深基坑工程复合土钉支护施工技术的应用

佘剑波

摘要：本文结合深基坑支护设计与施工实例，提出了一种新的深基坑支护施工解决处理技术方案，同时对小变形护坡作为外墙模板的具体施工方法进行了简要介绍，对支护结果进行了监测和效果评析。

关键词：深基坑 复合土钉支护 垂直外模复合微型桩 变形监测

一、工程概况

某商业楼结构距临近建筑物外墙1.5m。本工程南北长100m，东西宽30m，地下二层，基底标高为-15.0m，施工现场场地狭小。根据岩土工程勘察报告提供的地质资料，场区地质情况大致为：第①层为粘质粉土和粉质粘土素填土；第②层为粉质粘土；第③层为砂质粉土、粘质粉土；第④层为粉细砂；第⑤层为粘质粉土、砂质粉土；第⑥层为粉细砂；第⑦层为圆砾层；第⑧层为粘质粉土；第⑨层为卵石层；持力层为第⑥、⑦层。水文情况是：上层滞水埋深为2.3～5.2m，潜水埋深为19.6m。本文着重介绍该工程深基坑垂直外模复合土钉支护的施工方法。

二、土钉支护简介

2.1土钉支护的原理

土钉支护是以土钉作为主要受力构件的边坡支护技术，它通过浆体与土体外界面上的粘结力，沿土钉全长为基坑边壁土体提供连续支护抗力，不仅将欲滑移土体的侧向压力传递给稳定土体，同时也对滑移土体进行内加固，从而给土体以约束并使其稳定。它可以最大限度地利用边壁土体的自承能力，变土体荷载为支护结构物的一部分。

2.2土钉支护工艺流程

土钉支护工艺流程如图所示。

三、支护方案选择

通过对该工程实际情况的考查，现场狭小，地下管线复杂，对基坑开挖支护限制较大主要有三方面的制约：

1）施工现场范围内无放坡的可能，且无大型施工设备的工作空间，外墙只能采取单侧支模施工，要求边坡必须垂直及平整，能够兼作外墙外模板；

2）周围建筑物的地下电力、电信等管线复杂、重要，边坡位移变形不能超过允许的限值，防止直接或单位破坏地下管线；

3）基坑西侧紧临底星路，东侧紧靠施工道路，人员密集，施工环保要求高，基础施工处于雨季，支护方案必须安全可靠，并减少扰民。

结合周边工程采取的支护方案，鉴于《建筑基坑支护技术规范》JCJ120-99第3.3，1条规定土钉支护基坑深度要求“不宜超过12m”，且工程条件所限，我们提出采用15m深“垂直外模微型桩——土钉支护”施工方案对深基坑进行护坡施工。

四、垂直外模复合土钉支护设计与施工

4.1土钉工程

垂直外模复合土钉支护中的土钉布置，土钉在施工的注浆流程中，要采用加压注浆，使土钉周围土体中的空隙充满水泥浆体，占满空隙，挤走滞水，改善土性，对土体有加固作用。喷射混凝土面层作用主要是限制土钉之间土体的变形，将土体侧向压力有效地传递给土钉，并调整相邻土钉的受力状态。同时将土中的地下水很好的封堵在土中，不至于造成地下水的流失及影响基坑其它工序的施工。

土钉设计原则为：在先期土钉施工经验的基础上大致确定土钉的长度，采用理正深基坑支护结构设计软件FSPW－4进行复核，据此对初始值进行修正。考虑施工过程中施工车辆的行走问题及施工用材料的少量堆载情况，选取地面荷载为20Kn/m2。土钉主要采用Φ20mm的钢筋,置于Φ80mm钻孔中,采用强度等级M10的水泥浆或者水泥砂浆注入孔中形成.水泥浆水灰比为0.5,水泥砂浆配合比为1:1.2。

深基坑支护是一个综合性岩土工程问题，既涉及土力学中典型的强度与稳定问题，又包含了变形问题，同时还涉及到土与支护结构相互作用问题，这些问题又受到工程现场的地质、水文、环境、荷载、天气等诸多因素的影响。因此，本工程采用动态设计与信息施工技术，由施工过程中的监测工序来掌握边坡的安全稳定状态，当通过监测手段边坡的位移变化速率超过警戒值时，分析基坑边壁位移时程曲线，确定其对基坑边壁稳定的影响程度，以便采用限制边壁位移的应急预案。针对本工程的措施有：对已施工过的土层，根据情况追加土钉，并且要加长；对于下面的土层，土钉要缩小间距，钉体要加长，增加注浆压力，并且施以预应力锚杆加以约束。

4.2垂直外模面层喷射混凝土

土钉支护的外模面层的作用主要是限制土钉之间土体的变形，将土体侧向压力有效地传递给土钉，并调整相邻土钉的受力状态，同时作为外墙侧模板。根据全长注浆土钉的受力分析，锚头和面层受力较小，面层厚度不必太厚。由于土钉支护面层作为结构外墙的外模板，须保持较高的表面精度，同时预留边坡位移量以保证主体结构尺寸，根据基坑不同位置及不同深度设置了不同的预留位移。四周边坡预留位移3cm；基底以上5m范围内预留位移减少1cm,距阴角5m范围内预留位移减少1cm。

支护的面层参数为：单层钢筋网为φ6.5@200×200；加强钢筋为φ18@1500×1500（@1200×1200）；喷射混凝土厚度为10cm，强度C20；喷射混凝土配比为：水泥：水：砂：石：1：0.6：2：2；可视具体情况添加速凝剂3%～5%；水泥为P.O32.5，石头为碎石，砂为中砂。

4.3微型钢管桩及帽梁

微型钢管桩在计算中不作考虑，仅作为安全储备的作用，主要是提高护坡面的表面刚度，它对控制坡面位移、地面沉降、防止土方开挖过程中局部出现坍塌以及控制每层开挖到支护前这段时间内的位移、抗倾覆方面都有重要的作用。帽梁主要使整个边坡及微型钢管桩形成一个整体。

在基坑东、西侧设计微型钢管桩，其参数为：孔径130mm；桩间距1.5m；桩长约15m，桩底标高为-16.0m（地面去掉1m杂填土后施工）；中心线位置在面层外侧175mm。

钢管直径为φ70（δ＝3.8，东侧），φ108（δ＝3.5，西侧）；采用P.O32.5普通硅酸盐水泥拌制水泥浆，水灰比为0.60；管底注浆，注浆完成后持续1min后停止灌浆，视浆面下降情况随时补浆。微型钢管钻孔采用套管钻机成孔，成孔后采用管底注浆法注浆至-5.0m左右，然后拔出套管，下放钢管，注浆至管顶。

在基坑周围设置帽梁一道，增强面层的整体稳定性，起到协调基坑边坡变形的作用。由于帽梁内侧与土钉的外模面层平齐，因此帽梁内侧的平整度尤为重要。

帽梁参数确定为：宽×高：400mm×400mm；主筋8φ18，箍筋φ8@200；混凝土强度等级C20。微型钢管桩进入帽梁300mm，面层压筋与帽梁主筋通过预埋钢筋连接。

4.4锚杆

基坑东部设计锚杆一道，以满足基坑东部交通运输的需要并消除塔吊基础对基坑边坡的影响，控制基坑边坡变形的设计范围以内。

锚杆参数:锚杆直径为100mm,标高为-4.5m；水平间距1.5m；自由段5m；锚固段14m；倾角为5°；钢绞线为2φ15.24；腰梁为2120a；锁定荷载150kn。锚杆用水泥浆液的抗压强度M15，水灰比为0.46，水泥为P.O32.5普通硅酸盐水泥。注浆压力不小于0.5MPa。注浆完成后持续1min后停止灌浆，视浆面下降情况及时补浆。

4.5降水工程

由于上层滞水的存在会对基坑支护产生较大的影响，因此基坑开挖前应时进行降水。综合性价考虑，设计采用自渗井降水。在基坑四周设置四口观测井进行水位观测。自渗井的是通过钻孔在原位土体中形成过水通道，将上层滞水通过该通道引渗至下层透水层（圆砾层）中。

自渗井中心线距基坑上口1.5m，直径为400mm；深16m（进入圆砾层1m）；间距6m；滤料为碎石屑。观测井直径为150mm；深18m；井管为φ50钢管（下部1.5m为花管）；滤料为碎石屑。钻孔按照设计方案钻至设计标高，进入圆砾层，以便形成过水通道，成孔后立即填滤料，该层为中砂填充，在钻进至设计标高后可能出现局部坍塌的现象，需要立即填放滤料。若基坑壁存在残留水，采用导流管引出。

五、施工效果及监测结果

垂直复合土钉支护方案在工程实际的施工生产中完全达到了预期的效果。基坑边坡安全在经过雨季得到很好的检验，最大水平位移控制在1‰～2‰左右，小于预期的3‰～4‰，平整度完全满足作施工外模的技术要求。

根据基坑边坡位移监测结果。在位移点折线图的基础上分别采用线形法、对数法、多项式法、移动平均法对数据进行整理，进行回归分析，并分别与实际变形比较。

由于位移数据为时间序列资料，因此平滑预测技术可以将数据采集过程中的随机因素加以过滤，消除波动，取得边坡变形的主要趋势。

数据分析结果：①水平位移因开挖顺序及支扩结构的不同有明显差异，说明边坡的水平位移与土体的应力释放过程及受力结构有很大关系；②边坡位移随基坑开挖深度增加逐步加大，属于土体内应力释放过程；开挖至基底后一定时期内（本工程为15d左右）水平位移依然增加，属于土体内应力重新分配；③基坑边坡位移稳定在一个定值附近，定值取决于护坡方案的可靠程度。

六、结论

垂直外模微型桩——土钉支护正是充分利用各支护构件的作用，把它们有机组合，有效承担地面施工荷载、控制基坑变形。垂直外模复合土钉支护具有两方面的突出优点：①不需要留肥槽和放坡面积，最大限度地节余施工场地；②不需要回填土施工，减少施工工序，可缩短工期。垂直复合土钉支护造价低廉，与同等条件的护坡桩相比，可节约造价约30%左右；节省工期，边开挖边支护；适应性强、无噪音污染、不扰民，适应于环境复杂的城市地区；面层可直接作为结构外模板墙使用，将防水层做在上面，既节省了工序，又节约了施工场地，取消了废槽回填，从技术和经济的角度都具有很强的竞争力。◆

参考文献：

[1] 《基坑土钉支护技术规程》（CECS96197）；北京, 中国建筑工业出版社。

[2]秦四海,深基坑工程优化设计[M];中国地震出版社.

作者单位：湖南省西湖建筑集团有限公司