复合土钉墙支护技术在基坑中的成功应用

摘要：复合土钉墙是由天然土体通过土钉就地加固并与喷射混凝土面板相结合，形成一个类似重力挡墙，这个土挡墙称为复合土钉墙，起到对土体原位加固的作用。通过土钉所具有较高的抗拉、抗剪强度和抗弯刚度特性,确保基坑的稳定性。本文结合工程实例，详细介绍了其主要施工技术及质量控制要点，对其位移监测方式和结果进行了具体评析。

关键词：复合土钉墙基坑应用

1、工程概况

某综合楼工程地上8层，地下1层，建筑面积12290m2，主体结构形式为钢筋混凝土框架-剪力墙结构；基坑长65.6m、宽22.5m、深度4.8 m,采用钢筋混凝土筏形基础。

工程土层物理参数如表1 所示：根据工程实际情况同时兼顾工期、技术、经济等条件，在经过详尽计算、比较分析后并报相关方审批，本工程基坑支护方案采用复合土钉墙进行支护。

表1土层物理参数

2、土钉墙支护的计算

土钉墙支护计算采用以极限平衡法为基础的条分法,分析潜在滑移面位置及形状,将坡体条分,利用剩余推力法计算每块剩余下滑力及坡体的整体稳定性。土钉墙计算中考虑深基坑的大滑裂面影响,将土钉墙长度加长,第3 层土钉施加预应力,以弥补下部开挖的影响。

2.1 确定土钉长度和主筋直径

根据《建筑基坑支护技术规程》,按0.5

（1) 土钉墙深度范围内的上侧有土层性质较差的填土层,对支护结构较不利。

（2)基坑周边地面堆放材料按均布荷载25kPa计算，地面超载大，对边坡支护不利。

2.2 土钉的水平间距( Sv) 及竖向间距( Sh )

间距设置应保证每根土钉注浆对周围土体影响区域与相邻孔的影响区域重叠,满足1.2m < Sv

2.3 土钉墙计算参数选定

土钉孔径D = 120mm,土钉墙坡度1:0.15 ,土钉倾角10°,喷射C30 混凝土面板厚度100mm,钢筋网φ6.5@200mm×200mm,纵向设置φ16 横向加强筋以保证各土钉整体受力效果,土钉主筋与横向加强筋采用L 形弯钩单面搭接焊10 d ( d 为钢筋直径) 进行连接。土钉墙支护剖面如图1 所示。

图1 土钉墙支护剖面

2.4 土钉墙内部稳定性验算

（1) 依据《深基坑支护设计与施工》计算主动土压力系数Ka 、第i 层土钉伸入滑裂面外长度Lbi 、土钉设计拉力Ti 、土钉抗拔力Tuj 、土钉钢筋抗拉力TK 、土钉抗拉安全系数KS 。各层土钉计算结果如表2 所示。

表2 土钉的计算结果

注: c 、φ、γ、τ分别为土体粘聚力、内摩擦角、重度、抗剪强度;

Hx 、L 、θ分别为土钉埋深、长度、倾斜角度

（2) 采用力矩极限平衡法进行土钉内部稳定性分析,在土体自重和地表荷载的作用下,土钉内部稳定性系数FS = 1.43 > 1.3 ,满足内部稳定要求。

（3) 土钉墙混凝土面层厚度及配筋简化为受均布荷载P 作用的双向四边简支板进行设计计算。经计算,土钉与面层的L 形弯钩单面搭接焊10 d ( d 为钢筋直径),能承受土钉端部受拉荷载Ti 的作用。

2.5 土钉墙外部稳定性验算

土钉墙外部稳定性分析验算与重力式挡土墙的稳定分析相同, 依据《深基坑支护设计与施工》计算土钉的抗滑移稳定性安全系数KH = 1.31 > 1.2 ,满足抗滑移稳定要求;计算的土钉抗倾覆稳定性安全系数KQ = 2.214 > 1.3 ,满足抗倾覆稳定性要求。

3、土钉墙施工工艺

测量放线开挖修边坡(预留100mm人工修整)定孔位成孔土钉制作、安放(焊对中支架) 堵孔注浆(低压底部注浆) 二次补浆绑扎、固定钢筋网(竖向搭接200mm) 土钉端部焊接喷射混凝土面层(工作压力0.3～0.4MPa) 土钉及混凝土面层养护(添加4 %早强剂) 预应力张拉( 锚固段强度大于15MPa 并达到设计强度的75 %) 浆体及面层强度达到70% ,进行下层土钉施工。

3.1土钉使用前钢筋须除锈，除油、焊牢；保证土钉插入孔后居孔中央位置，以便在注浆后增大钢筋与砂浆的握紧力，土钉应焊托架，托架为对中支架，相邻两托架间距2m。

3.2注浆管同土钉插入锚孔时，对注浆管下端口应采取保护措施，以免堵塞；注浆管必须随土钉下至孔底，若中途注浆管脱落，必须重新安装土钉；注浆的水泥浆液按设计配比进行，水灰比为0.45-0.55，速凝剂用量为水泥用量的3%，控制压力0.2-0.4Mpa；注浆时，要做到边注浆边往外拉动注浆管，不可拉动得太快，以免造成水泥浆脱节而使浆液不够饱满；注浆开始或中途停止超过30min时，就用水清洗注浆机及注浆管，重新注浆。

3.3砂浆严格按配合比计量并搅拌均匀，随拌随用，一次拌合的水泥浆应在初凝前用完，并严防石块，杂物混入；注浆过程中观察孔口返浆情况，如孔口返浆用粘土在孔口围僵，确保浆液的密实。

3.4挂网：挂Φ6.5@200(双向)钢筋网，挂网时间应在注浆4h后进行。网距壁面30mm，与井字型钢筋架焊接在一起或用22的铁丝扎牢。采用螺纹钢与同层土钉贯穿作为联系肋筋，Φ16钢筋与网面钢筋绑扎或焊接牢靠。支护面沿水平和竖直向预埋长500-1000mm直径50mm外罩滤网的PVC管作为泄水管，管子口部四周用水泥浆封固。

3.5喷射混凝土面层：待钢筋网编制与连接筋焊接完成后，应及时喷射混凝土面层。本基坑采用空压机喷射装置，喷射混凝土配合比严格按实验室配制单，同时加入一定量的外加剂，速凝剂的掺入比为3%，喷射混凝土强度等级C30。

3.6土钉与混凝土面层连接：土钉弯头四周用一根长度为300mm的Φ16钢筋与联系筋焊接。挂网喷混凝土的支护。按要求人工打入钢筋土钉，挂Φ6.5@200(双向)钢筋网，保护层20mm，喷射C30混凝土厚100mm。

4、基坑监测及处理措施

采用大力神软件有限元变形分析方法计算土钉墙水平及竖向变形,其最大变形发生在第6 步开挖,水平位移最大值9,66mm,竖向沉降变形最大值15.87mm。预测受下部开挖影响位移会较理论计算值大。

4.1 基坑监测方法及监测结果

在土钉墙翻边上间隔20.0m 布置水平位移监测点。土钉墙水平位移监测方法为:弧形部位采用钢卷尺量距法测量,直线部位采用经纬仪直线法测量。基坑坡顶沉降采用高精度水准仪进行量测。经过观测,支护结构顶部水平位移为7～24mm,累计沉降量最大处为14mm,达到了复合土钉墙的施工效果。

4.2 监测点位移变形规律

经各监测点位移比较,基坑阳角位置水平位移较阴角及中间部位大。水平位移随时间的延续而增加,土钉墙、预应力土钉工作面土方开挖未支护阶段位移变化较大,基坑开挖完成后位移趋于稳定。

4.3施工过程中的特殊处理措施

工程施工中采取加密加长土钉、调整土钉位置及成孔角度、减小竖向开挖深度、干作业锚杆钻机替代人工洛阳铲成孔、增加竖向加强筋、打竖向钢管注浆、做背拉筋及锚桩(背拉筋需背出滑裂面与竖向土钉或锚桩相连) 、堆放草袋并加筋、坡脚土体加固、增加预应力土钉、高压注浆(遇淤泥等不利土层注浆时埋入二次注浆管,待注浆体强度达到5MPa时,以2.5MPa 的压力二次高压注浆) 等处理措施保证了土钉墙的施工质量。土钉墙身范围内上层滞水量较大部位施工时,插放泄水管输导滞水,以防水压过大影响土钉墙整体稳定。

5、效果评价

本基坑经观测、检测等，基坑四周围护坚固、稳定，未出现基坑渗漏水； 附近建筑物等均未出现变形、沉降和开裂等；施工工期仅为38天；工程费用仅为68.6万元，远远低于其他同类任何方案；本方案也得到了各单位的一致肯定，复合土钉墙施工技术在本工程中得到了成功的应用。

6、结语

综上所述，复合土钉墙技术确保了基坑边坡的强度、稳定性及施工过程中的安全，而且，由于土钉墙能充分利用土体的自承能力的特点，与同类其它支护相比，其造价低、工期短、施工方便，建议在今后类似基坑支护工程中推广使用。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。