土钉墙技术在地下室工程基坑支护中应用

摘要：随着我国城市化进程的不断加速，城市建筑空闻愈加狭窄，地下空间的开发利用工程逐渐增多。在众多地下施工技术中土钉支护技术具有投资少、工艺简单、施工机具灵活等特点，因此该技术受到广大建筑施工技术人员的青睐，在我国建筑领域被逐渐地推广和应用。本文主要结合工程实际，介绍了土钉墙在地下室基坑支护中的应用，可供大家技术交流。

关键词：地下室；基坑支护;土钉墙; 应用

中图分类号：TV551.4 文献标识码：A 文章编号：

1.前言

土钉墙是由天然土体通过土钉墙就地加固并与喷射砼面板相结合，形成一个类似重力挡墙以此来抵抗墙后的土压力；从而保持开挖面的稳定，这个土挡墙称为土钉墙。土钉墙是通过钻孔、插筋、注浆来设置的，一般称砂浆锚杆，也可以直接打入角钢、粗钢筋形成土钉。土钉墙的做法与矿山加固坑道用的喷锚网加固岩体的做法类似，故也称为喷锚网加固边坡或喷锚网挡墙，建筑基坑与护坡技术规程JGJ120－99 正式定名为土钉墙。现代都市建筑一般都带有地下室，但是，由于场地狭窄，常常给地下室开挖造成很大困难。因此，基坑支护结构的设计与施工，已成为当前高层建筑基坑施工的热点与难点，成为影响整个工程造价及进度的关键。当施工场地狭窄，基坑深度又不太大时，土钉墙是一种较为经济实用的支护型式。它的特点是：施工简便、所需工作面小、比较经济节省，而且与基坑开挖同步施工，节约工期。

2.工程实例

海南某工程建筑物最大高度68.08m，总用地面积16108m²，总建筑面积73008m²，其中地室面积13880 m²。拟开挖基坑周围场地十分狭小，基坑边线距原有居民楼仅0.60～1.50米, 拟开挖基坑深4.0M，基坑占地面积约15000m2。

地质勘察报告提供有关基坑支护开挖土层岩土主要工程指标见下表：

根据现场场地条件，经过比较多种支护方案，最后确定本工程采用土钉墙支护，土钉墙坡角为82°。

2．1 土钉墙设计

设计条件：工程地质条件良好；但场地十分狭窄；基坑与周边原有建筑距离物十分逼近，而且，原有建筑相对较高、又较为残旧；基坑坡顶需考虑地下室施工时的材料场内二次运输及少量堆放。

设计参数：考虑施工过程中材料的场内二次运输及少量堆放，地面荷载取：q1 =20.0KN/m2；二级钢筋ftk=335N/mm2，土钉墙坡角β =82°，基坑深度H = 4.0ｍ，根据地质资料，其余设计参数选取如下：

内摩擦角 k =14.6°土重度ｒ= 19.5KN/m3

土钉与水平面角度=10 o 土钉孔径 dn= 110 mm

土钉排距、列距Sy = S x =1.2 m土钉拉力分项系数γs = 1.3

土钉与土体之间的界面粘结强度qs = 30.6KPa

计算公式：

1.25Τk≤Τu

Τ k = ζeaksxsz/cos

ζ=tg

Τu = eak = e1 + eq

e = ζ q1e = 0.55ζｒH

式中：Τuj—土钉抗拉承载力设计值

Τ k—土钉受拉荷载标准值；

ζ—荷载折减系数；

eak—土钉长度中点所处处的基坑水平荷载标准值；

eq —地表均布荷载引起的侧压力；

e 1—土钉长度中点所处深度位置上土体自重引起的侧压力；

①计算土钉长度

ζ=tg= 0.60

土钉长度中点所处深度位置上土体自重引起的侧压力：

e = 0.55ζｒH =0.55×0.60×19.5×4.0 = 25.74 KN/㎡

施工用均布荷载引起的侧压力：

e = ζ q1 =0.60×20.0KN/㎡ = 12.00 KN/㎡

土钉长度中点所处深度位置上的侧压力：

eak = e1 + eq =25.74 + 12.00 = 37.74 KN/㎡

土钉受拉荷载标准值

Τ k = ζeaksxsz/cos =0.6×37.74×1.2×1.2÷0.98 = 51.05 KN

土钉稳定区锚固段长度：

L = γsΤ u /π dnqs= 1.3×51.05 /(3.14× 0.11× 30.6) =6.28m

土钉滑移区长度：

L1 = tg（45°- φ/2）×（H-h）或：L1=0.3H(取较大值)

h--地面至土钉距离

距地面0.80ｍ处土钉滑移区长度为例（此处滑移区长度最大）：

L1 = tg（45°-φ/2）×（H-h）= tg37.70 ×（4.0 – 0.8）= 2.47m

或：L1 = 0.3H =0.3×4.0 =1.2m(取L1 =2.47m)

土钉总长度应为：

L = L1 + L2 = 6.28+ 2.47 = 8.75m (取土钉长度9.0m)

②计算土钉主筋直径

1.5eaSxSy≤

1.5eaSxSy=1.5×34.74×1.2×1.2 =75.04KN/㎡

=3.14×335÷4 =262.98 mm2

d ≥ =16.89 mm

取一、二排d =22mm；三排d =20mm

③土钉墙抗倾覆稳定性验算

1.5γ0Eaha≤(b0+b)W

W—为土钉墙自重

γ0—工程重要性系数(取γ0=1.0)

1.5γ0Eaha =1.5×1.0×50.03×1.61

=120.82 KN

(b0+b)W=0.5×(0.56+6.28)×6.28×4.0×19.50 =1675.25 KN

1675.25 ≥120.82(土钉墙体安全)

经过上述计算土钉支护参数为：

从地面开始梅花形布置三排土钉，排距1.2m，间距1.2m；

第一排 Φ22L=9000 B=1200

第二排 Φ22L=9000 B=1200

第三排 Φ22L=9000 B=1200

L --土钉长度， B--土钉水平间距；

④土钉墙面层设计

土钉支护的面层作用主要是限制土钉之间土体的变形，将土体侧向压力有效地传递给土钉，并调整相邻土钉的受力状态。根据全长注浆土钉的受力分析及工程数据测试，土钉端部和面层受力较小，面层厚度不必太厚。

面层参数取为：

网筋φ6 @300×300（双向），喷射混凝土厚度为100mm、强度C20。

面层喷射混凝土配比为：

水泥1：砂2.3：碎石2.3：水0.4。

由于土钉注浆体强度远比土体强度高，因此土钉支护设计中注浆体强度不是控制参数。

土钉注浆视情况采用孔底或口部加压注浆，第一排土钉采用低压注浆，注浆压力为0.1Mpa，第二、三排土钉注浆压力为0.3～0.4Mpa。

注浆配比为：水泥1：砂0.3：水0.45，并添加合适添加剂。

基坑监测：

沿基坑顶根据周边情况每隔20m左右设置一个位移观测点；测精度应不低于三等精度（即水平位移测量变形点的点位中误差为±6.0mm），水平位移预警值为0.36%h、允许值为0.50%h（h为基坑深度）。

当出现以下情况之一时，应及时与甲方、设计和监理联系：坡顶、底面或周边构筑物等出现裂缝或坡顶位移较大且位移不稳定、不收敛或超过设计预警值和允许值等相应的规范要求。

施工过程中，应通过目测、巡查或其它监测手段等多种形式，对基坑变形进行全面了解和监控，及时了解和监控周边建筑物和道路等设施的安全情况。

2．2 土钉墙施工

土钉墙施工工艺流程如右图：

①制锚：

锚杆质量要求：锚长误差10cm；杆体每隔2m做对中架；锚杆搭焊长度≥5d，双面焊；

②开挖：

土钉墙支护的特点是边开

挖边支护。为了保证基坑边壁在开挖

过程中土体应力场和应变场不产生大

变化，因此，对土方开挖有严格要求，挖土必须分层分段开挖。层厚为1.2m(即锚杆排距)。严禁超挖，严禁上层喷射混凝土面层和注浆体尚未达到一定强度时就开挖下层，以免造成边壁坍塌。

③钻孔

采用机械成孔和洛阳铲成孔相结合。

技术质量要求：孔径11cm；孔深允许误差-20cm；成孔角度为8°～12°；单孔遇障碍物时可在50cm内调整。

④注浆

技术质量要求：配比如下：水泥:砂:水为1:0.3:0.45，并加适宜外加剂；注浆压力≥0.3MPa；水泥应采用新标准32.5级普通硅酸盐水泥。

⑤修坡面

注浆后人工修整坡面；定点、放线确保坡面平整，由于本项目地下室施工工作面十分狭窄，部分区位仅300mm，为保证地下室结构工程正常驻施工，应严格控制坡面到地下室外墙体距离。

⑥编网及焊接

技术质量要求：网筋ф6@300×300；网筋搭接为点焊、绑扎；锚头"L"字型，焊接连接。

⑦喷射混凝土护面

钢筋网片和锚杆头焊接好以后，立即进行喷射混凝土作业。喷射时，喷枪距作业面控制在1.5-2.0m距离，水灰比、所用材料必须符合设计要求。喷射混凝土的程序是，混凝土喷射机将水泥砂石料、添加剂均匀通过管路，用风压送到作业面。在作业面的枪头出口处有一注水装置，水和水泥砂石在枪头处通过风压在向外喷射时均匀的混合在一起，喷至作业面。

技术质量要求：材料：普425#水泥、砂、碎石或豆石(粒径小于15mm)；配比：(水泥)1：(砂)2.3：(石)2.3：(水)0.4：3%速凝剂(水泥重量比)；配料的搅拌：上料前初拌，上料后水泥砂石经过喷浆机和输送料管混合，即可达到均拌目的；混凝土强度C20；喷射前坡面作喷射厚度标记，喷射混凝土面层厚度为10cm。

⑧开挖下层

开挖下层土方时间与上层喷射混凝土面层强度、注浆强度、地质条件、边壁位移量有关，根据本项目具体情况，上层混凝土面层喷射24小时后方可进行下层土方开挖。

⑨变形观测

在基坑降水当日起实施变形观测；基坑开挖过程中，每天对基坑变形情报况进行观测，基坑开挖结束一个月后观测间隔改为7天；地下室土方回填完成后结束了观测。

观测过程中详细记录了观测基准点和变形观测点的位置、编号、观测日期、本次观测值和累计观测值，并绘制基坑变形曲线，了解基坑变形趋势；变形观测结束后，将上述观测资料编制成表，并附文字说明整理归档。

3.结束语

一般护坡措施均基于支挡护坡的被动制约机制，以挡土结构承受其后的土体侧压力，防止土体整体稳定性破坏。土钉墙技术则是在土体内放置一定长度和分布密度的土钉体与同作用，弥补土体自身强度的不足。因此通过以增强边坡土体自身稳定性的主动制约机制为基础的复合土体。不仅效地提高了土体的整体刚度，弥补了土体抗拉、抗剪强度低的弱点。通过相互作用、土体自身结构强度潜力得到充分发挥，改变了边坡变形和破坏的性状，显著提高了整体稳定性，更重要的是土钉墙受荷载过程中不会发生素土边坡那样的突发性塌滑，土钉墙不仅延迟塑性变形发展阶段，而且具有明显的渐进性变形和开裂破坏，不会发生整体性塌滑。本工程中应用土钉墙施工技术，在保证安全的前提下，做到了工期最快、质量最好、造价最小，有效地解决了本工程场地狭窄的问题。