桩加预应力锚索的支护方案,能节省造价约3 000万元,经济效益显著。

　　 (4)通过根据规范计算公式对各代表性剖面的边坡特征分析及边坡稳定性进行评价、对支护结构进行施工过程的模拟分析、结合施工期间以及长期变形监测数据,可对支护结构的受力及变形进行综合评估。