深基坑土钉墙支护技术的发展与应用

裴洪军

(深圳市水务规划设计院 广东深圳 518008)

1 引言

深基坑支护技术是伴随着城市的经济发展和建设而发展起来的。由于城市建设用地的限制,建筑发展模式由平面型向地下或空间发展为一大趋势。基坑的开挖深度也越来越深,同时周边环境越来越复杂,深基坑开挖的环境效益问题也日益突出,给深基坑支护技术提出了技术先进、经济合理、安全适用和保护环境等更高的要求。土钉墙支护技术是近年来发展起来用于土体开挖和边坡稳定的一种新型挡土结构,由于经济、可靠且施工速度简便等优点,已得到迅速推广和应用[1],发挥了良好的经济效益,已成为基坑支护的主要手段,并产生了许多创新的发展,开拓了土钉墙的应用领域。

2 土钉墙技术的新发展

土钉墙一般由被加固土体,放置于原位土体中的土钉及喷射混凝土面层组成,传统土钉支护仅适用于有一定胶结能力和密实程度的砂土、粉土和砾石土、素填土、坚硬或硬塑的黏性土以及风化岩层等[2]。为了使土钉支护结构能够在更为广泛的地层中使用,就必须对土钉支护结构中的部分构件进行改进或在土钉支护的基础上添加辅助构件,复合土钉支护便是这种改进的产物。所谓复合土钉支护是指基坑支护中,除采用土钉作为主要加固体外,还采用其他地基处理技术作为辅助手段与之联合,并协同工作[3],主要表现在下列几个方面[4～9]。

(1)为了防止地下水位降低,引起建筑物及道路的沉降,出现了一种新型止水型土钉墙,这种土钉墙施工前先做止水帷幕,然后分层开挖施工土钉和喷射混凝土面层。止水帷幕常采用相互搭接的单排或双排深层搅拌桩、高压旋喷 (摆)桩和控制压力注浆技术。这样就使土钉墙在不做降水的情况下得到应用。

(2)对于难成孔的砂层和软土层,开发了一种打入注浆式土钉,解决了难于成孔这一难题。打入注浆式土钉实际上是将直径 48～60mm的钢管利用专门的设备直接打入土中,在钢管上按一定规律布置直径 5mm的钻孔,并焊接小角钢倒刺予以保护,再将带有倒刺的钢管打入土中后高压注浆,浆液通过钢管上钻的小孔渗入管体外土中,从而形成土钉,这种钉的特点是施工速度快,使用范围广,尤其是对于粉细砂层、松散回填土、软弱土层难以成孔的土层,更显示出其优越性。

(3)为了限制土钉的位移,开发了土钉墙与预应力锚杆联合使用的技术。对于变形要求严格的工程,在土钉墙施加初始背拉力,这样大大减少了土钉墙位移,满足了不同实际工程的需要。

(4)对于开挖土层较差,自稳时间短来不及按常规步骤进行本层支护时,开发了多种超前加固技术。常采用的超前加固技术有如下几种。

1)超前微型桩加固,包括钢管桩和混凝土树桩,钢管桩采用直径 48～150mm的无缝钢管或焊接钢管,间距 0.5～1.0m,桩端宜深入基底 1～3m,钢管桩通过钢筋网和加强筋与之焊接连成整体。树根桩即为小直径钻孔灌注桩,直径 100～250mm,间距 0.5～1.0m,桩端深入基底 1～3m,利用加强筋和喷射混凝土连接成整体。

2)超前加固注浆,即沿开挖面竖向钻孔注浆,利用水泥浆渗透固结土层,即使开挖工作面具有临时自稳能力,以便施工土钉墙。

3)超前土钉加固,即沿开挖面施工竖向土钉,其长度不宜小于该层开挖深度的两倍,间距宜取 300～500mm,超前土钉的上部应与已完成的支护连成一体。

4)其他超前加固措施,有打入角钢、槽钢、螺纹钢筋、预制混凝土杆件、木桩、竹桩等,目的均是为了保证开挖坡面的临时自稳能力,以便于有足够的时间做土钉墙。

5)土钉墙用于超深基坑 (深度大于 12m)、高难度基坑 [坑边紧临建 (构)筑物]和软土基坑 (淤泥质土),利用上述新技术进行了有益的尝试,取得了一定的工程经验。

3 工程实例

3.1 工程概况

某污水处理厂二期扩建工程基坑场地紧临一期污水处理厂,基坑平面尺寸为 80m×60m,基坑深12.5m,安全等级为 1级,基坑北侧距离一期进水井 8.0m;南侧距离二期待建构筑物约 8.5m,其他两侧为厂区道路与围墙,场地条件受限无放坡空间,基坑须采取可靠的支护方案。

3.2 工程地质条件

根据勘察报告,场地地质自上而下依次为以下几种。

(1)人工填土层:以强风化粉砂岩碎石土为主,含少量砂性土,土质不均匀,松散 ～稍密状,层厚 0.6～12.4m。

(2)淤泥质土:分布范围小,呈透镜体分布,软塑 ～流塑状,饱和,层厚 1.0～1.5m。

(3)粉质黏土:层厚 0.6～6.7m,可塑 ～坚硬状,湿。

(4)粉细砂、中粗砂和砾砂:层厚 2.6～10.4m,松散 ～稍密,饱和。

(5)残积粉质黏土:层厚 2.1～6.6m,硬塑状,湿。

该场地地下水类型以第四系孔隙潜水为主,砂层为主要含水层,北侧为龙岗河,砂层构成良好的水力通道,水量丰富,埋深 0.6～3.8m,对基坑支护影响较大。

3.3 支护设计方案

通过多方案经济、技术比较,基坑采用止水型土钉墙支护方案,方案特点有以下几点。

(1)为防止地下水位降低引起周边环境产生过大的沉陷,采用单排搅拌桩作止水帷幕。搅拌桩直径 550mm,相互搭接 150mm,桩深度平均12.0m,帷幕穿过砂层进入弱透水层不小于 2.0m,形成全封闭的止水帷幕墙。

(2)由于砂层中难以成孔,采用了打入钢花管注浆式土钉,钢管采用 D48,δ3.5电焊钢管,用 3φ16钢筋邦焊接长,土钉长度 6.0～8.0m,高压注浆时控制注浆压量,确保土钉抗拔锚固力。

(3)为限制土体位移,在土钉中设置 3排预应力锚杆,第一排锚杆也打入钢花管注浆形成锚杆,钢管采用 D60,δ3.5无缝钢管制作,长度16.0m,采用 3φ20钢筋双面邦焊接长。预应力锚杆设计抗拔力 300kN,施加预应力 250kN。

(4)该方案施工速度快,节省工程造价,且工序相对简单。

3.4 施工方法

该支护工程施工工艺为:先施工搅拌桩止水帷幕,然后分层开挖施工土钉墙,由于基坑场地作业面积大,遵守分区、分层、分段、对称、均衡、适时的原则。上层土钉喷射混凝土完成后,并具有一定强度,方允许开挖下一层土方。第一、第二排土钉采用洛阳铲成孔,下部的土钉和预应力锚杆均采用自制设备打入钢花管后,高压注浆,防止水土流失。整个基坑工程于 2008年 8月竣工,施工工期150d。

3.5 监测成果分析

基坑施工前,在基坑四周布置了水平和沉降位移监测点,监测结果表明:①基坑最大位移发生在东侧中部,最大位移 15mm,其他三侧位移最大11mm;②沉降位移最大 25mm,位于东坡中部;③边坡的位移和沉降是随着开挖深度的增加而逐步增大的,位移曲线呈锯齿状;④测斜和沉降位移较少,分析是锚杆的预加应力起了很大的作用。

4 结论

经过多年的理论研究和大量的实际工程实践,促进了土钉墙支护技术的发展,突破了原来的使用禁区,极大地拓展了土钉墙技术的应用范围,为深基坑土钉墙支护技术的设计和施工提供指导。土钉墙技术成为深基坑支护中很有竞争力的手段,并大大地提高了其安全性,节省了工程造价和施工工期,取得了显著的经济效益。

1 陈肇元,崔京浩.土钉支护在基坑工程中的应用 (第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.

2 清华大学土木工程系,总参工程兵科技三所 .基坑土钉支护技术规程 [M].北京:中国工程建设标准化协会,1997.

3 孙铁成,张明聚,徐从平,等.复合土钉支护技术[J].工程力学,2002,19(增Ⅱ):59-62.

4 杨志银,张俊.深圳地区深基坑支护技术的发展与应用 [J].岩石力学与工程学报,2006,25(增Ⅱ):3377-3380.

5 孙铁成,张明聚,杨茜.深基坑复合土钉支护模型试验研究 [J].岩石力学与工程学报,2004,23(15):2585-2592.

6 马军,郄伟丛.软土地基基坑搅拌桩加土钉墙支护技术 [J].建筑技术,2002,33(2):123-124.

7 唐军,曹钦.复合土钉墙在超大型深基坑中的应用[J].建筑施工,2001,23(6):394-395.

8 刘雷,薛守良.土钉与预应力锚索复合支护技术的应用 [J].铁道建筑,1998,(9):29-31.

9 汤凤林,林希强.复合土钉支护技术在基坑支护工程中的应用—以广州地区为例 [J].现代地质,2000,14(1):100-104.

10 深圳市标准.SJG 05—96深圳地区建筑深基坑支护技术规范,1996.