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摘要：本文作者结合多年工作经验，分别论述了土钉支护技术的特点、适用范围、构造等问题，并提出了自己的见解。可供同行参考。
关键词：土钉墙；基坑支护；施工技术；
前言：
目前,土钉支护技术在深基坑中已得到了广泛地应用,无论从经济效益、施工场地(狭小)、施工周期短等方面均比其它挡土墙更为有利,得到了岩土界人士认同,希望土钉墙支护技术在我国会大量普及应用并得到长足的发展。
一、 土钉支护结构的特点
土钉支护法以尽可能提高和最大限度地利用基坑边壁土体固有力学强度、变土体荷载为支护结构体系的一部分为其基本原理,土钉主动支护土体,并与土体共同作用,具有施工简便、快速及时、机动灵活、适应性强、随挖随支,以及安全经济等特点,因而在基坑中得到了广泛地应用,取得了显著地社会和经济效益。 但是在基坑支护过程中,也发生不少地面开裂,坑壁塌方,坑地土隆失稳,邻近地下管破裂破坏等事故,因此, 《建筑施工安全检查标准》(J GJ 59 —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,而土钉支护是一项比较新颖的技术。
二、 土钉墙的构造
土钉墙结构由土钉和面层两部分组成,土钉主要包括钻孔注浆土钉和打入式土钉两种形式。
(1) 钻孔注浆土钉最常用的土钉,一般采用<6mm～<32mm 的钢筋,置于<70mm～<120mm 钻孔中,采用强度等级不低于M10 的水泥浆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。
(2) 打入式土钉一般采用钢管材料打入土中形成,通常钉长较短,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,提高土钉的抗拔力。 注浆方式有低压注浆和高压喷射注浆。土钉长度一般为开挖深度的0.5～1.2倍,间距为1m～2m,与水平夹角为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。
三、土钉墙施工主要技术
1、土钉墙施工工艺：施工准备→第一层开挖→成孔→安放土钉→注浆→作泄水孔钢筋网焊锚头→喷射混凝土→清理：
(1) 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。
(2) 基坑降排水：基坑采用井点降水,距坑边2 m 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至关重要。
(3) 基坑开挖必须分层分段开挖,逐层施工土钉,分层高度在115 m 以内,分段长度在20 m 以内,开挖后及时封闭土体,施工土钉。
2、 土钉墙施工安全管理措施
(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具体职责,做到分工明确,各负其责。
(2)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控制。
(3)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。
四、应用实例
1 、工程概况
该工程位于软土地区，拟建建筑物共为3 幢18 层住宅,框架剪力墙结构,基坑深度约4. 0 m ,一层地下室，基坑长×宽= 188 m ×75 m。
2 、工程地质、水文地质条件
本工程场地原始地形较平坦,河流漫滩相沉积物呈二元结构,上、中部主要由淤泥质粉质黏土为主,下部以砂性土为主,场地地下水类型属孔隙潜水;深部砂性土层( ②24 , ④) 中地下水具微承压性。地基土以微透水～弱透水层为主。各土层的土性描述与特征如下：
①层杂填土：杂色,松散,以粉质黏土回填为主,混有淤泥质土、建筑垃圾及生活垃圾,局部淤泥质土含量较高,层厚为1. 1 m～6. 2 m。②21层粉质黏土、黏土：灰褐～褐色,軟～可塑,局部流塑,干强度、韧性中等,埋深1 m～5. 6 m,层厚为0. 3 m～2. 2 m。②22层淤泥质粉质黏土：灰褐～褐灰色,流塑,含少量腐殖物,稍有光泽,干强度较低～中等,韧性偏低;埋深2. 1 m～7. 6 m ,层厚为25. 3 m～36. 2 m。②23层粉质黏土、淤泥质粉质黏土夹粉土、粉砂：灰色,主要为粉质黏土、淤泥质粉质黏土与粉土、粉砂交互层,水平层理。粉质黏土、淤泥质粉质黏土为流塑;粉土、粉砂为稠密,局部稍厚;埋深26. 5 m～39. 1 m ,层厚为2. 7 m～16. 3 m。②24层粉细砂：灰色,中密～密实,颗粒均匀,含少量粉土、砾砂;埋深38 m～44. 2 m ,层厚为6. 1 m～17. 6 m。④层中粗砂混卵砾石：灰色,密实,卵砾石含量不均匀,一般在5 %～15 % ,粒径一般为0. 5 cm～5 cm ,个别大于10 cm ,呈次圆状,石英质; 埋深为48. 2 m～55. 3 m ,层厚为1. 2 m～6. 4 m。
3 、环境条件
该基坑周边环境复杂,综合场地的工程地质、水文地质条件及基坑开挖深度,本着安全可靠、经济合理的原则,采用直立式复合钢管土钉墙支护。
4 、支护结构设计
1) 首先对基坑周边设置的双排@1 000 双轴深层搅拌桩进行帷幕止水,桩长约10. 0 m ,采用P. O32. 5 普通硅酸盐水泥,掺入量15 %。上部边坡以1∶1 放坡下挖0. 6 m。2) 桩体内插入 的钢管,长度7 m ,间距0. 5 m。所有桩顶及坡面挂@200 双向钢筋网,喷100 厚C20 的细石混凝土。3) 设置钢管土钉5道,土钉与双向钢筋网固定,矩形排列,倾角12°。钻孔直径60 mm ,设计参数见表1 。4) 基坑外侧设置一排花管,参数见表2 。
5) 面层设泄水孔,每5 m 设置一处或根据坡面渗水情况确定,采用PVC 管,斜率5 % ,内端滤网包裹。6) 支护结构详见图1 ,设计计算采用北京理正深基坑支护设计软件。
5、 方案的实施顺序及施工要点
5. 1 施工顺序
施工准备→双排深层搅拌桩帷幕止水→开挖0. 6 m →钢管打入施工→分层开挖和支护→基坑变形监测。
5. 2 施工工艺
混凝土边坡采用直立式支护(见图1) ,每一层开挖深度为土钉标高下30 cm～50 cm。随挖随护,上下段钢筋网片搭接长度应大于30 cm。
5. 2. 1 土钉墙施工顺序
1) 按设计要求开挖工作面,修整边坡,埋设喷射混凝土厚度控制标志;2) 击入直径48 的钢管土钉、注浆,安设连接件;3) 绑扎钢筋网,喷射混凝土;4) 设置坡顶、坡面和坡脚的排水系统。
5. 2. 2 深搅桩内钢管施工
在双轴深层搅拌桩内设置48 mm 钢管,端头进入淤泥质土4. 0 m ,水平间距0. 5 m ,钢管内灌注水泥浆。
5. 2. 3 分层开挖和支护
土钉墙分层施工,依次循环至基坑底,即基坑开挖一定深度后,进行土钉墙施工,然后进行下一层的施工。
5. 2. 4 基坑变形监测
基坑开挖前,在基坑四周边坡分别设置了30 个水平位移和沉降观测点,每两天观测一次,基坑开挖至底部时加密监测。经观测最大沉降18. 2 mm(报警值25 mm) ,最大水平位移为46. 6 mm(报警值40 mm) ,基坑周围建筑物,地下管道等均完好无恙。
6、施工经验与体会
1) 在整个施工过程中,支护结构虽然变形很大,但基坑并未出现大的危险,且最终趋于稳定,这说明在对于变形要求不很严格的软土地基中,深基坑支护采用土钉墙是科学合理的,其不仅克服了工程自身及工程地质条件的影响,且经济、高效。2) 在基坑开挖过程中,周边沉降是整体性的,和位移有着相同的变化趋势,且突增也主要是受土方开挖影响。3) 影响基坑支护体水平位移的主要因素是土方开挖,尤其是进行深层土方开挖时,通常最危险时刻也出现在这一过程中,应做好充分的应变措施。同时降水对位移的影响也不容忽视,极有可能诱发事故。动载对土体位移影响强烈而明显;堆载的作用使水平位移持续缓慢增长,但在短期监测中很难体现。4) 最大水平位移并非都出现在土钉墙顶部,一方面因为基坑周边土层的不均匀性非常明显,另一方面与早期安置的土钉在后续施工过程中发挥的作用有关。5) 本基坑的实际变形量远远大于报警值,因此,应充分地考虑“时空效应”,减少基坑暴露时间,更有效地控制支护和坑周土体的位移。另外,针对于软土地区的土钉支护,确定一个合理的变形控制标准与报警值范围是个亟待解决的问题。
五、结语
随着城市建设的不断发展,高层建筑的兴起和地下空间的开发利用,基坑开挖工程日益增多。 近30 年来发展起来的土钉支护技术具有施工机具灵活,工艺简单,能够适应比较狭小的工作场地,且投资少等特点,受到界内人士的广泛重视,土钉支护技术也逐渐被推广及使用。 我国从80 年代初期开始进行土钉的试验研究和工程实践,但迄今为止应用还不是很普遍，以上是作者对土钉支护在建筑工程中运用的分析。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：土钉墙；基坑支护；施工技术；
前言：
目前,土钉支护技术在深基坑中已得到了广泛地应用,无论从经济效益、施工场地(狭小)、施工周期短等方面均比其它挡土墙更为有利,得到了岩土界人士认同,希望土钉墙支护技术在我国会大量普及应用并得到长足的发展。
一、 土钉支护结构的特点
土钉支护法以尽可能提高和最大限度地利用基坑边壁土体固有力学强度、变土体荷载为支护结构体系的一部分为其基本原理,土钉主动支护土体,并与土体共同作用,具有施工简便、快速及时、机动灵活、适应性强、随挖随支,以及安全经济等特点,因而在基坑中得到了广泛地应用,取得了显著地社会和经济效益。 但是在基坑支护过程中,也发生不少地面开裂,坑壁塌方,坑地土隆失稳,邻近地下管破裂破坏等事故,因此, 《建筑施工安全检查标准》(J GJ 59 —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,而土钉支护是一项比较新颖的技术。
二、 土钉墙的构造
土钉墙结构由土钉和面层两部分组成,土钉主要包括钻孔注浆土钉和打入式土钉两种形式。
(1) 钻孔注浆土钉最常用的土钉,一般采用<6mm～<32mm 的钢筋,置于<70mm～<120mm 钻孔中,采用强度等级不低于M10 的水泥浆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。
(2) 打入式土钉一般采用钢管材料打入土中形成,通常钉长较短,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,提高土钉的抗拔力。 注浆方式有低压注浆和高压喷射注浆。土钉长度一般为开挖深度的0.5～1.2倍,间距为1m～2m,与水平夹角为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。
三、土钉墙施工主要技术
1、土钉墙施工工艺：施工准备→第一层开挖→成孔→安放土钉→注浆→作泄水孔钢筋网焊锚头→喷射混凝土→清理：
(1) 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。
(2) 基坑降排水：基坑采用井点降水,距坑边2 m 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至关重要。
(3) 基坑开挖必须分层分段开挖,逐层施工土钉,分层高度在115 m 以内,分段长度在20 m 以内,开挖后及时封闭土体,施工土钉。
2、 土钉墙施工安全管理措施
(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具体职责,做到分工明确,各负其责。
(2)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控制。
(3)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。
四、应用实例
1 、工程概况
该工程位于软土地区，拟建建筑物共为3 幢18 层住宅,框架剪力墙结构,基坑深度约4. 0 m ,一层地下室，基坑长×宽= 188 m ×75 m。
2 、工程地质、水文地质条件
本工程场地原始地形较平坦,河流漫滩相沉积物呈二元结构,上、中部主要由淤泥质粉质黏土为主,下部以砂性土为主,场地地下水类型属孔隙潜水;深部砂性土层( ②24 , ④) 中地下水具微承压性。地基土以微透水～弱透水层为主。各土层的土性描述与特征如下：
①层杂填土：杂色,松散,以粉质黏土回填为主,混有淤泥质土、建筑垃圾及生活垃圾,局部淤泥质土含量较高,层厚为1. 1 m～6. 2 m。②21层粉质黏土、黏土：灰褐～褐色,軟～可塑,局部流塑,干强度、韧性中等,埋深1 m～5. 6 m,层厚为0. 3 m～2. 2 m。②22层淤泥质粉质黏土：灰褐～褐灰色,流塑,含少量腐殖物,稍有光泽,干强度较低～中等,韧性偏低;埋深2. 1 m～7. 6 m ,层厚为25. 3 m～36. 2 m。②23层粉质黏土、淤泥质粉质黏土夹粉土、粉砂：灰色,主要为粉质黏土、淤泥质粉质黏土与粉土、粉砂交互层,水平层理。粉质黏土、淤泥质粉质黏土为流塑;粉土、粉砂为稠密,局部稍厚;埋深26. 5 m～39. 1 m ,层厚为2. 7 m～16. 3 m。②24层粉细砂：灰色,中密～密实,颗粒均匀,含少量粉土、砾砂;埋深38 m～44. 2 m ,层厚为6. 1 m～17. 6 m。④层中粗砂混卵砾石：灰色,密实,卵砾石含量不均匀,一般在5 %～15 % ,粒径一般为0. 5 cm～5 cm ,个别大于10 cm ,呈次圆状,石英质; 埋深为48. 2 m～55. 3 m ,层厚为1. 2 m～6. 4 m。
3 、环境条件
该基坑周边环境复杂,综合场地的工程地质、水文地质条件及基坑开挖深度,本着安全可靠、经济合理的原则,采用直立式复合钢管土钉墙支护。
4 、支护结构设计
1) 首先对基坑周边设置的双排@1 000 双轴深层搅拌桩进行帷幕止水,桩长约10. 0 m ,采用P. O32. 5 普通硅酸盐水泥,掺入量15 %。上部边坡以1∶1 放坡下挖0. 6 m。2) 桩体内插入 的钢管,长度7 m ,间距0. 5 m。所有桩顶及坡面挂@200 双向钢筋网,喷100 厚C20 的细石混凝土。3) 设置钢管土钉5道,土钉与双向钢筋网固定,矩形排列,倾角12°。钻孔直径60 mm ,设计参数见表1 。4) 基坑外侧设置一排花管,参数见表2 。
5) 面层设泄水孔,每5 m 设置一处或根据坡面渗水情况确定,采用PVC 管,斜率5 % ,内端滤网包裹。6) 支护结构详见图1 ,设计计算采用北京理正深基坑支护设计软件。
5、 方案的实施顺序及施工要点
5. 1 施工顺序
施工准备→双排深层搅拌桩帷幕止水→开挖0. 6 m →钢管打入施工→分层开挖和支护→基坑变形监测。
5. 2 施工工艺
混凝土边坡采用直立式支护(见图1) ,每一层开挖深度为土钉标高下30 cm～50 cm。随挖随护,上下段钢筋网片搭接长度应大于30 cm。
5. 2. 1 土钉墙施工顺序
1) 按设计要求开挖工作面,修整边坡,埋设喷射混凝土厚度控制标志;2) 击入直径48 的钢管土钉、注浆,安设连接件;3) 绑扎钢筋网,喷射混凝土;4) 设置坡顶、坡面和坡脚的排水系统。
5. 2. 2 深搅桩内钢管施工
在双轴深层搅拌桩内设置48 mm 钢管,端头进入淤泥质土4. 0 m ,水平间距0. 5 m ,钢管内灌注水泥浆。
5. 2. 3 分层开挖和支护
土钉墙分层施工,依次循环至基坑底,即基坑开挖一定深度后,进行土钉墙施工,然后进行下一层的施工。
5. 2. 4 基坑变形监测
基坑开挖前,在基坑四周边坡分别设置了30 个水平位移和沉降观测点,每两天观测一次,基坑开挖至底部时加密监测。经观测最大沉降18. 2 mm(报警值25 mm) ,最大水平位移为46. 6 mm(报警值40 mm) ,基坑周围建筑物,地下管道等均完好无恙。
6、施工经验与体会
1) 在整个施工过程中,支护结构虽然变形很大,但基坑并未出现大的危险,且最终趋于稳定,这说明在对于变形要求不很严格的软土地基中,深基坑支护采用土钉墙是科学合理的,其不仅克服了工程自身及工程地质条件的影响,且经济、高效。2) 在基坑开挖过程中,周边沉降是整体性的,和位移有着相同的变化趋势,且突增也主要是受土方开挖影响。3) 影响基坑支护体水平位移的主要因素是土方开挖,尤其是进行深层土方开挖时,通常最危险时刻也出现在这一过程中,应做好充分的应变措施。同时降水对位移的影响也不容忽视,极有可能诱发事故。动载对土体位移影响强烈而明显;堆载的作用使水平位移持续缓慢增长,但在短期监测中很难体现。4) 最大水平位移并非都出现在土钉墙顶部,一方面因为基坑周边土层的不均匀性非常明显,另一方面与早期安置的土钉在后续施工过程中发挥的作用有关。5) 本基坑的实际变形量远远大于报警值,因此,应充分地考虑“时空效应”,减少基坑暴露时间,更有效地控制支护和坑周土体的位移。另外,针对于软土地区的土钉支护,确定一个合理的变形控制标准与报警值范围是个亟待解决的问题。
五、结语
随着城市建设的不断发展,高层建筑的兴起和地下空间的开发利用,基坑开挖工程日益增多。 近30 年来发展起来的土钉支护技术具有施工机具灵活,工艺简单,能够适应比较狭小的工作场地,且投资少等特点,受到界内人士的广泛重视,土钉支护技术也逐渐被推广及使用。 我国从80 年代初期开始进行土钉的试验研究和工程实践,但迄今为止应用还不是很普遍，以上是作者对土钉支护在建筑工程中运用的分析。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。