复合土钉墙在深基坑支护中的应用

【摘要】本文依据中国铁建·龙沐湾一号项目二期基坑支护方案及勘察设计院出具的合格的勘察地址报告，结合现场地形地貌及水文条件，综合比选支护方案，制定了挂网喷射混凝土的复合土钉墙支护方案，本文介绍了复合土钉墙的深基坑支护工程设计方案在房屋建筑工程中的应用，节约了施工成本，满足了现场的施工进度要求。

【关键词】基坑支护;喷锚网;深基坑;土钉墙

1、工程概述及研究背景

本文结合中国铁建·龙沐湾C区项目二期工程实际情况，简单介绍了深基坑支护技术在本工程中的方案设计及工程应用，通过对项目地质勘查报告的分析、深基坑支护承载力的计算以及基坑支护的现场施工经验，从而完成工程深基坑支护方案的确定，提高了施工质量，加快了施工进度。

海南龙沐湾C区项目二期用地面积约104亩，总建筑面积约90469.68m2，场地距离海边约200m。项目二期包含2栋15F住宅楼（编号1#楼，4#楼），1#楼、4#楼结构类型为剪力墙结构，拟采用预制混凝土桩基础;拟建4栋15F住宅楼（1#楼～4#楼）设一层整体地下室，深度约6.0m，项目基坑南北约200m，东西约111m。拟建15F住宅楼工程重要性等级为二级，4层及5层洋房工程重要性等级为三级，建筑场地类别为Ⅱ类，场地等级为二级，地基等级为二级，岩土工程勘察等级为乙级。

2、场地岩土工程条件

根据勘察单位提供的项目地质资料及本次钻探揭露，本次勘察场地埋藏的地层分别有人工填土层（Qml）、第四系全新统海陆交互相沉积层（Q4mc）、第四系上更新统海陆交互相沉积层（Q3mc）及第四系下更新统海陆交互相沉积层（Q1mc）。将场地钻探范围内所揭露的地层划分为5个岩性单元层，项目场地各地层及其分布情况列于表1所示：

3、工程地下水概况

依据地勘报告知：本次勘察深度范围内，③层、④层粉质黏土为弱透水层，其它各层为强透水层。勘察期间为丰水季节，各钻孔均遇见地下水，含水层岩性为②层中砂、③1层粉砂，透水性强，项目场地及附近地形变化较大，地下水径流较快，地下水排泄方式以径流为主，以蒸发为次。勘察期间所测得的地下水静止水位埋深在0.20～1.00m之间，其标高在0.86～3.44m 之间。暴雨或大潮时，部分地段水位淹没地面，据区域水文地质资料，其水位年变幅约2.00m。

综合评定：本场地②层中砂、③1层粉砂为强透水土层，基坑施工时应注意边坡及坑底的透水涌水影响，采用相应施工保护措施。

4、深基坑支护设计方案选择

根据地质勘察报告，综合考虑现阶段深基坑支护方案的对比及现场周围环境情况，初步选则挂网喷射混凝土的复合土钉墙支护方案，支护方案对比详情见下表3所示。

土钉墙支护充分利用土层介质的自承力，形成自稳定结构，承担较小的变形压力。土钉主要承受拉力，喷射混凝土面层调节应力分布，体现整体作用。同时由于土钉排列较密，通过高压灌注浆扩散后使土体性能提高。

本工程基坑深度为4.95-5.95m，根据基坑深度及周边环境条件及场地地质情况分1个支护剖面，依据《建筑基坑支护技术规程》，基坑支护安全等级为二级，侧壁重要性系数γ取1.0;依据《建筑地基基础工程施工质量验收规范》，本基坑工程变形控制等级为二级。基坑周边荷载取值：基坑周边荷载取值20KPa，基坑周边道路荷载取值25Kpa。本工程基坑支护设计采用复合土钉墙支护。根据地质勘察报告现水位位于埋深在0.20～1.00m之间，其标高在0.86～3.44m 之间，本工程基坑降水采用轻型井点降水。

在实际施工中是边开挖边支护，缩短了项目施工时间和成本。龙沐湾项目主要采用挂网喷射混凝土的复合土钉墙支护方案，现场施工图如下图1所示。

5、复合土钉墙支护在工程中的应用

5.1 深基坑支护参数

5.1.1 结构材料

1）混凝土強级：喷射混凝土面层采用C20混凝土，混凝土保护层厚度为30mm;

2）钢筋：HPB300，fy=fy'=270N/mm?，HRB335钢筋，fy=fy'=300N/mm?，HRB400钢筋，fy=fy'=360N/mm?;

3）焊条：HPB300钢筋采用E43系列焊条，HRB335、HRB400钢筋采用E50系列焊条，钢筋焊接依据《钢筋焊接及验收规程》有关规定;

4）锚杆杆体材料采用1860级钢绞线，fpy=1320N/mm?;fpy'=390N/mm?;

5）钢材：采用Q235等级钢材;

6）水泥：强度等级PO42.5;

土钉道数及土钉设计参数如表4、表5所示。

5.1.2 土钉墙的施工工艺

（1）管井降水布设方案及其施工工艺

本工程为减少降水对周围环境的影响，在降水实施过程中，保证降水在达到设计要求的同时，采用大口管井降水方案，采用多井浅降，控制水位降深和降水速率，以减少因降水而引起的建筑物、路面和管网沉降。基坑降水示意图如图2所示。

管井施工孔径为300mm，管径为200mm，井深25m。管井降水施工质量要求如下：

1）定位：井位偏差小于5cm。

2）钻孔：一径到底，不留沉渣，钻孔要求正、圆、直、倾斜度小于1%。

3）下管：井管居中，不偏不斜。

4）填滤料：井管外滤料规格应满足D50=（6-8）d50，要求选择均匀干净，磨圆度较好的硬质岩石，不宜采用棱角壮石渣料、风化料和其它粘质岩石。充填应密实。

5）水泵要求按要求安装好，排水系统安装紧密，使降水工作顺利进行。

6）抽水派专人负责，定时测量，严格控制出砂量不大于5/10000。

7）备好10台备用潜水泵，井下抽水泵出现故障立即更换。

8）基坑外封井时，用大功率水泵将水降至基底以下1.0米，采用粘土填实至自然地面。

（2）土钉墙施工工艺

1）土钉成孔优先采用人工成孔的方式，采用梅花形布置，直径100mm，成孔倾角15度。钻孔的倾角误差不大于3°，孔径允许误差为±5mm，孔深允许偏差为±50mm;当洛阳铲成孔困难时，采用机械成孔或钢管土钉;

2）土钉钉体接长采用焊接方式，焊接必须符合规范要求;在边坡坡面上，按设计要求铺设钢筋网片，钢筋网片规格采用Φ6.5@250*250mm，接头搭接不小于300mm。在钢筋网片外面焊接加强筋一道，连接横排土钉以提高整体性，采用Φ18钢筋。

3）土钉杆体应沿土钉轴线方向每隔2m左右设置一个居中支架，居中支架采用φ6.5 HPB300钢筋制作，并将用作居中支架的钢筋弯成弧形与土钉杆体焊接;

4）土钉注浆采用P042.5号纯水泥浆，水灰比0.55，初步确定注浆水泥用量为30kg/m3，施工前需进行试验确定。

5）土钉施工前应查明土钉范围内的地下管线，如与设计不符应及时通知设计单位进行处理。

（3）喷射混凝土面层施工要求

1）采用潮喷法喷射砼。水泥、砂、石按配比拌均匀，施工供水保证喷头处水压力需要。喷射作业应分段进行。

喷射压顶：压顶喷射前应先进行基地清理，将压顶范围内的建筑垃圾清理掉。基地清理好后进行混凝土喷射。并收压平整。

喷射作业应分段进行，同一分段内喷射顺序自下而上，一次喷射厚度不小于40mm。

2）喷射混凝土时，喷头尽量与受喷面保持垂直。

3）喷射混凝土面层终喷2h后，喷水养护，养护时间根据气温确定。

5.2   深基坑土钉设计估算

5.2.1  土钉极限抗拉承载力

土钉极限抗拉承载力R按以下两个公式计算，并取其中较小值。

（1）按土钉抗拔条件计算：

（2）按土钉受拉屈服条件：

式中：

d0——土钉孔径，m;

db——土钉杆件直径，m;

la——土钉在破坏面侧伸入稳定土体的长度，m;

——土钉与土体之间的界面黏结强度，kPa;

fy——钢筋抗拉强度，N/mm2。

经比较，土钉的极限抗拉承载力R=110.71kN。

5.3  土钉内部验算

5.3.1  土钉抗拔承载力验算

单根土钉轴向拉力：

经比较，R=125.38KN>Nt 。所以，土钉抗拔承载力满足要求。

5.4  内部整体滑动稳定性验算

假定破坏面上的土钉只承受拉力，且达到极限抗拉能力R，按圆弧破坏面采用简单条分法对土钉支护作内部整体稳定性验算，稳定性验算及计算简图如图3，图4所示。计算公式如下：

式中： Wi——i土条的重量，kPa;

Qi—作用于i土条的地面荷载，kPa;

ai—第i土条圆弧滑动面切线的水平倾角，（度）;

bi——第i土条宽度，m;

Ssh——第k排土钉的水平间距，m;

ks——内部整体滑动稳定性安全系数，一般不小于1.3。

经计算， 。所以，内部整体稳定性满足要求。

经以上简要数据对比估算，考虑到龙沐湾一号二期施工场地较为开阔，采用边开挖边支护、跟进作业。按照设计规定的各排土钉长度、直径加工成合格的土钉，采用Φ22@1500mm钢筋长度制作成型T型固定筋以备使用，每间距2.0m用三根20cm长Φ8圆钢在土钉上焊一个对中支架，确保注浆时土钉杆体居中。钢筋网片规格采用6.5@250mm*250mm。在钢筋网片外面焊接加强筋一道，单根菱形连接横排与竖排土钉以提高整体性，采用Φ18@1500mm*1500mm的规格。土钉墙支护方案满足承载力、稳定性规范要求，技术安全可行。

结语：

工程实践表明，针对拥有高水位和较为复杂的沿海地质条件，喷射混凝土加钢筋网片的复合土钉墙基坑支护能合理利用土体的自身承载力，将土体作为支护结构的一部分，结构柔性较大，有良好的延性和抗震性，施工设备简单，防腐性能好，造价成本相对其他支护方案较低，对于场地空间宽阔的基坑可以适当放坡。

中国铁建·龙沐湾一号项目二期工程采用自然放坡和喷射混凝土加钢筋网片的复合土钉墙支护方案，解决了施工场地较小，降水难度较大的工程问题;在工期紧、任务重的情况下，基坑分层开挖，分层支护，有效的加快了工程进度;建筑基坑工程安全质量满足现行规范要求，方案合理适用，有效的节约了成本、提高了施工质量，按照项目总工期计划节点完成了深基坑开挖与支护施工，并且取得了良好评价和社会效益。

参考文献：

[1]中国建筑科学研究院主编.《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2002）.北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2]中国建筑科学研究院主编.《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）.北京：中國建筑工业出版社，2011.

[3]中华人民共和国建设部主编.《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）.北京：中国建设工业出版社，2010.

[4]应惠清.《基坑支护工程》.北京：中国建筑工业出版社，2003.

[5]程杰林.深基坑土钉墙支护的作用机理及稳定性分析[J].资源环境与工程，2006，20（s1）：672-683.

[6]胡生品.土钉墙施工技术在深基坑支护工程中的应用[J].建筑工程技术与设计，2015（36）.

[7]李洪斌.壁挂式复合土钉墙深基坑支护设计与施工[J].广东土木与建筑，2008（6）：43-44.

[8]刘兴旺，王洋，刘长志， 等l.深基坑复合土钉墙支护技术研究与应用[C].中国建筑学会建筑施工分会、中国工程机械工业协会施工机械化分会会.2014.

作者简介：

张彦刚，主要从事建筑工程专业技术与管理研究。