在砂卵石地层深基坑支护中土钉墙技术的应用实践

牟联合， 冯升学

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

成都地区建筑物基坑施工由于受周边建筑物的场地限制影响，以及建设工期和节省造价的要求,在深基坑临时支护方式中，选择使用土钉墙支护技术。土钉墙是由间距较小、长度较短的土钉(注浆的锚管)、喷射混凝土面层和被加固土体组合而成的加筋式复合土体的支护结构体系，因其工程造价经济、施工简便、施工周期短、对场地要求较小等特点，在高边坡工程、深基坑工程中得到了广泛的应用，上世纪90年代后逐渐应用于高层建筑的深基坑开挖的支护工程中，但在砂卵石地层深基坑支护方案采用土钉墙支护的施工难度较大，有一定设计技术水准。通过一工程实例，探讨了在砂卵石地层中采用土钉墙支护的设计、施工经验。

1 工程概况

1.1 基本情况

某大楼位于光华大道南侧，正北面为温江花博会主会场，距温江城区约1 km；拟建建筑物包括19层的办公主楼(1号楼)和2层的档案馆及会议中心(5号楼)等，1号楼部分设置2层地下室，5号楼部分设置1层地下室，两部分基坑在地下室一层连为一整体，基坑形状呈“L”形。1号楼基坑坑底标高为-11.50 m，5号楼基坑坑底标高为-6.80 m，地面标高为-0.80 m，基坑开挖深度分别为10.70 m和6.00 m。基础形式采用筏形基础，结构类型为剪力墙结构。为保证结构施工时基坑边坡稳定及场地周边设施、建筑物安全，决定在基坑开挖时采用土钉墙进行支护(见表1)。

表1 基坑概况

1.2 工程地质

场地处于成都平原中部，该区域构造属新华夏系第三沉降带四川盆地西部，区内断裂构造和地震活动较微弱，历史上未发生过强烈地震，从地壳稳定性来看应为稳定区。根据勘察所揭露深度40.2 m范围内地层，表层为耕植土层，下部为第四系更新统冲洪积层(粉质黏土、砂层及卵石层)。基坑施工范围内大部分为砂卵石地层,各层的岩性特征如下：

耕植土①层：浅黄色、灰黑色，干～稍湿，松散。主要由黏性土组成，含大量植物根系，场地内广泛分布，层厚0.40～1.30 m。

粉土②层：灰黄色、浅黄色、灰色，稍湿，松散。主要由粉粒组成，含部分黏粒，场地内广泛分布，层厚0.40～3.2 m，埋深0～1.5 m。

粉质黏土③层：灰黄色﹑浅黄色﹑黄褐色，稍湿，松散。主要由黏粒和粉粒组成，层厚0.50～1.60 m。

细砂④1层：灰色、灰白色、浅灰色，稍湿，松散。主要由石英、长石、云母片和大量暗色矿物组成。主要分布于卵石层顶部，个别地段渐变为中砂或粗砂，分布广泛，厚度变化大，层厚0.20～1.3 m，埋深0.50～2.6 m。

中砂④2层：褐黄、褐灰、黄灰色，很湿～饱和，松散。以长石、石英为主，含少量云母片、暗色矿物，其中混有少量卵石及圆砾。该层呈薄层或透镜体状不规则分布于卵石层中，层厚0.5～2.9 m，埋深0.70～21.1 m。

卵石⑤层：母岩成分以花岗岩、石英岩、闪长岩为主，一般粒径3～10 cm，最大粒径20 cm左右。上部花岗岩呈中～强风化。充填物以中细砂为主。磨圆度、分选性中等，各段卵石含量不均匀，大部分在50%以上，有愈向深处愈为密实的趋势。卵石层埋深0.5～3.7 m。

1.3 水文地质条件

场地地下水主要赋存于第四系砂卵石层中，属孔隙潜水，受大气降水及地下水径流补给，场地内地下水位埋深5.5～6.9 m，在进行地下水位以下基坑开挖施工前进行基坑降水，将地下水位降至开挖底面以下。

2 土钉墙支护的作用原理

土体的抗剪强度较低，抗拉强度几乎为零，但土体具有一定的整体性，在基坑开挖时可使土体保持直立的临界高度，超过这个高度将发生突发性、整体性破坏。在土体中放置土钉与土共同工作，形成复合土体，有效地提高土体的整体刚度，弥补土体抗拉、抗剪强度的不足。通过相互作用和应力重分布，使土体自身结构强度的潜力得到充分发挥，改变土体破坏形态。

3 土钉墙设计

由于基坑距已有建筑较远，地表载荷较小，且具备一定的放坡开挖条件，根据场地所处位置、岩土工程条件和施工条件，结合成都市区常用的、既经济又安全的基坑支护方式，并经多种支护方式的分析比较，确定采用土钉墙支护方案。支护段周长约725 m，护壁高6.0～10.7 m，总支护面积约6 967 m2。

3.1 土钉支护设计

3.1.1 设计参数的确定

(1)岩土物理力学参数。支护设计所需的岩土物理力学参数按岩土工程勘察报告选用。

(2)放坡宽度。根据场地施工条件和土钉墙支护的特点，基坑开挖放坡宽度为2.6～2.8 m，局部1.8 m。

(3)开挖深度。拟建建筑地下室顶板标高相对±0.000的高程为-5.85和-9.90 m，需开挖至-6.80～-11.50 m。根据场地现状基坑开挖深度为6.0～10.7 m，局部4.7 m。

(4)地表堆载。在基坑开挖和基础施工过程中，场地周边会堆放一些建筑材料以及施工机具和人员的通行，地表堆载按均布荷载考虑，均布荷载q0取5 kN/m2。

3.1.2 设计参数的计算

(1)地表堆载q0引起的侧压力σ0k，用公式(1)计算。

σ0k=q0

(1)

(2)自重竖向应力σrk。

①计算点位于基坑开挖面以上时，用公式(2)计算:

σrk=γmjzj

(2)

式中γmj——深度zj以上土的加权平均天然重度。

②计算点位于基坑开挖面以下时，用公式(3)计算:

σrk=γmhh

(3)

式中γmh——开挖面以上土的加权平均天然重度；

h——基坑开挖深度。

(3)基坑外侧竖向应力标准值σajk，用公式(4)计算。

σajk=σ0k+σ1k+σrk

(4)

(4)支护结构水平荷载标准值eajk。

①当计算点位于地下水位以上时，用公式(5)计算:

eajk=σajkKai-2cik(Kai)1/2

(5)

②计算点位于地下水位以下时，用公式(6)计算:

eajk=σajkKai-2cik(Kai)1/2+[(zj-hwa)-(mj-hwa)ηwaKai]γw

(6)

式中Kai——第i层土的主动土压力系数；Kai=tg2(45-φik/2);

φik——第i层土的内摩擦角标准值；

cik——第i层土的黏聚力标准值；

hwa——基坑外侧水位深度；

ηwa——计算系数；

mj——计算参数；

γw——水的重度；

h——基坑开挖深度。

(5)单根土钉抗拉承载力计算，用公式(7)计算。

1.25γ0Tjk≤Tuj

(7)

Tjk=ζeajkSxiSzi/cosαj

Tuj=(πdnj∑qsikli)/γs

式中Tjk——第j根土钉受拉荷载标准值；

Tuj——第j根土钉抗拉承载力设计值；

ζ——荷载折减系数；

Sxi、Szi——第j根土钉与相邻土钉的平均水平、垂直距离；

αj——第j根土钉与水平面的夹角；

dnj——第j根土钉锚固体直径；

qsik——土钉穿越第i层土体与锚固体极限摩阻力标准值；

li——第j根土钉在直线破裂面外穿越第i层稳定土体内的长度。

3.2 土钉墙整体稳定性分析

土钉墙应根据施工期间不同开挖深度与基坑地面以下可能滑动面采用圆弧滑动简单条分法按下式进行整体稳定性验算，用公式(8)计算：

∑cikLi+s∑(wi+q0bi)cosθitgφik+∑Tnj×[cos(αj+θj)+sin(αj+θj)tgφik/2]-sγkγ0∑(wi+q0bi)sinθi≥0

(8)

Tnj=πdnj∑qsiklni

式中Tnj——第j根土钉在圆弧破裂面外锚固体与土体的极限抗拉力；

lni——第j根土钉在圆弧破裂面外穿越第i稳定土体内的长度。

3.3 设计计算结果

根据上述计算参数和依据进行计算，具体确定的支护技术指标如下：

(1)基坑土钉墙护壁段总长度为725 m，护壁面积约6 920 m2，护顶宽度1.0 m，局部0.7 m。第一排距地面1.0～1.2 m，竖向间距1.5 m，水平间距1.2～1.5 m，土钉倾角为15°。具体布置见表1。

(2)土钉是选用直径Ф48、壁厚3.3 mm的钢管，且管壁预钻Ф8的灌浆梅花孔洞，管内灌注0.5 ∶1纯水泥浆构成，土钉外露端部用纵、横向加强筋均为Ф14；基坑深度4.7 m和6 m的钢筋网为Ф6.5、间距为300 mm×300 mm，基坑深度10.7 m的钢筋网为Ф8、间距为200 mm×200 mm，所有钢筋网翻卷宽度1.0 m，其上作护顶。

喷射C20细石素混凝土，厚度100 mm；设置排水管采用Ф30PVC管，长度500 mm，纵横向间距3 m。

表1基坑各断面土钉支护布置

基坑断面土钉排数土钉长度/m竖向间距/m横向间距/mD1712、11、11、10、8、6、51.51.2D2710、10、9、8、7、6、51.51.5D3711、9、8、7、7、6、51.51.5D4710、9、9、8、8、6、51.51.5D5710、9、9、8、7、6、41.51.5D649、8、7、61.51.5D746、5、4、31.51.5D846、5、4、41.51.5D935、4、31.51.5D10711、11、10、9、8、6、51.51.5D11711、9、9、8、7、6、41.51.5

4 土钉墙的主要施工

工程施工于2007年6月开始，10月结束；土方开挖采用“先周边，后中间”原则，分段开挖，作业面在水平方向上按20 m距离分段开挖。基坑支护施工在每一层周边开挖完成后进行，与该层中间的开挖交叉施工，每层的开挖深度控制在1.5～1.8 m以内，在遇含砂层时控制在1 m以内。

4.1 主要设备和人员投入(见表2)

电动空压机额定功率55 kW，混凝土喷射机7.5 kW，电焊机20 kW，注浆机11 kW，灰浆搅拌机7.5 kW，砂轮切割机2.5 kW。

4.2 土钉结构示意(见图1)4.3 工艺流程

主要施工工艺流程为：

图1 锚管土钉

土方开挖→人工清坡到位→锚杆机就位→土钉施工→挂钢筋网及焊接加强筋→喷射混凝土→一次土钉灌浆→待凝→二次灌浆→下一层土方开挖的循环顺序进行施工作业。

表2 劳动力及施工机具

当施工遇见纯砂层或砂卵石地层时，则在人工清坡后锚杆施工前进行初喷混凝土及挂钢筋网，以防止砂(卵)石层坍塌。

4.4 土钉墙施工过程控制要点

(1)在基坑边坡分层分段开挖后，应及时跟进土钉墙施工，防止开挖边坡的长时间裸露，尤其是砂层要及时素喷覆盖。

(2)土钉施工前按设计要求定出位置并作标记和编号，位置误差小于150 mm，土钉倾角误差小于3°，孔深误差小于+200 mm、-50 mm，土钉施工过程中遇障碍物或难以达到设计要求时，可适当调整位置或增加土钉数量。

(3)锚管的注浆质量是保证土钉拉拔力的关键，严格控制注浆质量，主要抓好对注浆结束标准及注浆压力的控制，在每一次灌浆结束且终凝后，即可进行补强灌浆。

(4)喷射混凝土顺序自下而上进行，喷头与受喷面距离0.8～1.5 m，射流方向与喷射面垂直，钢筋部位应先喷填钢筋后方，再喷面层覆盖。混凝土终凝后，应喷水精心养护。

(5)对于场地分布有细砂、中砂地段，应严格控制土方开挖深度不超过1.5 m，并挖探槽，若层厚超过1.0 m，应先做斜管，注浆24 h后才开挖下一层；现场准备一定数量装满砂的纺织袋及撑木，以备急用于土质差地段(淤泥、砂层、杂填土、人工填土等)或严重渗水地段，土方开挖及喷锚支护过程中，应随时观察坑壁坑顶有无裂缝及其变化情况，若有变化，采取加固措施。

(6)在基坑支护期，直至地下室回填，坚持做好基坑边坡变形观测，在基坑周围平均布置了15个变形观测点，在基坑成型初期每天观测1次，在基坑支护结构变形趋于稳定后，3天至1周观测1次，若出现位移值较大等异常情况应及时进行处理，从变形观测数据来看，除刚提到的变形观测点最大为28 mm外，其余各段变形值都较小，说明土钉墙支护结构整体上是稳定的。

(7)对于第一排土钉距地表大于2 m或地层松软的地段，加设Φ16地表锚拉筋；在距坡口6～10 m以外打Φ50的钢锚拉杆，并与边坡钢筋网上的Φ16钢筋连接，垂直锚杆间距3～5 m，以预防坡顶的变形。

(8)要做好坡顶排水和防水工作，在坡顶1.5 m范围内，用15 cm水泥砂浆封口，避免水渗漏冲刷边坡，引起边坡失稳；特别要做好基坑周边降水设施的有效运行，雨季坡顶的排水工作，确保基坑边坡支护期的安全。

(9)地表堆载：在基坑开挖和基础施工过程中，场地周边会堆放一些建筑材料以及施工机具，地表堆载按均布荷载考虑，均布荷载q0控制在5 kN/m2以内。

(10)遇密实砂卵石层或粒径大于15 cm的卵石，采用锚杆机钻进时，钻进至4～5 m深后，锚杆很难继续钻进，该工程中遇到此类问题，只有移孔位、采取人工掏孔或增补锚杆措施，没有其他更好的处理方法。

5 结 语

该项目土钉墙支护工程设计和施工为建筑主体的顺利实施提供了充分的保障和条件，期间经受了“5·12”汶川大地震冲击的安全考验，为在砂卵石地层实施土钉墙方案提供了成功的实践经验，在砂卵石地层深基坑支护中土钉墙技术得到了很好的应用。