文章编号：1009-0193(2000)01-0072-05
逆作法砖砌拱挡土墙支护结构的设计与施工
贺明卫1，罗启北2
(1.贵州工业大学研究生部，贵阳 550003；2.贵州工业大学土建系，贵阳 550003)
摘 要：
简述在相邻建筑物间开挖的一种支护方法, 及其施工方法、结构计算等, 最后给出工程实例。关键词：
深基坑；人工挖孔桩；支护结构；拱墙中图分类号：TU751.2；TU753.1 文献标识码：B
0 概 述
随着城市建设的发展，城市建筑物越来越密集,给一些建筑物的基坑开挖带来困难,在临近已有建筑物、道路、地下纵横交错管线的施工条件下,一般不允许(也不可能)采用比较经济
的放坡开挖, 需要在人工支护条件下进行基坑开挖。
对于深基坑的支护型式，常用的有:钢板桩支护、钢筋混凝土板桩、钻孔灌注桩、地下连续
墙、土层锚杆、深层搅拌水泥土桩挡墙、旋喷桩帷幕墙等。这些支护结构在我国各地均有应用,但它们也有各自的不足:即它们仅适用于大面积、大深度的基坑支护，又由于大多为专用施工机具进行施工,使得工程造价偏高。
在相邻两建筑物间,常有深开挖问题, 如: 地下化粪池、基坑开挖、截污沟、管道、电缆等施工。一般来说,由于造价原因,前述的支护方式无法运用到这类小面积基坑支护上, 有些面积小到施工机具都无法布置下来。
如何解决这类面积较小,但开挖深度又较大建筑物的施工期支护问题?我们在某工程化粪池深基坑施工中提出了一种方法:人工挖孔桩+拱墙支护型式,取得了良好的效果。
1 工程概况
该工程化粪池长宽为14.55×3.7 m，设计要求池基坑底入土5.1 m深。化粪池所在场地狭
窄：北侧是工程主楼地下室外剪力墙的填土区，在填土区内已建有3个直径为1 m、柱距为6.6 m的混凝土圆柱；南侧有一幢两层楼的商业办公用房，其基础与化粪池净距仅6.2 m，业主要求化粪池施工必须在不拆迁的条件下进行。已知已建的3个圆柱是在其基础上浇筑了5.2 m高后才回填土的，因此可以用作拱脚桩，在桩间砌砖拱墙。另外，在商业房与化粪池间再设3个拱脚桩，砌好桩间砖拱墙，即可组成一个完整的桩＋拱墙支护型式，见图1。
图1 基坑开挖平面示意图
逆作法砖拱墙支护型式的施工步骤为：
拱脚桩（人工挖孔灌注桩）→基坑土方开挖（每次挖深1.7 m）→桩间砌拱挡墙（可用混凝土预制块.片石.砖等材料），重复2.3步，直到设计标高。
在上述施工过程中，要求用圆木或钢管将桩身水平对撑支起，支撑位置及断面尺寸应由设计决定。
人工挖孔桩拱墙支护结构的特点:结构受力明确,只要土的力学指标准确, 可以较容易地避免支护结构因强度不足而产生破坏。另外,由于采用人工挖孔桩, 无需复杂机械，施工机具操作简单,占用场地小,对周围建筑物无影响;桩质量可靠,拱墙施工可全面展开;也可采用流水作业法,缩短工期。桩间距较护坡桩支撑大,因而降低了工程造价。
2 人工挖孔桩拱墙支护结构计算
考虑荷载：
１、土压力: 人工夯实回填土;２、水压力: 基坑外围深井抽水, 按天然地下水考虑;３、附加荷载: 按具体情况而定。
图2 填土表面上有局部荷载时的土压力
2.1 纵剖面上的土压力计算
填土表面上的均布荷载不是连续分布的，而是从墙背后某一距离开始，计算步骤如下：
自均布荷载的起点o作两条辅助线oa、ob，oa与水平面的夹角为φ，ob与填土破坏面平行，与水平面的夹角θ可近似采用（４５°＋φ／２）。oa、ob分别交墙背于a点和b点。可以认为a点以上的土压力不受表面均布荷载的影响，按无荷载情况计算，b点以下的土压力则按连续均布荷载情况计算，a点与b点间的土压力以直线连接，沿墙背面ＡＢ上的土压力分布如图中阴影所示。阴影部分的面积就是总的主动土压力Ｐa的大小，Ｐa作用在阴影部分的形水压力分布心处，土压力系数Ｋa值分别按朗肯理论或库伦理论计算。由于桩的埋置深度较小，故桩地面以下部分的土压力不予考虑。
（a）三角形分布 （b）梯形分布
图3
2.2 水压力的计算
作用于支护结构上的水压力，可按图（a）示的三角形分布计算。在有残余水压力时，则按图（b）所示梯形分布计算。
一般情况下，水压力是与土压力分别计算的，并采用静水压力的全水头，水的容重取γω＝１０kN/m3（重力密度），把水看作是：主动压力=静止压力=被动压力=γωh。
2.3 拱墙的应力计算
首先计算作用在拱墙上的土压力和水压力（计算方法同前），然后计算给定截面上的应力。
对拱墙进行受力分析时，按两铰拱考虑，如图所示。等截面圆弧两铰拱的内力可按下表查取。
表１ 圆弧拱内力计算表
表中q值为作用在拱墙上的水土压力值，拱截面任一点的内力为：
M=Mx0-Hyx
Nx=V0xsina+Hcosa
Vx=V0xcosa-Hsina
式中Vx0、Ｍx０——两铰拱计算截面相对应的简支梁截面内力。一般计算只需计算拱脚的内力。然后，按《砌体结构规范》ＧＢＪ3－８８对构件进行受压和受剪承载力的核验。
2.4 人工挖孔桩上的土压力计算
人工挖孔桩上的土压力等于自身所受的土压力以及桩拱墙传过来的竖直方向上的作用力之和。这样，可以求得任意截面上的土压力分布，从而可以求出开挖支撑上的土压力。
3 施工要求
3.1 拱脚桩
该基坑支护因合理利用了已建成的3个混凝土圆柱来做拱脚支座桩，因而其截面直径及配筋均比设计计算所需（D=0.8 m，配筋10Φ20）大得多，故不必对其加固。
新增的3个拱脚桩，采用人工挖孔灌注桩方法施工。考虑混凝土护壁厚度及桩所需入土深度，挖孔直径为1.0 m,桩深为6.0 m。人工挖孔要求按负方开挖，即先挖成毛孔，每挖1.0 m，用线锤找中投入孔底，打木桩定位画圆，再边挖边修混凝土护壁位置的土方、立模、浇混凝土护壁，以后同上工序操作一直到孔底设计深度。以保证桩外壁平直准确，便于砖砌反拱挡土墙，拱脚桩桩芯施工时，钢筋笼应绑扎牢实并安装到孔底，浇混凝土要密实，杜绝钢筋上浮、混凝土强度不足等弊病。
3.2 砖砌及反拱挡土墙
反拱挡土墙的矢高与跨度之比f/L，应考虑能满足施工要求的前提下，尽量减少挖土和砖拱砌体的工作量，f/L越小，工作量小，但受力条件不好。该基坑的拱墙f/L值，在化粪池两侧取0.1，在化粪池两端头取0.3。
当拱脚桩混凝土达设计强度70%时，将拱墙轴线准确施测后，便可进行基坑土方开挖。由于该基坑土质及回填的质量较好，每次挖深取1.2 m，分三次完成。土方开挖如遇地下水，应根据来水方向在基坑内设井点抽水，以避免带水作业施工。土方开挖顺序，不宜齐头并进，应先挖中央后挖拱墙的土方；应先集中挖好一拱跨后再挖另一拱跨。
拱墙可用混凝土预制块或整毛石块砌成，在临时支护及地下水位较低的地基中也可采用MU7.5以上的实心砖砌成。施工时，要按设计要求严格控制拱板的曲率半径，才能保证拱砌体截面的承压状态；砌体组砌方式也要正确，如砖砌拱墙砖与砖搭接长度不少于60 mm，浆砌砂浆的水平缝及竖缝均应饱满，使砌体质量良好；另外，拱墙背面与基坑土形成的缝隙，当较小时应采用随砌随用砂浆填实；当较大时每砌250～300 mm高用粘土及时填实，以增强拱墙与基坑土的摩阻力；加上上层砖拱砌完成形后，在土压力作用下，随截面轴压力的增大，拱的刚度也相应增加，这样不但可使施工第二层以下拱墙时，不会引起上层拱墙坍塌，对防止坑底土体隆起和管涌也有好处。
图4 逆作法反拱挡土墙施工
逆作法砖砌挡土墙的施工操作要点是：拱脚部分土方挖好，应立即安排进行浆砌作业，不能间断，一气呵成。顶层一个跨的拱墙处的挖土及砌拱，可不必沿拱跨再分段，可一次完成。
第二层以下的拱墙部分挖土和砌拱，应将一个拱跨等分为数段，分段去完成；为防止上层拱墙坍落，一般砌筑砂浆强度等级不小于M5，每段长宜不大于1.8 m。第二层以下拱墙的具体施工方法，现以该基坑为例（见图4）加以说明。
如图所示，该基坑纵向桩间拱墙净跨为5.6 m，第二层以下拱墙均分成3段施工，每段长1.87 m。拱墙部位的挖土及砌拱顺序：必须先施工拱跨两端①.③段，待上下层拱墙水平连接缝填塞砂浆，并每间隔250 mm木楔楔紧此水平灰缝后，再施工中部②段。这里还需注意在分段衔接缝处，要求砌筑砂浆必须饱满，其砂浆强度等级也应提一级。
3.3 水平支撑及回填土
水平支撑可用木柱或钢管制成，其截面尺寸及支撑位置由设计要求确定。当采用钢管支撑时，两端支撑点应垫有木枋，通过可调顶托紧紧顶在拱脚桩上，以免钢支撑直接顶到混凝土圆桩上发生滑脱，造成支撑失效事故。
当化粪池混凝土池壁施工至1.5 m高，经养护混凝土强度达到10 MPa以上时，即可将化粪池外壁涂刷沥青，在其四周用土分层夯填1.4 m高；然后，便可拆除池顶除支撑以外的支撑，继续施工完成化粪池主体结构，复在池壁外刷完沥青，边回收顶层拱墙用砖，边分层夯填土至池顶设计高度，拆除池顶支撑，施工即告结束。
4 小 结
采用逆作法反拱挡土墙作深基坑支护，设计计算方法合理，施工方案可行，经工程实践表明，是一次成功的尝试。它适合于场地狭窄，土质较差，边坡高且挡土墙需直立时的条件下应用。
该基坑设计除巧妙地利用原有3个混凝土深埋圆柱外，由于采取了措施，可减少拱脚桩埋置深度，可回收1／3的砖拱材料，可不必拆迁并保证临近商业办公用房安全使用的前提下施工，有明显的经济效益，而获得业主和有关单位的好评。
采用构筑物先施工一段，及时分层回填土来作为拱脚桩入土埋深的一部分，以减少拱脚桩总的挖孔制桩深度方法可行，但也存在着需增加构筑物施工一段间隙时间的缺点。如果池顶以下所有水平支撑，穿过池壁加套管，每根钢管支撑改用方便连接和拆卸的两节钢管来代替，便可施工和简化设计计算。
参考文献
［1］钱家欢．土力学［M］．南京：河海大学出版社，1995,139～173
［2］杨仲侯．结构力学［M］．北京：高等教育出版社，1992,21～52
Design and Operation of Bricked Arch Claybank
by Antidromic Method
HE Ming-wei1，LUO Qi-bei2
(1Graduate School,GUT,Guiang 550003;
2Department of Civil Engineering,GUT,Guiyang 550003)
Abstract：This paper presents a suporting method in digging between adjacent buildings,its operation and structural calculation,with a practical instance given.
Key Words：deep pit;manually digging pile;supporting structure;arch wall
收稿日期：1999-06-25