土钉墙技术在深基坑工程中的应用.docx

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土钉墙技术在深基坑工程中的应用

土钉墙技术在深基坑工程中的应用

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KG-AO-2362-98

土钉墙技术在深基坑工程中的应用

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　　近年来，在基坑施工过程中，由于未按土质情况设置安全边坡和做好固壁支撑，导致坑壁坍塌事故比例增大。

因此，《建筑施工安全检查标准》（JGJ59-99）将基坑施工列为一项安全检查内容，并要求对于较深的基坑必须进行专项设计和支护。

目前，深基坑支护已经有多种较为成熟的技术，土钉墙支护是其中一种比较新颖的技术。

　　1.土钉墙壁支护结构的特点及适用范围

　　土钉墙支护结构是一种原位土体加固技术，它是将土钉安设或打入基坑边坡土体内，将土体加固成能自稳的重力式的挡土结构。

该项技术形成于20世纪70年代，1980年，我国首次将该项技术应用于山西柳湾煤矿边坡支护工程（开挖深度10.2m，坡度α=80°）。

20世纪90年代以来，我国有不少工程专家和学者对该项技术进行了深入的研究和应用，证实它是一种技术可行、安全可靠、经济效益可观的技术，并已将其成功地应用于非软土场地基坑支护，基坑深度已突破20m。

　　在工作机理上，土钉墙是高强度土钉、网喷混凝土面层及原状土三者共同受力，增强了土体破坏延性，很好地改变了边坡突然塌方的性质，有利于安全施工；在工艺上，采用了边开挖边支护的方法，工作面不受限制，缩短了工期；在投资方面，因土钉利用了土体的自承载能力，使基坑周围土体转化为支护结构的一部分，经济效益可观。

　　土钉墙支护一般适合于地下水位以上或经过降排水措施后的素填土、普通粘性土、粘性的砂土和粉土等较均匀土体边坡。

近年来，该项技术在东南沿海地区的基坑开挖中得到迅速的发展，不仅在砂性土的基坑开挖中广泛应用，而且在填土和软弱土层中也得到成功应用。

利用水泥土桩组合式土钉墙支护技术，使该项技术能够应用在下降水的高水位地层。

当场地同时存在土层和不同风化程度岩体时，应用土钉墙支护特别有利。

土钉墙支护的应用范围非常广泛，主要有：

　　1.1土体开挖时的临时支护。

用于高层建筑等深基坑开挖，地下结构施工开挖，土坡开挖等。

　　1.2永久挡土结构。

这类工程一般与施工开挖时的临时支护相结合，如隧道洞门端部挡墙和洞口两侧挡墙，路堑土坡挡墙、桥台挡墙等。

　　1.3现有挡土结构和支护的修理、改建下抢险加固。

如各类挡土墙的维修和加固，以及各类支护发生失稳或变形过大时的抢险加固等。

　　1.4边坡稳定。

用于加固可能失稳的堤坡。

　　2.土钉墙的构造

　　土钉墙结构由土钉和面层两部分构成，土钉主要包括钻孔注浆土钉和打入式土钉两种形式。

　　钻孔注浆土钉为最常用的土钉，一般采用φ6~φ32mm的HRB335、HRB400钢筋，置于φ70~φ120mm钻孔中，采用强度等级不低于M10的水泥将或水泥砂浆注入孔中形成。

水泥浆水灰比一般为0.5左右，水泥砂浆配合比一般1：

1~1：

2，水灰比为0.38~0.45。

注浆土钉设定位支架以使钢筋居中，孔口宜设置止浆塞及排气管。

　　打入式土钉一般采用钢管材料打入土中形成。

打入式土钉一般钉长短较施工简单快速，但不易用于密实胶结土中。

当打入钢管为周围带孔的闭口钢管时，可在打入后管内注浆，增强土钉与土的粘结力，提高土钉的抗拔能力。

注浆方式有低压注浆与高压喷射注浆等方式。

　　土钉长度一般为开挖深度的0.5~1.2倍，间距为1~2m，与水平夹角一般为5°~20°，适用的土钉墙墙面坡度不宜大于1：

0.1。

　　面层为土钉墙的重要组成部分。

一般由φ6~φ10mm、间距150~300mm的钢筋网，强度等级不低于C20的喷射混凝土组成，面层厚度一般为80~150mm。

为保证土钉与墙面的有效连接，可采用加强钢筋与土钉和分布钢筋连接，也可采用承压垫板方法连接。

　　3.增加土钉抗拔力的措施

　　在墙土的软弱土层中，或在土质较好，但由于周边环境约束，土钉的设计长度受到限制时，为增大土钉的抗拔力，除了调整土钉的水平和垂直距离外，还可考虑采用以下几方面措施：

　　3.1加大土钉的直径。

适当加大土钉的直径是提高土钉抗拔力的一个途径。

根据工程实践，当土钉直径加大至120mm时，在砂性土中抗拔力可提高至16N/m，在填土中可提高至13kN/m。

　　3.2提高注浆压力。

提高注浆压力可以增大锚固的体积，从而提高锚固体与洞周壁的粘接力和两者之间的摩阻力。

杭州地区目前采用的注浆压力一般不小于0.4MPa，但当注浆压力提高至不小于0.8MPa后，土钉的抗拔力有明显的提高。

　　3.3进行二次注浆。

如果仅一次注浆，由于注浆洞口上端是开启的，注浆压力不会太高，锚固体与洞壁的土体的粘结力和两者之间的摩阻力均较低。

二次注浆可以提高锚固体与土体间的摩阻力，使土体对锚固体的压应力的最大值达到该深处的土自重应力。

当一次注入的水泥砂浆即将初凝时，再用水泥浆压力注入，由于第一次水泥砂浆封盖，二次注浆的压力可以控制到较大值，使水泥浆渗入土体中，并使土体对锚固体的压力达到土体在该处的自重值。

一次注浆压力应不小于0.4MPa，二次注浆压力可增大至不小于0.8~1.2MPa。

　　4.复合土钉墙技术

　　近年来，上海地区在应用土钉墙技术过程中，逐步总结出一种经过改良的复合土钉墙技术。

这种复合土钉墙在被加固的土体内，除了设置短而密的土钉外，还在基坑的临空面设置有适当宽度并插入坑底一定深度的水泥搅拌桩。

由于设置了水泥搅拌桩，防止了坑底的隆起和管涌，并建立了一道止水帷幕，形成封闭的防水系统；其次，形成了自立高度，提高了基坑边坡开挖阶段的稳定性。

复合土钉墙是基坑支护设计的一种新技术，对于在类似软弱土层中进行支护设计有重要的借鉴作用。

　　5.土钉墙施工的一般原则和要求

　　土钉墙支护作为一种挡土结构应满足规定的强度、稳定性、变形和耐久性等要求。

当土钉墙支护用于城市建筑物密集地区的深基坑开挖时，控制与限制支护的变形就变得更为重要。

深基坑开挖土钉墙支护的施工具有下列特点：

　　5.1施工过程中必须自始至终与现场的测试监控相结合，通过变形等测量数据和施工过程，不断发掘现场地质情况，及时指导下一步的施工。

　　5.2要充分考虑地表径流和地下水的影响。

如施工时渗水严重，就不能喷射面层混凝土，而且容易引起塌坡和塌孔。

当地下水的流量较大，施工时应采取专门措施降低地下水位。

竣工后的支护在地下水位的作用下，其面层压力和土钉内力均会有明显增加，尤其是粘土的抗剪能力及粘土中的土钉抗拔粘结能力与含水量有很大关系。

　　6.土钉培应用实例

　　6.1工程情况

　　广州某商住楼工程，地下22层，地下二层结构，基坑深度12m。

如图所示。

该工程场地三边有建筑物，一面邻街。

边坡自上而下地质情况如下：

　　图主钉墙剖面图

（1）人工堆积层，厚度约2.4m，包括粉质填土、建筑废渣土，密实度为中下。

（2）砂质粘性土，厚约5m，中密。

　　（3）砾质粘性土，厚约8m，中密。

　　（4）全风化花岗岩、强风化花岗岩。

　　场地地下水位为5m左右，土质渗透系数较小。

　　根据该工程所在场地的工程、水文地质情况及周边环境，并综合考虑造价、工期和技术可行性等因素，决定采用土钉墙结构护坡。

采用土钉墙比灌注桩和地下连续均可节省投资。

　　6.2土钉墙支护设计

　　6.2.1设计参数：

土钉墙坡度为75°；土钉采用梅花形布置，土钉的竖向和水平间距均为1.2m，ф225HRB335级钢筋，长度如图2所汇款单，钻孔直径110mm，注浆压力不小于0.5MPa，注射器浆为水泥砂浆，强度不低于20MPa；面层结构采用ф8○a200×200mm的钢筋网片及100mm厚C20喷射混凝土组成，面层分两次喷射，每2.4m设一泄水孔。

　　6.2.2设计计算

　　土钉抗拔承载力验算：

第一排土钉Tk=19.6kN，Tu=28.5kN≥1.25Tk=24.5kN（其余各排土钉验算略）

　　土钉墙整体稳定性验算：

取最危险滑动面计算，采用圆弧滑动简单条分法，安全系数K=1.38>1.30。

　　6.3土钉墙施工主要技术

　　土钉墙施工工艺：

施工准备→第一层开挖→喷射第一层混凝土→成孔→安放土钉→注浆→作泄水孔钢筋网焊锚头→喷射第二层混凝土→清理。

　　在基坑周边设计了坡顶沉降观察点、位移监测点、土体测斜孔、水位观察孔，在土体中设置有土体压力监测点，要求在施工过程中对围护结构的变形情况进行严密地监测。

　　施工前制定施工方案，并做好测量放线、机械调试、材料进场检验、土钉加工和监控量测布点等准备工作。

　　基坑采用井点降水，距坑边2m设一截排水沟。

在施工过程中要使地下水位保持在开挖面以下，创造无水开挖的条件，对土钉墙的受力稳定也是至关重要的。

　　严格按设计要求分层、分段开挖基抗，逐层施工土钉。

分层高度在1.5m以内，分段长度在20m以内，开挖后及时封闭土体、施工土钉。

采用反铲挖空心思掘机开挖、汽车运土，预留300mm的土体人工修坡，边坡修整好后及时喷射第一层约50mm厚的混凝土，以防雨水冲刷及崩塌，施工中应做好钢筋标记，用以控制第二次喷射混凝土的厚度。

　　混凝土的强度达到2.5MPa时，进行土钉的定位放线，开始架设钻孔机进行钻孔。

钻孔至设计深度后，用高压风清孔，测量孔深。

施工时如遇局部松散土质不能成孔或遇有障碍物难以继续成孔时，可用锚管土钉代替钢筋土钉。

　　土无机孔经检查满足要求后开始安放工钉。

为保证土钉居中，土钉每隔2m左右焊上定位钢筋。

土钉的外露长度为150~200mm，以保证和钢筋网的连接。

　　土钉安放完成后及时注浆，注浆采用注浆机完成。

为保证土钉与周围土体的紧密结合，在孔口处设止浆塞，注浆管插入至距孔底500mm左右，边注浆边拔管，直至注满为止。

第一次注浆后1h左右进行第二次注浆，注浆浆液采用水泥砂浆，掺入少量的膨胀剂，以保证与土体的密实性。

土钉施工完成后需做一定数量的泄水孔。

　　钢筋网固定过错成后进行第二次喷射混凝土，在喷射中应保证厚度，喷射口与坡面垂直，并从下往上一环压一环，在坡顶做好地面硬化和排水设施，以防雨水侵入土体。

　　面层完成后，进行场地清理，并从喷射混凝土初凝后进行养护，养护期为7d。

土钉墙使用期间，坡顶面5m范围内应控制超载。

　　6.4试验及监测

　　在施工前进行了土钉抗拔力试验，施工中又对土钉抗拔力进行了检测，结果表明，土钉实际抗拔力值均大于土钉抗拔力设计值，而土钉的位移很小，土钉的外观无明显变化，所以本工程土钉的施工是满足设计要求的。

　　土钉墙施工后经受了台风及雨季的考验，坡顶沉降、位移、测斜、水位等监测结果均未超过设计允许值，边坡完整，坡体稳定。

　　6.5土钉墙施工安全管理措施

　　6　　.5.1制定安全生产责任制明确项目经理为项目安全生产第一责任人，对有关的管理、执行和检查人员，都明确其具体职责，做到职责分明，各负其责。

　　6.5.2坚持“安全第一，预防为主”的方针，加强对职工的安全教育，并体现全面、全员、全过程的原则，确保只有经过安全教育的人员才能上岗。

　　6.5.3建立施工现场安全生产保证体系，军装现文件化管理，做到照章办事，依法办事，克服工作上的盲目性，随意性。

　　6.5.4制定基坑专项施工方案，分析确定危险部位和过程，并制定相应的应急措施，使这些危险部位和过程能得到有效地控制。

　　6.5.5加强施工过程中的检查，做到不合格的设施不使用，不合可知的过程不通过，不安全的行为不放过。

　　7结语

　　土钉墙技术以其施工速度快、造价低、对场地的要求低、安全可靠等特点，逐渐得到工程技术界的认同，具有广阔的发展前景。

　　但土钉需占用基坑周边地下空间，当基坑周边地下管线及构筑物较多时，使用受限制。

　　（李斌汉）

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