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摘要:本文作者结合多年工作经验对土钉支护施工技术的探讨作出了相关的分析以供同行参考
关键词:土钉支护特点构造 施工
土钉支护技术始于法国,其名称原自法文(Clouage de Sol),20 世纪90 年代以来,我国有不少专家和学者对该项技术进行了深入地研究和实际应用,证实它是一种安全可靠,经济效益可观的技术,在我国某些地区,土钉支护最大垂直坑深已达21。5m。
1 土钉支护结构的特点及应用范围
土钉支护法以尽可能提高和最大限度地利用基坑边壁土体固有力学强度、变土体荷载为支护结构体系的一部分为其基本原理,土钉主动支护土体,并与土体共同作用,具有施工简便、快速及时、机动灵活、适应性强、随挖随支,以及安全经济等特点,因而在基坑中得到了广泛地应用,取得了显著地社会和经济效益。 但是在基坑支护过程中,也发生不少地面开裂,坑壁塌方,坑地土隆失稳,邻近地下管破裂破坏等事故,因此, 《建筑施工安全检查标准》(J GJ 59 —99) 将基坑施工列为一项安全检查内容,并要求对于较深的基坑必须进行专项设计和支护。 目前,深基坑支护已经有多种较为成熟的技术,而土钉支护是一项比较新颖的技术。
在工作机理上,土钉墙是高强度土钉、网喷混凝土面层及原状土三者共同受力,增强了土体破坏延性,很好地改变了边坡突然塌方的性质,有利于安全施工；在工艺上,采用了边开挖边支护的方法,工作面不受限制,缩短了工期；在投资方面,因土钉利用了土体的自承载能力,使基坑周围土体转化为支护结构的一部分,经济效益可观。
土钉墙支护一般适合于地下水位以上或经过降排水措施后的素填土、普通性粘土、粘性的砂土和粉土等较为均匀土体边坡。 当场地同时存在土层和不同风化程度岩体时,应用土钉墙支护特别有利。 土钉墙支护应用范围非常广泛,主要有:
①土体开挖时的临时支护。 用于高层建筑等深基坑开挖,地下结构施工开挖,土坡开挖等；
②永久挡土结构。 这类工程一般与施工开挖时的临时支护相结合,如隧道洞门端部挡墙和洞口两侧挡墙,桥台挡墙等；
③现有挡土结构和支护的修理、改建下抢险加固等；
④边坡稳定。 用于加固可能失稳的堤坡。
2 土钉墙的构造
土钉墙结构由土钉和面层两部分组成,土钉主要包括钻孔注浆土钉和打入式土钉两种形式。
(1) 钻孔注浆土钉最常用的土钉,一般采用<6mm～<32mm 的钢筋,置于<70mm～<120mm 钻孔中,采用强度等级不低于M10 的水泥浆或水泥砂浆注入孔中形成。 水泥浆水灰比一般为0.5左右,水泥砂浆配合比一般1∶1～1∶2。
(2) 打入式土钉一般采用钢管材料打入土中形成,通常钉长较短,施工简单快速,但不易用于密实胶结土中。 当打入钢管为周围带孔的闭口钢管时,可在打入后管内注浆,增强土钉与土的粘结力,提高土钉的抗拔力。 注浆方式有低压注浆和高压喷射注浆。土钉长度一般为开挖深度的0.5～1.2倍,间距为1m～2m,与水平夹角为5°～20°。适用的土钉墙墙面坡度不宜大于1∶0.1。面层为土钉墙的重要组成部分。
土钉结构的面层虽不是结构的主要受力构件,但它是传力体系的一个重要部分,也起保证各土钉之间土体的局部稳定性,防止场地土体被侵蚀风化的作用。 面层应在每一阶段开挖后立即设置,以限制原位土体的减少并阻止原土的力学性质,特别是抗剪强度的降低。 永久性的土钉工程中已大量应用预制和现浇混凝土板、钢面板作為面层,以满足美观和耐久性的要求。 目前常采用的面层为< 6mm～<10 mm ,间距150mm～300mm 的钢筋网,强度等级不低于C20 的喷射混凝土组成,面层厚度为80mm～150mm。
3 复合土钉墙技术及其施工的一般原则和要求
在土钉墙施工过程中,总结出一种经过改良的复合土钉墙技术,这种复合土钉墙在被加固的土体内,除了设置短而密的土钉外,还在基坑的临空面设置有适当宽度并插入坑底一定深度的水泥搅拌桩。由于设置了水泥搅拌桩,防止了坑底的隆起和管涌,并建立了一道止水帷幕,形成封闭的防水系统；其次,形成了自立高度,提高了基坑过坡开挖阶段的稳定性。复合土钉墙是基坑支护设计的一种新技术,对于在类似软弱土层中进行支护设计起到重要的作用。
土钉墙支护作为一种挡土结构应满足规定的强度、稳定性、变形和耐久性等要求。 当土钉墙支护用于城市建筑密集地区的深基坑时,控制与限制支护的变形就变得更为重要。 深基坑开挖土钉墙支护的施工特点是: ①施工过程中必须自始至终与现场的测试监控相结合,通过变形等测量数据和施工过程,不断发掘现场地质情况,及时指导下一步的施工。②要充分考虑地表径流和地下水的影响。 如施工时渗水严重就不能喷射面层混凝土,容易引起塌坡和塌孔。当地下水的流量较大,施工时应采取专门措施降低地下水位。
4 应用实例
工程地下室有3层,地上由3栋30层和1栋25层组成,其地下室底板标高为-6.5m,地面标高为6.4m,基坑开挖深度约12.9m。该工程场地三边临街,一边有建筑物,其水文、地质情况如下:
①拟建场地原地貌单元冲洪积阶地,后经人工整平改造,场地内地势平坦。 ②根据钻探揭露,场地内分布情况有人工填土,第四系冲积层、冲洪积层及残积层,下伏基岩为燕山晚期花岗岩。③场地第四系冲洪积中砂透水性强,是场地内主要的含水层,受大气降水及地表水补给,水位变化四季而异,现地下水埋藏较深。
根据该工程所在场地的工程、水文地质情况及周边环境,并综合考虑造价、工期和技术可行性等因素,决定采用土钉墙结构护坡。 采用土钉墙比灌注桩和地下连续墙节省投资。设计参数:土钉立面采用梅花形式布置,土钉竖向和水平间距均为0.2m,土钉采用32.5R 硅酸盐水泥、水泥浆水灰比0.5 ；<48 钢花管土钉锚固段注浆水泥用量不少于40 kg/ m ,注浆压力不小于0.5MPa,注射器浆为水泥砂浆,强度不低于20MPa ；面层结构采用<8 @200mm×200mm的钢筋网片及100 厚C20 喷射混凝土组成,面层分2次喷射,每1.2m设一泄水孔。 粘土层中钢花管土钉设计承载力14kN/m ；砾砂层中钢花管土钉设计承载力16kN/m；人工填土层中钢花管土钉设计承载力10kN/m。
4.1 土钉墙施工主要技术
土钉墙施工工艺:施工准备→第一层开挖→成孔→安放土钉→注浆→作泄水孔钢筋网焊锚头→喷射混凝土→清理：
(1) 施工前制定施工方案,并做好测量放线机械调试、材料进场检验、土钉加工
和监控量测布点等准备工作。
(2) 基坑降排水:基坑采用井点降水,距坑边2 m 设一截排水沟。 在施工过程中要使地下水位保持在开挖面以下,创造无水开挖的条件,对土钉墙的受力稳定至关重要。
(3) 基坑开挖必须分层分段开挖,逐层施工土钉,分层高度在115 m 以内,分段长度在20 m 以内,开挖后及时封闭土体,施工土钉。
(4) 基坑变形监测及应急措施:基坑开挖前在基坑边及邻近建筑物布置监测点,监测点间距一般不大于20 m ,在距基坑周边不小于2 H( H 为基坑深度) 布置监测基准点,数量不少于2 个,基坑开挖前进行监测点及基准点测量,测量至少两次,以取得初始值。 基坑开挖及支护施工期间每天监测一次,当监测结果变化速率较大时,每天监测两次,当有事故征兆时,应连续监测。 支护施工结束后,地下结构施工期间每周监测一次,直至基坑回填土结束。
应急措施: ①地面出现裂缝,顺裂缝注入水泥与水玻璃混合液,防止地表水灌入增加抗壁压力,地面水泥砂浆抹平,在裂缝外侧布置钢筋钉,增加抗拉力,稳固变形土体；②水平位移达到报警值,采用水平或斜支撑,在地下结构施工过程中,可采用脚手架加水平支撑,限制水平位移发展；③坡脚滑移,采用砂石草包堆叠坡脚,阻止坡脚继续滑移；④基坑底隆起,用砂石草包等增加坑底土覆荷载,平稳土压力,限制隆起。
4.2 土钉墙施工安全管理措施
(1)制定安全生产责任制,明确项目经理为项目安全生产第一责任人,对有关的管理、执行和检查人员都明确具体职责,做到分工明确,各负其责。
(2)制定基坑专项施工方案,分析确定危险部位和过程,并制定相应的应急措施,使这些危险部位和过程能得到有效控制。
(3)坚持“安全第一、预防为主”的方针,加强对职工的安全教育,并体现全面、全员、全过程的原则,确保只有经过安全教育的人员才能上岗。
5 结语
综上所述，无论从经济效益、施工场地(狭小)、施工周期短等方面均比其它挡土墙更为有利,得到了岩土界人士认同,希望土钉墙支护技术在我国会大量普及应用并得到长足的发展。
关键词:土钉支护特点构造 施工
土钉支护技术始于法国,其名称原自法文(Clouage de Sol),20 世纪90 年代以来,我国有不少专家和学者对该项技术进行了深入地研究和实际应用,证实它是一种安全可靠,经济效益可观的技术,在我国某些地区,土钉支护最大垂直坑深已达21。5m。
1 土钉支护结构的特点及应用范围
土钉支护法以尽可能提高和最大限度地利用基坑边壁土体固有力学强度、变土体荷载为支护结构体系的一部分为其基本原理,土钉主动支护土体,并与土体共同作用,具有施工简便、快速及时、机动灵活、适应性强、随挖随支,以及安全经济等特点,因而在基坑中得到了广泛地应用,取得了显著地社会和经济效益。 但是在基坑支护过程中,也发生不少地面开裂,坑壁塌方,坑地土隆失稳,邻近地下管破裂破坏等事故,因此, 《建筑施工安全检查标准》(J GJ 59 —99) 将基坑施工列为一项安全检查内容,并要求对于较深的基坑必须进行专项设计和支护。 目前,深基坑支护已经有多种较为成熟的技术,而土钉支护是一项比较新颖的技术。
在工作机理上,土钉墙是高强度土钉、网喷混凝土面层及原状土三者共同受力,增强了土体破坏延性,很好地改变了边坡突然塌方的性质,有利于安全施工；在工艺上,采用了边开挖边支护的方法,工作面不受限制,缩短了工期；在投资方面,因土钉利用了土体的自承载能力,使基坑周围土体转化为支护结构的一部分,经济效益可观。
土钉墙支护一般适合于地下水位以上或经过降排水措施后的素填土、普通性粘土、粘性的砂土和粉土等较为均匀土体边坡。 当场地同时存在土层和不同风化程度岩体时,应用土钉墙支护特别有利。 土钉墙支护应用范围非常广泛,主要有:
①土体开挖时的临时支护。 用于高层建筑等深基坑开挖,地下结构施工开挖,土坡开挖等；
②永久挡土结构。 这类工程一般与施工开挖时的临时支护相结合,如隧道洞门端部挡墙和洞口两侧挡墙,桥台挡墙等；
③现有挡土结构和支护的修理、改建下抢险加固等；
④边坡稳定。 用于加固可能失稳的堤坡。
2 土钉墙的构造
土钉墙结构由土钉和面层两部分组成,土钉主要包括钻孔注浆土钉和打入式土钉两种形式。
(1) 钻孔注浆土钉最常用的土钉,一般采用<6mm～<32mm 的钢筋,置于<70mm～<120mm 钻孔中,采用强度等级不低于M10 的水泥浆或水泥砂浆注入孔中形成。 水泥浆水灰比一般为0.5左右,水泥砂浆配合比一般1∶1～1∶2。
(2) 打入式土钉一般采用钢管材料打入土中形成,通常钉长较短,施工简单快速,但不易用于密实胶结土中。 当打入钢管为周围带孔的闭口钢管时,可在打入后管内注浆,增强土钉与土的粘结力,提高土钉的抗拔力。 注浆方式有低压注浆和高压喷射注浆。土钉长度一般为开挖深度的0.5～1.2倍,间距为1m～2m,与水平夹角为5°～20°。适用的土钉墙墙面坡度不宜大于1∶0.1。面层为土钉墙的重要组成部分。
土钉结构的面层虽不是结构的主要受力构件,但它是传力体系的一个重要部分,也起保证各土钉之间土体的局部稳定性,防止场地土体被侵蚀风化的作用。 面层应在每一阶段开挖后立即设置,以限制原位土体的减少并阻止原土的力学性质,特别是抗剪强度的降低。 永久性的土钉工程中已大量应用预制和现浇混凝土板、钢面板作為面层,以满足美观和耐久性的要求。 目前常采用的面层为< 6mm～<10 mm ,间距150mm～300mm 的钢筋网,强度等级不低于C20 的喷射混凝土组成,面层厚度为80mm～150mm。
3 复合土钉墙技术及其施工的一般原则和要求
在土钉墙施工过程中,总结出一种经过改良的复合土钉墙技术,这种复合土钉墙在被加固的土体内,除了设置短而密的土钉外,还在基坑的临空面设置有适当宽度并插入坑底一定深度的水泥搅拌桩。由于设置了水泥搅拌桩,防止了坑底的隆起和管涌,并建立了一道止水帷幕,形成封闭的防水系统；其次,形成了自立高度,提高了基坑过坡开挖阶段的稳定性。复合土钉墙是基坑支护设计的一种新技术,对于在类似软弱土层中进行支护设计起到重要的作用。
土钉墙支护作为一种挡土结构应满足规定的强度、稳定性、变形和耐久性等要求。 当土钉墙支护用于城市建筑密集地区的深基坑时,控制与限制支护的变形就变得更为重要。 深基坑开挖土钉墙支护的施工特点是: ①施工过程中必须自始至终与现场的测试监控相结合,通过变形等测量数据和施工过程,不断发掘现场地质情况,及时指导下一步的施工。②要充分考虑地表径流和地下水的影响。 如施工时渗水严重就不能喷射面层混凝土,容易引起塌坡和塌孔。当地下水的流量较大,施工时应采取专门措施降低地下水位。
4 应用实例
工程地下室有3层,地上由3栋30层和1栋25层组成,其地下室底板标高为-6.5m,地面标高为6.4m,基坑开挖深度约12.9m。该工程场地三边临街,一边有建筑物,其水文、地质情况如下:
①拟建场地原地貌单元冲洪积阶地,后经人工整平改造,场地内地势平坦。 ②根据钻探揭露,场地内分布情况有人工填土,第四系冲积层、冲洪积层及残积层,下伏基岩为燕山晚期花岗岩。③场地第四系冲洪积中砂透水性强,是场地内主要的含水层,受大气降水及地表水补给,水位变化四季而异,现地下水埋藏较深。
根据该工程所在场地的工程、水文地质情况及周边环境,并综合考虑造价、工期和技术可行性等因素,决定采用土钉墙结构护坡。 采用土钉墙比灌注桩和地下连续墙节省投资。设计参数:土钉立面采用梅花形式布置,土钉竖向和水平间距均为0.2m,土钉采用32.5R 硅酸盐水泥、水泥浆水灰比0.5 ；<48 钢花管土钉锚固段注浆水泥用量不少于40 kg/ m ,注浆压力不小于0.5MPa,注射器浆为水泥砂浆,强度不低于20MPa ；面层结构采用<8 @200mm×200mm的钢筋网片及100 厚C20 喷射混凝土组成,面层分2次喷射,每1.2m设一泄水孔。 粘土层中钢花管土钉设计承载力14kN/m ；砾砂层中钢花管土钉设计承载力16kN/m；人工填土层中钢花管土钉设计承载力10kN/m。
4.1 土钉墙施工主要技术
土钉墙施工工艺:施工准备→第一层开挖→成孔→安放土钉→注浆→作泄水孔钢筋网焊锚头→喷射混凝土→清理：
(1) 施工前制定施工方案,并做好测量放线机械调试、材料进场检验、土钉加工
和监控量测布点等准备工作。
(2) 基坑降排水:基坑采用井点降水,距坑边2 m 设一截排水沟。 在施工过程中要使地下水位保持在开挖面以下,创造无水开挖的条件,对土钉墙的受力稳定至关重要。
(3) 基坑开挖必须分层分段开挖,逐层施工土钉,分层高度在115 m 以内,分段长度在20 m 以内,开挖后及时封闭土体,施工土钉。
(4) 基坑变形监测及应急措施:基坑开挖前在基坑边及邻近建筑物布置监测点,监测点间距一般不大于20 m ,在距基坑周边不小于2 H( H 为基坑深度) 布置监测基准点,数量不少于2 个,基坑开挖前进行监测点及基准点测量,测量至少两次,以取得初始值。 基坑开挖及支护施工期间每天监测一次,当监测结果变化速率较大时,每天监测两次,当有事故征兆时,应连续监测。 支护施工结束后,地下结构施工期间每周监测一次,直至基坑回填土结束。
应急措施: ①地面出现裂缝,顺裂缝注入水泥与水玻璃混合液,防止地表水灌入增加抗壁压力,地面水泥砂浆抹平,在裂缝外侧布置钢筋钉,增加抗拉力,稳固变形土体；②水平位移达到报警值,采用水平或斜支撑,在地下结构施工过程中,可采用脚手架加水平支撑,限制水平位移发展；③坡脚滑移,采用砂石草包堆叠坡脚,阻止坡脚继续滑移；④基坑底隆起,用砂石草包等增加坑底土覆荷载,平稳土压力,限制隆起。
4.2 土钉墙施工安全管理措施
(1)制定安全生产责任制,明确项目经理为项目安全生产第一责任人,对有关的管理、执行和检查人员都明确具体职责,做到分工明确,各负其责。
(2)制定基坑专项施工方案,分析确定危险部位和过程,并制定相应的应急措施,使这些危险部位和过程能得到有效控制。
(3)坚持“安全第一、预防为主”的方针,加强对职工的安全教育,并体现全面、全员、全过程的原则,确保只有经过安全教育的人员才能上岗。
5 结语
综上所述，无论从经济效益、施工场地(狭小)、施工周期短等方面均比其它挡土墙更为有利,得到了岩土界人士认同,希望土钉墙支护技术在我国会大量普及应用并得到长足的发展。