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摘要:本文就复合土钉墙支护技术在某深基坑中的成功运用进行了分析，以供类似工程参考。
关键词: 基坑；复合土钉墙；支护；计算
Abstract: this paper composite soil nailing wall technology in the successful use of a deep foundation pit are analyzed as reference for other similar projects.
Keywords: foundation pit; Composite soil nailing wall; Support; calculation
中图分类号：TV551.4文献标识码：A 文章编号：
一、前言
随着城市建设的快速发展，为缓解人口密集、土地紧张、交通拥挤、环境污染等引发的矛盾，地下空间的合理开发与有效利用已显得越来越重要，如地下停车场、地下公共交通通道已广泛用于国内大城市基础建设之中。土钉墙技术是基坑工程加固新技术的典型代表，把混凝土与钢筋材料组合运用，大大改善了基坑工程的牢固性。基坑支护、开挖与地下结构建造技术成为制约建设工程造价、质量和速度的一个重要因素。而复合土钉墙支护结构具有安全可靠、造价低、工期短、使用范围广等特点，因而获得了越来越广泛的工程应用。本文就复合土钉墙支护技术在某深基坑中的成功运用进行了分析，以供类似工程参考。
二、复合土钉墙支护种类
（1）土钉与预应力锚杆复合支护
土钉与预应力锚杆这种复合支护形式是在当地层条件为粘性土层和周边环境允许降水，但基坑较深及无放坡条件的情况下，采用土钉墙、预应力锚杆这种复合土钉墙形式。在复合土钉墙的中部设置1～3排预应力锚杆，对土钉墙施加初始背拉力，可大大减少土钉墙的位移，提高工程的安全度，满足不同实际工程的需要。一般预应力锚杆可采用钢绞线预应力锚索和钢筋预应力锚杆，也可采用钢管预应力锚杆。锚杆锚头必须与喷射混凝土面层连接可靠，可设置承压板和喷射混凝土连梁，锚头承压板或连梁通过计算确定，保证足够的强度和刚度，将锚固力有效地传递到面层或土层中。复合土钉墙中预应力锚杆与桩锚体系中的预应力锚杆有所不同，设计荷载不宜过大，一般宜小于300kN。
（2）土钉与微型桩复合支护
当土质条件较差，为确保边坡在土方开挖后和支护施工完成前的稳定性，需采取超前加固措施，即采用土钉与微型桩复合支护。由于微型桩的作用主要在开挖人工填土层时防止塌方及加固填土层，而在基坑支护设计计算时基坑深度仍取至主坑底，考虑微型桩的作用，从而隐性地增加了基坑整体安全系数。微型桩常采用直径100～300mm的钻孔灌注桩，桩插入基坑底面以下2～3 m。微型桩配置钢筋笼或型钢，配置型钢时，以16～22号工字钢应用最多。微型桩上常设置小型冠梁或连梁，将桩连接在一起，连梁上常设置预应力锚杆或土钉。
（3）土钉墙与微型桩、预应力锚杆复合支护
当基坑开挖线离红线和建筑物距离很近，且土质条件较差，开挖前需对开挖面进行加固，搅拌桩又无法施工时，采用土钉墙、微型桩和预应力锚杆这种复合土钉墙支护形式。微型桩常采用直径100～300mm的钻孔灌注桩、型钢桩、钢管桩以及木桩等，预应力锚杆加强土钉墙，限制土钉墙位移。
（4）土钉墙与止水帷幕、预应力锚杆复合支护
这是应用最为广泛的一种复合土钉墙形式。由于降水经常引起基坑周围建筑、道路的沉降，造成环境破坏，引起纠纷。所以，一般情况下，基坑支护均设置止水帷幕，止水帷幕起止水和加固支护面的双重作用。复合土钉墙中经常用到止水帷幕，止水帷幕一般采用相互搭接的深层搅拌桩或高压旋喷桩，伸入基坑底部2～3m，并需要穿过强透水层，进入到不透水层1～2m。深层搅拌桩造价比较便宜，它适合于人工填土、一般粘性土和中粗砂以下的砂土地层。单头搅拌桩直径常采用500～600mm，间距400～450mm。当土质较差及水量较大时，可采用2排或3排搅拌桩形成止水帷幕并加固土体。由于搅拌桩止水帷幕效果好，造价便宜，而高压旋喷桩虽易施工但造价较高，所以在可能条件下均采用搅拌桩作为止水帷幕，只有在搅拌桩难以施工的地层使用旋喷桩。止水后土钉墙的变形一般较大，在基坑较深，变形要求严格的情况下，需要采用预应力锚杆限制土钉墙的位移，这样就形成了最为常用的复合土钉墙形式，即土钉墙與止水帷幕、预应力锚杆复合支护形式。这种形式之所以应用广泛，是因为它满足了大多数实际工程的需要。在设计中，根据基坑深度、工程地质及周边环境条件，计算选择这种复合土钉墙的各种参数。
（5）土钉墙与微型桩、止水帷幕、预应力锚杆复合支护
当基坑深度较大，变形要求高，地质条件和环境条件复杂时，采用土钉墙与微型桩、止水帷幕、预应力锚杆这种复合土钉墙形式。这种支护形式常可代替桩锚支护结构或地下连续墙支护。在这种支护形式中，顶应力锚杆一般2～3排，止水帷幕一般为旋喷桩或搅拌桩，微型桩直径较大或采用型钢桩。微型桩的作用与水泥搅拌桩类似，但微型桩以一定距离间隔布置，不能止水防渗。
三、复合土钉墙设计计算
复合土钉墙的设计计算与土钉墙相似，包括整体稳定性分析和土钉抗拔力验算两部分。
a)普通土钉墙整体稳定性分析计算采用圆弧滑动面方法分析计算安全系数Ks：
Ks=∑ciLiS+∑WicosθitanφiS/∑WisinθiS +∑TNjcos(θi+αi )+ξ∑
TNjcos(θi+αi)tanφi/∑WisinθiS
式中Ks—土钉墙整体稳定安全系数；ci—土体的粘聚力(kPa)；φi为土体的内摩擦角(°)；Li—土条滑动面弧长(m)；Wi—土条重量(kN)；TNj—土钉的极限抗拉力(kN)；S—土钉的水平间距(m)；θi—滑动面某处切线与水平面之间的夹角（°）；αi —土钉与水平面之间的夹角（°）；ξ—折减系数，根据经验取0.5。
b)复合土钉墙整体稳定性分析计算也采用圆弧滑动面方法分析计算安全系数Kp
Kp=ks+ξTsAs/∑WisinθiSL+η∑PNjcos(θi+αi)tanφi/∑WisinθiSm
式中Kp—复合土钉墙整体稳定安全系数；Ts—微型桩、搅拌桩的抗剪强度设计值(kPa)；
As—微型桩、搅拌桩的面积（m2）;PNj—预应力锚杆设计承载力（KN）;SL—微型桩、搅拌桩的间距（m）;ξ—组合折减系数，取值0.5～1.0;Sm—预应力锚杆的水平间距(m)；
η—折减系数，根据预应力水平在取值0.5～1.0之间取值。其于符号同上。
对于施工阶段不同开挖深度和使用阶段不同位置分别计算，保证各个阶段各个位置的安全系数均满足设计的要求，容许的安全系数可根据工程性质和安全等级在1.2～1.5之间选取。
c)复合土钉墙中土钉(锚杆)抗拔力验算与土钉墙相同，即：
KBj=Txjcosαi/eajSxSy
式中KBj——第j个土钉(锚杆)抗拔力安全系数，取1.2～1.5，对临时性土钉墙工程取小值，永久性工程取大值；Txj——第j个土钉(锚杆)破裂面外土体提
供的有效抗拉能力标准值(kN)。破裂面与水平面之间的夹角取(β+φ)/2;Sx,Sy——土钉(锚杆)水平、垂直间距(m)；eaj——主动土压力强度(kPa)。
四、工程实例分析
（1）工程概况
南方某高层建筑工程项目，地下3层，地上34层，总建筑面积96000m2，其中地下室建筑面积为18000m2。基坑开挖轮廓(长×宽)为92m×73m，开挖深度约l1.65m。
（2）地质条件及周围环境
该基坑开挖范围内自上而下主要地层有：人工回填土，埋藏植物层，淤泥质粘土，粉质粘土，粗砾砂，残积粘土层等。基坑东侧和南侧有较密的管网和重要交通道路，
特别是南侧，道路下有煤气管，排洪沟，上，下水管等7种管线，离基坑最近处只有2m。北侧相邻建筑为沉管灌注桩基础，西侧为待建小区道路。
（3）支护方案
根据地质和周边工程条件，基坑支护南、北、东3面采用复合土钉墙第一种模式，即单排深层搅拌桩止水帷幕+土钉墙+预应力锚杆，其中南侧为保护坑边煤气管，在长约36m的地下车道处(坑壁距煤气管约3m)增加了一排型钢微型桩，即采用复合土钉墙第4种模式。支护参数为，深层搅拌桩Φ500@400，桩长14m；土钉设置7排，长度10—12m，采用打入式高压注浆钢管土钉(Φ48、＆3.5)；预应力锚索设置两排，长16—18m，由3根Φj 15钢绞线组成；微型桩直径Φ250，配置型钢为18α工字钢；基坑西侧为普通土钉墙，并设有5口降水井。基坑东侧支护典型剖面如图1所示。
图1.基坑东侧土钉墙剖面
（4）施工与监测情况
該基坑于2009年6—8月完成基坑开挖和支护工作。施工期间进行了较全面的工程监测，包括基坑周边水平位移，坡顶和邻近道路的沉降观测，地下水位观测，坡体位移观测(用测斜管测斜)。根据监测结果，至2009年8月底，基坑周边位移多数点在40mm以下，少数点达到50～60mm；沉降值多数点在30mm范围内，特别是在管线密集的东侧和南侧沉降值基本在20mm以下。坡体位移观测南侧较大位移部位在地下4.5～8.0m，位移值27～28mm；东侧最大位移在地面下4.5～9.0m，位移值在4l～43mm之间。总之，基坑稳定情况良好。监测也发现，在台风和暴雨以及西侧修路、挖沟、积水对边坡部分测点位移有明显影响。
（5）常见的病害处理
基坑周围常见的病害有裂缝、坍塌等，施工人员准确分析病害的成因后制定针对性的处理方案。处理裂缝通常选用注浆方式，把高性能混凝土砂浆注入裂缝中，充分凝固后达到加固效果；坍塌处理则要对边坡进行维修，尽可能在保持原有土体层结构的情况下加固维修。
五、结 论
综上所述，在复杂地质条件的地方，复合土钉墙具有传统土钉墙无法比拟的优点。复合土钉墙技术具有安全可靠、造价低、工期短、使用范围广等特点。但施工流程相对复杂，只有确保每个施工质量才能起到最佳的基坑支护效果。
参考文献：
[1]SJG05-96，深圳地区建筑深基坑支护技术规范[S]．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词: 基坑；复合土钉墙；支护；计算
Abstract: this paper composite soil nailing wall technology in the successful use of a deep foundation pit are analyzed as reference for other similar projects.
Keywords: foundation pit; Composite soil nailing wall; Support; calculation
中图分类号：TV551.4文献标识码：A 文章编号：
一、前言
随着城市建设的快速发展，为缓解人口密集、土地紧张、交通拥挤、环境污染等引发的矛盾，地下空间的合理开发与有效利用已显得越来越重要，如地下停车场、地下公共交通通道已广泛用于国内大城市基础建设之中。土钉墙技术是基坑工程加固新技术的典型代表，把混凝土与钢筋材料组合运用，大大改善了基坑工程的牢固性。基坑支护、开挖与地下结构建造技术成为制约建设工程造价、质量和速度的一个重要因素。而复合土钉墙支护结构具有安全可靠、造价低、工期短、使用范围广等特点，因而获得了越来越广泛的工程应用。本文就复合土钉墙支护技术在某深基坑中的成功运用进行了分析，以供类似工程参考。
二、复合土钉墙支护种类
（1）土钉与预应力锚杆复合支护
土钉与预应力锚杆这种复合支护形式是在当地层条件为粘性土层和周边环境允许降水，但基坑较深及无放坡条件的情况下，采用土钉墙、预应力锚杆这种复合土钉墙形式。在复合土钉墙的中部设置1～3排预应力锚杆，对土钉墙施加初始背拉力，可大大减少土钉墙的位移，提高工程的安全度，满足不同实际工程的需要。一般预应力锚杆可采用钢绞线预应力锚索和钢筋预应力锚杆，也可采用钢管预应力锚杆。锚杆锚头必须与喷射混凝土面层连接可靠，可设置承压板和喷射混凝土连梁，锚头承压板或连梁通过计算确定，保证足够的强度和刚度，将锚固力有效地传递到面层或土层中。复合土钉墙中预应力锚杆与桩锚体系中的预应力锚杆有所不同，设计荷载不宜过大，一般宜小于300kN。
（2）土钉与微型桩复合支护
当土质条件较差，为确保边坡在土方开挖后和支护施工完成前的稳定性，需采取超前加固措施，即采用土钉与微型桩复合支护。由于微型桩的作用主要在开挖人工填土层时防止塌方及加固填土层，而在基坑支护设计计算时基坑深度仍取至主坑底，考虑微型桩的作用，从而隐性地增加了基坑整体安全系数。微型桩常采用直径100～300mm的钻孔灌注桩，桩插入基坑底面以下2～3 m。微型桩配置钢筋笼或型钢，配置型钢时，以16～22号工字钢应用最多。微型桩上常设置小型冠梁或连梁，将桩连接在一起，连梁上常设置预应力锚杆或土钉。
（3）土钉墙与微型桩、预应力锚杆复合支护
当基坑开挖线离红线和建筑物距离很近，且土质条件较差，开挖前需对开挖面进行加固，搅拌桩又无法施工时，采用土钉墙、微型桩和预应力锚杆这种复合土钉墙支护形式。微型桩常采用直径100～300mm的钻孔灌注桩、型钢桩、钢管桩以及木桩等，预应力锚杆加强土钉墙，限制土钉墙位移。
（4）土钉墙与止水帷幕、预应力锚杆复合支护
这是应用最为广泛的一种复合土钉墙形式。由于降水经常引起基坑周围建筑、道路的沉降，造成环境破坏，引起纠纷。所以，一般情况下，基坑支护均设置止水帷幕，止水帷幕起止水和加固支护面的双重作用。复合土钉墙中经常用到止水帷幕，止水帷幕一般采用相互搭接的深层搅拌桩或高压旋喷桩，伸入基坑底部2～3m，并需要穿过强透水层，进入到不透水层1～2m。深层搅拌桩造价比较便宜，它适合于人工填土、一般粘性土和中粗砂以下的砂土地层。单头搅拌桩直径常采用500～600mm，间距400～450mm。当土质较差及水量较大时，可采用2排或3排搅拌桩形成止水帷幕并加固土体。由于搅拌桩止水帷幕效果好，造价便宜，而高压旋喷桩虽易施工但造价较高，所以在可能条件下均采用搅拌桩作为止水帷幕，只有在搅拌桩难以施工的地层使用旋喷桩。止水后土钉墙的变形一般较大，在基坑较深，变形要求严格的情况下，需要采用预应力锚杆限制土钉墙的位移，这样就形成了最为常用的复合土钉墙形式，即土钉墙與止水帷幕、预应力锚杆复合支护形式。这种形式之所以应用广泛，是因为它满足了大多数实际工程的需要。在设计中，根据基坑深度、工程地质及周边环境条件，计算选择这种复合土钉墙的各种参数。
（5）土钉墙与微型桩、止水帷幕、预应力锚杆复合支护
当基坑深度较大，变形要求高，地质条件和环境条件复杂时，采用土钉墙与微型桩、止水帷幕、预应力锚杆这种复合土钉墙形式。这种支护形式常可代替桩锚支护结构或地下连续墙支护。在这种支护形式中，顶应力锚杆一般2～3排，止水帷幕一般为旋喷桩或搅拌桩，微型桩直径较大或采用型钢桩。微型桩的作用与水泥搅拌桩类似，但微型桩以一定距离间隔布置，不能止水防渗。
三、复合土钉墙设计计算
复合土钉墙的设计计算与土钉墙相似，包括整体稳定性分析和土钉抗拔力验算两部分。
a)普通土钉墙整体稳定性分析计算采用圆弧滑动面方法分析计算安全系数Ks：
Ks=∑ciLiS+∑WicosθitanφiS/∑WisinθiS +∑TNjcos(θi+αi )+ξ∑
TNjcos(θi+αi)tanφi/∑WisinθiS
式中Ks—土钉墙整体稳定安全系数；ci—土体的粘聚力(kPa)；φi为土体的内摩擦角(°)；Li—土条滑动面弧长(m)；Wi—土条重量(kN)；TNj—土钉的极限抗拉力(kN)；S—土钉的水平间距(m)；θi—滑动面某处切线与水平面之间的夹角（°）；αi —土钉与水平面之间的夹角（°）；ξ—折减系数，根据经验取0.5。
b)复合土钉墙整体稳定性分析计算也采用圆弧滑动面方法分析计算安全系数Kp
Kp=ks+ξTsAs/∑WisinθiSL+η∑PNjcos(θi+αi)tanφi/∑WisinθiSm
式中Kp—复合土钉墙整体稳定安全系数；Ts—微型桩、搅拌桩的抗剪强度设计值(kPa)；
As—微型桩、搅拌桩的面积（m2）;PNj—预应力锚杆设计承载力（KN）;SL—微型桩、搅拌桩的间距（m）;ξ—组合折减系数，取值0.5～1.0;Sm—预应力锚杆的水平间距(m)；
η—折减系数，根据预应力水平在取值0.5～1.0之间取值。其于符号同上。
对于施工阶段不同开挖深度和使用阶段不同位置分别计算，保证各个阶段各个位置的安全系数均满足设计的要求，容许的安全系数可根据工程性质和安全等级在1.2～1.5之间选取。
c)复合土钉墙中土钉(锚杆)抗拔力验算与土钉墙相同，即：
KBj=Txjcosαi/eajSxSy
式中KBj——第j个土钉(锚杆)抗拔力安全系数，取1.2～1.5，对临时性土钉墙工程取小值，永久性工程取大值；Txj——第j个土钉(锚杆)破裂面外土体提
供的有效抗拉能力标准值(kN)。破裂面与水平面之间的夹角取(β+φ)/2;Sx,Sy——土钉(锚杆)水平、垂直间距(m)；eaj——主动土压力强度(kPa)。
四、工程实例分析
（1）工程概况
南方某高层建筑工程项目，地下3层，地上34层，总建筑面积96000m2，其中地下室建筑面积为18000m2。基坑开挖轮廓(长×宽)为92m×73m，开挖深度约l1.65m。
（2）地质条件及周围环境
该基坑开挖范围内自上而下主要地层有：人工回填土，埋藏植物层，淤泥质粘土，粉质粘土，粗砾砂，残积粘土层等。基坑东侧和南侧有较密的管网和重要交通道路，
特别是南侧，道路下有煤气管，排洪沟，上，下水管等7种管线，离基坑最近处只有2m。北侧相邻建筑为沉管灌注桩基础，西侧为待建小区道路。
（3）支护方案
根据地质和周边工程条件，基坑支护南、北、东3面采用复合土钉墙第一种模式，即单排深层搅拌桩止水帷幕+土钉墙+预应力锚杆，其中南侧为保护坑边煤气管，在长约36m的地下车道处(坑壁距煤气管约3m)增加了一排型钢微型桩，即采用复合土钉墙第4种模式。支护参数为，深层搅拌桩Φ500@400，桩长14m；土钉设置7排，长度10—12m，采用打入式高压注浆钢管土钉(Φ48、＆3.5)；预应力锚索设置两排，长16—18m，由3根Φj 15钢绞线组成；微型桩直径Φ250，配置型钢为18α工字钢；基坑西侧为普通土钉墙，并设有5口降水井。基坑东侧支护典型剖面如图1所示。
图1.基坑东侧土钉墙剖面
（4）施工与监测情况
該基坑于2009年6—8月完成基坑开挖和支护工作。施工期间进行了较全面的工程监测，包括基坑周边水平位移，坡顶和邻近道路的沉降观测，地下水位观测，坡体位移观测(用测斜管测斜)。根据监测结果，至2009年8月底，基坑周边位移多数点在40mm以下，少数点达到50～60mm；沉降值多数点在30mm范围内，特别是在管线密集的东侧和南侧沉降值基本在20mm以下。坡体位移观测南侧较大位移部位在地下4.5～8.0m，位移值27～28mm；东侧最大位移在地面下4.5～9.0m，位移值在4l～43mm之间。总之，基坑稳定情况良好。监测也发现，在台风和暴雨以及西侧修路、挖沟、积水对边坡部分测点位移有明显影响。
（5）常见的病害处理
基坑周围常见的病害有裂缝、坍塌等，施工人员准确分析病害的成因后制定针对性的处理方案。处理裂缝通常选用注浆方式，把高性能混凝土砂浆注入裂缝中，充分凝固后达到加固效果；坍塌处理则要对边坡进行维修，尽可能在保持原有土体层结构的情况下加固维修。
五、结 论
综上所述，在复杂地质条件的地方，复合土钉墙具有传统土钉墙无法比拟的优点。复合土钉墙技术具有安全可靠、造价低、工期短、使用范围广等特点。但施工流程相对复杂，只有确保每个施工质量才能起到最佳的基坑支护效果。
参考文献：
[1]SJG05-96，深圳地区建筑深基坑支护技术规范[S]．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。