探析基坑工程中的土钉支护技术措施

　　摘要：由于施工技术水平的差异，场地地基土的变化等因素，有针对性的提出合理的施工方案设计，才能确保工程质量。本文阐述某工程软土地基基坑应用土钉支护技术，采用长土钉、基坑侧壁（超前）设置微型桩、增大顶部硬壳层的土钉抗拔力等措施，取得良好效果。
　　关键词：施工方案；基坑工程；土钉墙支护
　　1工程概况
　　某商住大厦地下1层，地面以上16层。地下层为车库，一、二层为商业用房，三层以上为住宅。大厦设计采用框架-剪力墙结构，总高55m，基础设计采用钻孔灌注桩，共68根（其中直径Φ1200mm的50根，Φ1500mm的18根），桩长8m～12m。建设场地土层自上而下依次为：杂填土层，厚1.3m～2.5m；粉质粘土层，厚0.5m～1.5m；淤泥层，厚7.0m～9.8m；砂质粘土层，厚1.1m～1.4m；基岩为微风化大理岩，揭露厚度1.8m～5.4m，基岩起伏变化大，埋深14.0m～34.3m。场地地下水较为丰富，以潜水为主，部分为上层滞水，地下水位较高，埋深1.5m左右。
　　2基坑施工方案对比分析确定
　　该工程的主要特点有：
　　1）距场地南侧是城市交通主干道路，周围建、构筑物密集，施工场地极为狭窄；
　　2）场地土层多为软弱土层，地下水较为丰富且水位高，基坑土体开挖和边坡支护较困难，施工条件恶劣；
　　3）施工工期短，仅250d，时间紧迫，必须对基坑开挖和边坡支护进行详细的分析和研究，以确保工程的经济、安全、可靠及工程顺利峻工。
　　对软弱土层深基坑开挖和边坡支护的施工方法主要有两种：
　　1）自然放坡大开挖施工；根据土质情况设计放坡系数和土坡道，然后进行整体土方开挖，待全部土方施工完毕才开始自下而上的结构施工，该方法适用于周围有足够大的场地用以放坡，应用于本工程产生的问题主要有：场地狭窄、复杂，没有足够大的场地用以放坡；开挖土方量大，施工成本高，工期较长。
　　2）边坡支护开挖施工；主要有地下连续墙、土层锚杆土钉支护等方法。土层锚杆或土钉墙支护技术，是在深开挖的基坑立壁未开挖的土层中钻孔，达到一定深度后，再扩大孔的端部形成球状或其它形状，在孔内放置钢筋、钢管、钢丝束、钢绞线或其它抗拉材料，灌入水泥浆液或化学浆液，使之与土层结合成为抗拉（拔）力强的锚杆。锚杆端部与挡土墙、灌注桩等联结，将构筑物受到的外力通过钢拉杆传递给远离构筑物的土层，以维持工程构筑物所支护地层的稳定性。
　　此方法适用于：挡土结构的防塌方和防滑坡，可在完全敞开不放坡的条件下进行机械开挖基坑土方，应用于本工程，不需用大型施工机械和较大施工场地，工程造价较低，工期较短，而地下连续墙是利用机械开挖出一条狭长的深槽，依靠泥浆护壁，在槽内吊放钢筋笼，然后用导管法灌注水下混凝土以置换泥浆，筑成一个单元槽段，并以一定的接头方式在地下将各单元槽段连成一道连续的钢筋混凝土墙，用于截水、防渗、挡土，然后再进行墙内基坑土方开挖和基础工程施工。用于本工程产生的问题主要是：需要较多的专用机械设备，施工工艺复杂，工程成本高，工期较长。
　　综合比较，选用边坡支护开挖施工中的土层锚杆或土钉墙支护方法较佳，但必须对其进行必要的施工工艺改进。
　　
　　3基坑开挖边坡支护施工结构设计与验算
　　在软土基坑中对土钉墙边坡支护技术除应按常规方法计算外，更重要的是进行软土地基的地基承载力、抗倾覆、外部稳定性等验算。
　　3.1地基承载力与抗倾覆验算
　　由于软土地基承载力低，基坑土体容易产生侧向位移和坑底隆起。因此，在开挖侧的地基承载力标准值，而非开挖里侧的地基承载力取修正值，地基承载力取梯形分布。如图1所示。地基承载力验算，基坑侧壁土体沉降，土体重力产生倾覆力矩，倾覆转动点取地面破裂面对应基底位置0点，验算土钉支护抗倾覆稳定性，如果地基承载力、抗倾覆力矩达不到要求，则应在基坑侧壁打放微型桩或增大土钉抗拔力，以提高地基承载力和抗倾覆力矩，承载力应满足下列关系式：
　　
　　式中：fk———开挖侧地基承载力取标准值；
　　f———底角地基承载力（经深度修正）；
　　s———土钉水平间距；
　　
　　h———开挖深度；
　　β———坡度；
　　Φ———内磨擦角；
　　w———竖向荷载；
　　Q———微型桩竖向承载力。
　　抗倾覆应满足下关系式：
　　
　　式中：Tμ———土钉极限抗拔力；
　　hј———第j层土钉深度；
　　Ei———第i层土水平荷载；
　　hi———第i层压力合力至基坑底角距离；
　　Mf———地基承载力抵抗力矩；
　　Mp———重力倾覆力矩。
　　3.2土体稳定性
　　土钉长度之外土体稳定性，采用瑞典圆弧滑动法计算，圆弧滑动法安全系数应大于1.2。
　　3.3工程设计参数与计算结果分析
　　基坑边坡坡度85°，采用3层土钉，土钉水平间距1.2m，竖向间距1.2m（为了避开地下管线，第一层土钉深度1.5m），土钉倾角10°～15°，面层厚度100mm，地面超载取10kPa。
　　利用式（1）计算开挖深度4.8m时，单位土钉间距内的微型桩总承载力70.0kN，基坑侧壁选用密排木桩压至基坑底以下3.0m。按规范计算各层土钉分担荷载及各层土钉极限抗拔力，然后进行抗倾覆验算，不能满足要求。由于顶部土层性质相对好，故增大第一层土钉极限抗拔力（但极限值不超过锚管强度值130kN），而淤泥层中土钉极限值一般不超过70kN～80kN(依近年来施工经验和施工水平确定)，由此调整土钉抗拔力原计算值，使其满足抗倾覆要求，然后进行土钉支护内部稳定性验算，根据抗拔力大小初步确定土钉长度；最后，进行外部稳定性验算，考虑到基坑侧壁设置微型桩，圆弧滑动曲线通过微型桩端面，求满足外部稳定性要求的圆弧位置，确定土钉长度。土钉支护剖面如图2所示。
　　4软土基坑开挖与支护施工技术
　　4.1土方开挖与土钉墙支护施工
　　1）本工程采用机械开挖基坑土方，先沿基坑周边分层分段下挖，每段开挖宽度7m～10m，每层开挖深度1.5m～1.8m，分4层开挖，每层开挖后，进行土钉和面层施工，待（水泥）面层混凝土达到一定强度以后继续下挖。土钉支护施工完成后，场地中部土方采用退挖方式自西往东开挖，一次开挖到设计标高。
　　2）土钉采用Φ150mm、壁厚3mm的钢锚管，管壁上按400间距设置孔径10mm的出浆孔，出浆孔设置在钢锚管端部的2/3或1/2长度上，钢锚管端部为Φ600mm的扩大头，软土中的土钉主要起抗拔作用，故土钉起重要作用的部分在直线破裂面以外，如果钢锚管全长设置注浆孔，压力注浆时，水泥浆容易在钢锚管浅部浆孔中注出，并挤压基坑侧壁，增大土体位移，而端部土钉注浆量不足，影响其抗拔力。注浆压力取0.6MPa～1.0MPa，喷射直径一般为Φ15mm。在场地北侧，钢锚管为避开已有建筑桩位，间距作适当调整。
　　3）由于场地顶部土层性质较好，利用其可自立高度，开挖1.8m，土体滑动安全系数1.05，在挖穿硬壳层后采用挖掘机铲压入密排木桩，木桩长度5.0m。木桩超前打入软土中，是为了避免以后开挖时淤泥直接暴露，减少淤泥蠕变产生位移。
　　4）杂填土中的土钉采用纯水泥浆灌注，加大注浆量，水泥浆液大量注入杂填土中，不仅增大了锚固体断面，提高了土钉极限抗拔力，而且加固了杂填土，大大减少了土体的位移。
　　4.2基坑开挖施工监测
　　为确保基坑开挖过程中支护结构本身和场邻近建筑物及地下管线的安全，实行信息化施工，对支护系统进行施工监测。土钉支护采用分层开挖，通过监测可及时发现问题，及时采取措施，确保支护安全。本工程开挖监测内容主要有4项：挡土结构土体水平位移监测；坡顶土体沉降观测；邻近建筑沉降观测；场地周边地面垂直位移观测，土钉抗拔试验曲线如图3所示。
　　
　　顶部硬壳层土钉极限抗拔力≥100kN，淤泥层土钉极限抗拔力70kN～80kN，满足设计要求。土体水平位移自下而上逐渐增大，3m～6m深度范围位移达到最大值，向上位移变小，顶部土体位移又有增大，基坑封底后，土体位移逐渐达到稳定，土体最大位移9.3mm～48.9mm，最大位移平均值28.2mm，边坡土体水平位移如图4所示。
　　坡顶沉降量2.8mm～32.4mm，邻近建筑物累计沉降量0.4mm～6.75mm，周边道路地面垂直位移5.0mm～16mm，从监测结果可以看出，本次基坑开挖对周边环境影响较小，表明工程基坑支护设计与施工是成功的。
　　5方案实施效果分析
　　由于施工前对施工方案进行了充分论证，对一些关键技术做到有效控制，同时在施工中组织严密，方法得当，措施到位，并严格按施工工艺和顺序进行操作，取得了较好效果。
　　1）节省了施工工期，比计划提前了20d。
　　2）经连续监测，坑壁土体的水平位移、坡顶沉降量、周边道路地面垂直位移以及坑壁顶部硬壳层和淤泥层土钉极限抗拔力等，均满足了规范和设计要求。
　　3）采用坑壁土钉支护技术，确保了基坑土体的整体稳定，避免了基坑开挖对周边环境的不利影响，达到了预期的目的。
　　6结语
　　由于施工技术水平的差异，场地地基土的变化等因素，有针对性的提出合理的施工方案设计，才能确保工程质量。该工程软土地基基坑应用土钉支护技术，采用长土钉、基坑侧壁（超前）设置微型桩、增大顶部硬壳层的土钉抗拔力等措施，可有效控制土体位移。软土地基基坑应用土钉支护技术，除应进行土钉分担荷载、土钉极限承载力、内部稳定性计算外，还必须进行承载力的抗倾覆和外部稳定性验算。
　　参考文献：
　　[1]建筑基坑支护技术规程.JGJ120-99.[S].北京，中国建筑工业出版社，1999.
　　[2]建筑地基处理技术规范.JGJ79-2002.[S].北京，中国建筑工业出版社，2002.
　　[3]刘建航，侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社，1997.

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