复合土钉墙在深基坑支护工程中的应用

2012-12-09齐善忠

黄河水利职业技术学院学报 2012年3期

齐善忠，胡涛

(黄河水利职业技术学院，河南开封 475004)

0 引言

复合土钉墙是近年来在土钉墙基础上发展起来的新型支护结构。它是根据工程需要，将土钉墙与深层搅拌桩、旋喷桩、各种微型桩和预应力锚杆等进行多种组合，形成复合型土钉墙，进行基坑支护的一种技术。复合土钉墙弥补了一般土钉墙的缺陷和使用限制，具有安全可靠、造价低、工期短、使用范围广等优点[1]，在实际工程中的应用越来越广，经验的积累越来越多。

1 复合土钉墙的类型

根据理论研究和工程实践，常用的复合土钉墙主要有搅拌桩+预应力锚杆+土钉墙、预应力锚杆+土钉墙、微型桩+预应力锚杆+土钉墙、搅拌桩+微型桩+预应力锚杆+土钉墙4 种类型[2]。

1.1 搅拌桩+预应力锚杆+土钉墙

搅拌桩+预应力锚杆+土钉墙(如图1（a）所示)是应用最为广泛的一种复合土钉墙形式[2]。由于降水会引起地面的附加沉降，经常对基坑周围的建筑、道路等造成破坏，并引发工程事故，所以，一般情况下，深基坑支护均设置止水帷幕，它可以起到止水和加固支护的双重作用。止水帷幕可采用水泥土搅拌桩、高压旋喷桩等方法形成。搅拌桩止水帷幕效果较好，造价低，应用较广。高压旋喷桩仅在搅拌桩施工不便的情况下才使用。止水后，土钉墙的变形一般较大，在基坑较深的情况下，一般采用预应力锚杆限制土钉墙的位移，这就形成了常用的复合土钉墙形式，即，搅拌桩+预应力锚杆+土钉墙。在工程参数设计计算中，可以根据基坑深度、土层工程地质条件及基坑周边环境，确定此复合土钉墙的各种参数。

1.2 预应力锚杆+土钉墙

当基坑需要排水，且基坑较深无放坡条件时，可以采用预应力锚杆+土钉墙（如图1（b）所示）的支护方式[3]。该支护方式使用预应力锚杆加强土钉墙，限制其位移。

1.3 微型桩+预应力锚杆+土钉墙

当基坑开挖线离建筑物距离很近、地面荷载较大且土质条件较差时，开挖前需对开挖面进行加固。加固方法可采用微型桩+预应力锚杆+土钉墙(如图1（c）所示)进行支护[4]。微型桩常采用直径100～300 mm 的钻孔灌注桩、型钢桩、钢管桩以及木桩等，预应力锚杆能够起到加强土钉墙、限制其位移的作用。

1.4 搅拌桩+微型桩+预应力锚杆+土钉墙

当基坑深度较大、地质条件和环境条件复杂时，采用搅拌桩+微型桩+预应力锚杆+土钉墙(如图1（d）所示)的支护方式[5]。这种支护形式常可代替桩锚支护结构或地下连续墙支护形式。在这种支护形式中，预应力锚杆一般设2～3 排，止水帷幕一般为旋喷桩或搅拌桩，微型桩变形较大时可采用型钢桩。

2 复合土钉墙的设计计算

复合土钉墙的设计计算与一般土钉墙相似，包括整体稳定性验算和土钉抗拔力验算两部分[6]。在整体稳定性验算中，除考虑土体、土钉的作用外，需计算搅拌桩、旋喷桩、微型桩和预应力锚杆对整体稳定的影响。土钉(锚杆)抗拔力验算方法与普通土钉墙相同。

2.1 整体稳定性验算

复合土钉墙的整体稳定性验算同普通土钉墙一样，采用圆弧滑裂面法计算[7]。计算中，需考虑止水帷幕、微型桩、预应力锚杆等的筋体的作用(如图2所示)，其安全系数Kp的计算公式为

其中：

式中：Ks为土钉墙整体稳定系数；Kp为复合土钉墙整体稳定系数；ci为土体的黏聚力，kPa；φi为土体的内摩擦角，°；Li为土条滑动面弧长，m；Wi为土条重量，kN；qi为土条地面荷载，kPa；bi为土条的宽度，m；TNs为土钉的极限抗拉力，kN；S 为土钉的水平间距，m；θi为滑动面某处切线与水平面之间的夹角，°；αi为土钉与水平面之间的夹角，°；ξ 为折减系数，根据经验取0.5；τs为搅拌桩、微型桩抗剪强度设计值，kPa；As为搅拌桩、微型桩的横断面积，m2；PNj为预应力锚杆承载力设计值，kN；SL为搅拌桩、微型桩间距，m；Sm为预应力锚杆的水平距，m；ζ 为组合折减系数，根据经验取0.5～1.0；η 为折减系数，根据预应力大小取0.5～1.0。

图2 复合土钉抗拔承载力验算示意图Fig.2 Uplift bearing capacity of composite soil nailing schematic diagram

2.2 抗拔承载力验算

复合土钉墙中土钉(锚杆)抗拔力验算与土钉墙相同(如图3 所示)[7]，其安全系数的计算公式为

式中：KBj为第j 个土钉(锚杆)抗拔力安全系数，取1.5～2.0；Txj为第j 个土钉(锚杆)抗拉强度标准值，kN；eaj为主动土压力，kPa；Sx，Sy为第j 个土钉(锚杆)水平、垂直间距，m。

图3 复合土钉墙整体稳定性验算示意图Fig.3 Overall stability of composite soil nailed wall schematic diagram

3 复合土钉墙的构造

3.1 水泥土搅拌桩

复合土钉墙深基坑支护经常需要止水帷幕。止水帷幕一般采用相互搭接的深层搅拌桩或高压旋喷桩，深入基坑底部2～3 m，并穿过强透水层，进入不透水层1～2 m。深层搅拌桩适用于淤泥、淤泥质土、黏性土、饱和黄土、粉土、素填土，以及无流动地下水的饱和松散沙土等地基[9]。单头搅拌桩直径一般采用500～600 mm，间距400～450 mm。当工程地质条件较差、一排桩不能满足要求时，可采用两排或多排搅拌桩，形成止水帷幕。高压旋喷桩造价较高，但它施工方便，适用范围较广（一般地层均可适用）。由于其旋喷直径可调范围大，一般为600～1 500 mm，也可做成相互搭接的定喷或摆喷止水帷幕，从而降低工程造价。

复合土钉墙中的止水帷幕，除止水功能外，还有加固地层和稳定开挖面的作用。所以，对搅拌桩或旋喷桩的强度有一定要求，桩身强度一般要求达到1～3 MPa。

3.2 预应力锚杆

在复合土钉墙的易变形部位设置1～3 排预应力锚杆，对土钉墙施加初始拉力，可大大减少土钉墙的位移，提高工程的安全系数。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[8]。锚杆锚头必须与混凝土喷射面层可靠连接，将锚固力有效地传递到土层中。复合土钉墙中预应力锚杆由于直接锚固在土中，深度一般不大，所以设计荷载不宜过大，一般不宜超过300 kN。

3.3 土钉

在复合土钉墙中，除使用传统的钻孔注浆型土钉外，还可采用打入注浆型钢管土钉方法，以解决在沙层或软土中土钉塌孔问题和钻孔穿透止水帷幕时的渗漏问题。土钉长度一般为4～12 m，间距为1～2 m，其他构造与普通土钉墙同[8]。

3.4 微型桩

在实际工程中，常根据需要对土钉墙采取加固措施，以增加结构的安全性。微型桩是应用较多的加固方式之一。微型桩常采用直径100～300 mm 的钻孔灌注桩，桩插入基坑底面以下2～3 m[8]。微型桩配置钢筋笼或型钢，其顶部一般设置小型冠梁或连接梁，将桩连接成一个整体，同时设置预应力锚杆或土钉，以增加结构的整体稳定性和承载力。

4 南京地铁奥体中心站工程实例

4.1 工程概况

南京地铁西延线的起点站——奥体中心站位于南京市规划的上新河路和青石埂路交叉路口的西北角，全长625 m，由车站及前、后折返线3 部分组成。该站周边空旷，主体为地下一层、地上二层，属浅埋地铁车站，采用明挖顺作法施工，基坑深9.5 m。奥体中心站地下一层为双侧式站台车站，有效站台长142 m，宽4.8 m，采用钢筋混凝土四层多跨箱形框架结构，主体结构跨度一般为8 m，最大部位达到11.5 m。折返线主要为单洞单跨结构，净跨度9.4～10.6 m。站前折返线一部分为双洞双跨结构，净跨度为4.7～5.1 m[10]。

4.2 工程地质条件

奥体中心站场地地貌为长江漫滩，地表水系发育，表层为杂填土，层厚1～2 m，向下依次为厚4～6 m 的软塑～流塑状淤泥质土，厚5.2～8.5 m 的粉土(为可液化土层)。车站结构底板落在粉土层中。场地内淤泥质土饱含地下水，透水性差，属弱～微透水层。淤泥质粉质黏土作为相对隔水层，上层为潜水，以下为承压水。场地水位在地面以下0.3～0.5 m，主要接受地表水补给，水位受季节性控制，年最大水位变幅小于1.0 m，一般在0.5 m 左右。

4.3 基坑围护方案

根据本工程场地环境，采用二级放坡、搅拌桩+土钉墙复合支护方式。开挖边坡与水平面夹角约60°，边坡中部设2 m 宽马道；在基坑外侧2 m 处设搅拌桩，形成止水帷幕，桩径为700 mm，长15 m，间距为50 cm，水泥掺量为18%。土钉长度上部为9 m，基坑底部一排为12 m，钢管土钉直径为48 mm，壁厚3.5 mm，间距1.0 m×1.1 m。采用两次注浆工艺，第一次注水泥浆，第二次注水泥沙浆。坡面铺设200 mm×200 mm ，Φ8 mm 的冷轧带肋钢筋网片，土钉部位设Φ20 mm 的“井”字压筋，然后喷射厚10 cm 混凝土进行护坡。复合土钉墙支护剖面如图4 所示。

4.4 基坑围护施工

4.4.1 水泥搅拌桩施工

水泥搅拌桩施工选用双轴深搅机。该搅拌机施工进度快、搭接接头少、防渗效果好。为保证止水帷幕的质量，应注意以下事项：（1）搅拌桩的水泥掺量选用18%，水灰比0.4～0.5；（2）控制桩位偏差小于20 mm，垂直度偏差小于1%；（3）严格控制搅拌轴提升速度，一般小于0.5m/min；（4）保证浆液泵送的连续，不得中断。

4.4.2 复合土钉墙施工流程

土钉墙施工工艺流程为：分段开挖、修坡→打入钢管式土钉→注浆→坡面挂网→焊接压筋→喷射混凝土→二次注浆→进入下一循环。