土钉墙技术在基坑边坡支护工程中的应用

王武斌

（中铁二局，四川 成都 610000）

前言

在基坑边坡支护工程中，由于土钉墙支护技术具有结构轻巧、性能可靠、造价经济、施工简便等特点被广泛应用。但在施工中由于土钉支护隐蔽工程较多,施工质量难于控制。为了保证土钉墙工程质量和施工安全,必须从设计参数、材料质量、施工工艺和工程监测等全方面进行综合控制,进而获得良好的社会效益和经济效益。

1.设计参数的控制

1)土体参数；对于钻孔注浆型土钉,土层分台阶开挖时应能保持自立稳定。因此,土钉适用于有一定粘结性的杂填土、粘性土、黄土类土与弱胶结的砂上边坡,适用于地下水位低于土坡开挖段或经过降水使地下水位低于开挖层的情况;对标准贯入击数低于10击,或相对密实低于0.3的砂土边坡与不均匀系数小于2的级配不良砂土,土钉法不经济;对塑性指数>20的粘性土,必须仔细评价其蠕变特性后,方可将土钉用作永久性支挡结构。2)荷载;除土体自重产生的土压力外,还要考虑地表的静荷载和车辆碾压等的活荷载、地下水静压和渗流压力等。3)土钉墙坡度;土钉墙坡度宜为1:0.3~1:0.7,施工图设计应说明施工中每层开挖高度和长度[1]。4)钉长:初选土钉长度时可按下式计算:

式中,L为土钉长度,m;M为经验系数,取0.6~1.0;H为土坡的垂直高度,m;S0为止浆器长度,一般为0.6~1.0m。

5)土钉孔直径dh及间距布置;首先根据成孔机械选定土钉孔孔径dh,一般取dh=100~150mm,常用的孔径为110~120mm。以Sx、Sy分别表示土钉的列距、行距,选定行距、列距的原则是以每个土钉注浆对其周围土影响区与相邻孔的影响区相重叠为准。一次压力注浆可使孔外4dh邻近范围内有应力变化,因此按(6~8)dh选定土钉行距、列距,应满足:

式中,K1为注浆工艺系数,对一次压力注浆工艺,取1.5~2.5。按防腐需求,土钉孔直径dh应大于加筋杆直径加60mm。

6)土钉的倾角;土钉与水平面夹角宜为10~20°。

7)钢材强度;为增强土钉中加筋杆与砂浆(细石混凝土)的握裹力,用于土钉中的加筋宜选用∏级以上变形钢筋,其抗拉强度值按我国《混凝土结构设计规范》(GBJ10-89)规定采用。钢筋直径一般为16~32mm,常用25mm。土钉钢筋直径db也可以按下式估算:db=(20~25)×10-3(SxSy)1/2

(3)喷射混凝土面层厚度宜为80~200mm,常用100mm;喷射混凝土面层应配以钢筋网,钢筋网宜采用Ⅰ级钢筋,钢筋直径宜为6~10mm,钢筋网间距宜为15~300mm;喷射混凝土设计强度等级不宜低于C20;注浆材料宜用水泥净浆或水泥砂浆,其强度不应低于20MPa;土钉墙顶地面应做混凝土护面,在坡顶和坡脚应做好排水设施,严禁雨水、污水等地表水渗入坡体;坡体开挖后暴露时间应尽可能缩短。

2.土钉墙施工中的质量控制

1)土钉墙支护工艺；包括工序施工方案如下:施工准备→工作面开挖→清理边坡→孔位布点→成孔→安设土钉钢筋→注浆→铺设钢筋网→喷射混凝土面层→开挖下一步。

2)工作面开挖；土钉施工是随着工作面开挖分层施工的,每层开挖的最大高度取决于该土体可以站立而不破坏的能力,在砂性土中每层开挖的高度为0.5~2.0m。在粘性土开挖的最大深度为:

式中,c为土的粘聚力,kPa;r为土的重度,kN/m3,ф为土的内摩擦角,(°)。

每层开挖的高度一般与土钉竖向间距匹配,便于搭设脚手架及土钉施工。

3)清理边坡;基坑开挖后,基坑的边壁宜采用小型机具或铲锹进行切削清坡,以达到设计规定的坡度。

4)孔位布点;土钉成孔前,应按设计要求定出孔位并作出标记编号。

5)成孔;根据设计要求的平面位置、孔深、下倾角、孔径选择合理的钻孔设备。目前常采用多节螺纹钻头干法成孔。钻机可采用XJ-100型钻机,也可采用YTN-87型土层锚杆钻机。人工成孔常采用洛阳铲成孔,孔径、孔深、孔距、倾角必须满足设计标准,其误差符合《基坑土钉支护技术规程》CECS96：97的要求。

6)清孔；采用0.5~0.6MPa空气压力机将孔内残留及松动的废土清除干净。

7)安设土钉钢筋;钢筋使用前应平直,除锈,涂油,为保证钢筋置中,在钢筋上每隔3m焊置一个托架作为定位器。

8)注浆;成孔后应及时将土钉钢筋置入孔中,可采用重力、低压(0.4~0.6MPa)或高压(1~2MPa)方法按配比将水泥浆或砂浆注入孔内。重力注浆以满孔为止,但需1~2次补浆;压力注浆采用二次注浆法,并在钻孔口设置止浆塞和排气孔;注浆导管应先插入孔底,以低压注浆,同时将导管以匀速缓慢撤出,导管的出浆口应始终处在孔中浆体的表面以下,保证孔中气体能全部逸出。导管离孔口0.5~1m时高压注满,并保持高压3~5min;注浆时需加入早强剂和膨胀剂,以提高注浆体早期强度和增大其与孔壁土体的摩擦力。

9)铺设钢筋网;钢筋网片可用直径6~8mm盘条钢筋焊接或绑扎而成,网格尺寸150~300mm。在喷射混凝土之前,面层内的钢筋网片应牢固固定在边壁上,并符合规定要求的保护层厚度。

10)喷射混凝土面层;喷射混凝土面层中的钢筋网,应在喷射前铺设,钢筋保护层厚度不宜小于20mm。钢筋网之间搭接长度应不小于300mm,钢筋网用插入土中的钢筋固定,与土钉应连接牢固。①喷射混凝土时喷射顺序应自下而上,喷头与受喷面距离宜控制在0.8~1.5m范围内,射流方向垂直指向喷射面,为防止在钢筋背面出现空隙,应先喷钢筋后方,然后再喷填钢筋前方。也可在铺设钢筋网片之前初喷一次,铺设网片之后再进行复喷,一次喷射厚度不宜小于40mm,喷射前应先向边壁土层喷水润湿;喷射时应加入速凝剂以提高混凝土的凝结速度,防止混凝土塌落[2]。②为保证喷射混凝土的厚度,可用插入土内用以固定钢筋网片的钢筋作为标志加以控制。当面层厚度超过100mm时应分二次喷射,每次喷射厚度宜为50~70mm。③喷射混凝土终凝后2h,应根据当地条件,采取连续喷水养护5~7d。④土钉墙支护最下一步的喷混凝土面层宜插入基坑底部以下,深度不小于0.2m,在基坑顶部也宜设置宽度为1~2m的喷混凝土护顶。⑤土钉墙支护宜在排除地下水的条件下施工,应采取的排水措施包括地表排水,支护内部排水,以及基坑排水。基坑顶部四周可做散水和排水沟,坑内应设置排水沟和集水坑,并与边壁保留0.5~1m的距离,集水坑内积水应及时抽出。

11)喷射混凝土的质量控制;为了保证喷射混凝土的质量,要对拌合料搅拌处、喷射机处和喷嘴处的施工质量进行严格控制。

在拌合料搅拌处,必须控制材料质量及配合比符合设计要求,拒绝使用任何不可靠的水泥和级配不良、质量差或含水率大于7%(按重量计)的骨料。

在喷射机处,要经常检查倒入料斗的材料和观察喷射机的运转情况,鉴定骨料是否已被水泥完全包裹及倒入料斗后有无过度离析。在干喷中,应该对速凝剂与水泥得到适当拌合。为保证喷射混凝土流料均匀连续和喷射处有适宜的喷射速度,应观察喷射机处的工作风压是否控制在合适范围之内。

为了保证喷射混凝土的质量满足设计要求,需对喷射混凝土进行测试。抗压强度试验的试块数量可为每500m2取1组,每组试块不少于3个,对于小于500m2的独立工程,取样不少于1组。

3.质量检验及监测

1)注浆强度及喷射混凝土强度检验;用于注浆时的水泥浆或水泥砂浆强度用70mm×70mm×70mm立方体试件经标准养护后测定,每批至少留取3组(每组3块)试件,给出3d和28d强度,注浆强度等级不低于12MPa,3d不低于6MPa;喷射混凝土强度可用边长100mm立方体试块进行测定,制作试块时应将试模底面紧贴边壁,从侧向喷入混凝土,每批至少取3组(每组3块)试件,强度等级不低于C20,3d不低于10MPa。2)喷射混凝土厚度检验;喷射混凝土厚度,可采用凿孔法作为检查依据,也可以用混凝土厚度标志或其它方法检查,有争议时以凿孔法为准。检查数量为每100m取1组,每组不少于3个点,其合格条件可定为:全部检查处厚度平均值应大于设计厚度,最小厚度不应小于设计厚度的80%。3)土钉的抗拔力试验;严格来说,每种地层均应分别做土钉抗拔力试验。土钉基本抗拔力试验采用循环加荷的方式,第一级取土钉钢筋屈服强度来增加荷载,同时用退荷循环来测量残余变形,每一级荷载持续到变形稳定为止。土钉破坏标准为:在同级荷载下,变形不能趋于稳定,即认为土钉达到了极限荷载。必须测量荷载和位移,提出荷载变形曲线。在土钉上安设钢筋计或贴应变片,以便量测土钉应力分布及其变化规律,这对设计是非常有益的[3]。对于一般的土钉墙工程,土钉抗拔力检验试验是必需的,试验数量应为土钉总数的1%,且不少于3根;土钉试验的合格标准定位为土钉抗拔力平均值大于设计极限抗拔力,抗拔力最小值大于设计极限抗拔力的0.9倍。土钉抗拔力设计安全系数为临时性工程取1.5,永久性工程取2.0。

[1]陈肇元.土钉支护在基础工程中的应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.

[2]程良奎,杨志银.喷射混凝土与土钉墙[M].北京:中国建筑工业出版社,1998.??

[3]王步云.土钉墙设计[J].岩土工程技术,1997,(4):21~23.