超前微型桩复合土钉墙在深基坑工程中的应用

刘 岩，庞 博，王文博

(1．承德石油高等专科学校 建筑工程系，河北 承德 067000；2．河北华热工程设计有限公司，河北 承德 067000)

近年来深基坑工程不断出现，促使深基坑设计计算理论的提高和施工工艺的发展。合理的基坑支护形式和施工，对工程进度和保护周围环境能发挥重要作用。土钉支护经济可靠、灵活、施工速度快、对环境影响小等优点而广泛使用，但在高水位、松散土层中，基坑自稳能力差，无法满足直立放坡要求、施工成本增加，土钉墙质量下降，导致基坑稳定可靠性降低。超前预支护微型桩复合土钉墙采用微型钢管桩预支护，结合土钉墙以及预应力锚杆复合支护形式，对于自立性较差的松散土层或直立边坡可起到超前支护作用，避免土钉施工过程中的边坡局部失稳，有效控制基坑变形，而对基坑深度较大或周边环境对变形限制较为严格时，还可增设预应力锚杆，同时微型桩嵌入坑底土层一定深度，能有效提高基坑底部抗隆起、渗流稳定性要求。该支护技术已被广泛应用于国内外的一些基坑支护工程中，取得了较好的支护效果，也从中积累了丰富的工程实践经验。中国社会科学院中心图书馆12 m深基坑工程、山东某时代广场11.5 m深基坑工程、广州某9 m深基坑工程等，基坑周边的施工环境复杂，施工场地狭窄，场地地质条件很复杂，采用超前微型桩复合土钉支护，成功地保证了基坑稳定性和基坑变形，取得了满意的效果。

1 微型桩复合土钉墙的性能特点

1.1 构造组成

微型桩复合土钉墙由微型桩、土钉、喷射混凝土面层、排水系统组成，如图1所示。微型桩指沿基坑侧壁连续分布、用于控制基坑变形、提高基坑稳定性的小截面尺寸竖向构件，目前应用较多的是钢花管注浆及预制管桩。土钉指植入土中并注浆形成的细长杆件，承受拉力与剪力并对原位土体进行加固，常见的有钢筋杆体与注浆固结体组成的钢筋士钉、击人土中的钢管土钉，构造如图2所示。钢筋网喷射混凝土面层由内置钢筋网、加强筋及喷射混凝土组成，起到保护基坑侧壁防止水土流失作用。排水系统包括坑内排水措施、边坡泄水孔、基坑顶部防水截水措施。

1.2 应用范围

微型桩复合土钉墙支护属于临时基坑支护措施，适用于安全等级为二级或三级土层基坑，使用时间不应超过1年，且不应超过设计规定。适用于地下水位以上或降水后基坑、自立性较差土层或直立边坡的基坑，非软土基坑深度不宜大于12 m，淤泥质土基坑深度不宜大于6 m。当基坑潜在滑动面内有建筑物、重要管线时不宜采用。

1.3 构造要求

微型桩复合土钉墙的构造如图3所示，应采用微型桩与土钉墙面层贴合的垂直墙面。土钉各向间距，根据基坑深度及土层强度宜控制在l ～2 m，倾角宜为5°～20°，土钉长度按承载力计算确定，但应使各层土钉受力均匀。土钉成孔采用较多的是洛阳铲或打入式钢管，洛阳铲成孔速度快、比较经济，一般土层宜优先使用，打入式钢管能有效克服松散土层塌孔、缩径导致的土体扰动和沉陷，保护基坑周边环境。打入式钢管采用钢花管，钢管的外径不宜小于48 mm，壁厚不宜小于3 mm，注浆孔应设置在钢管末端(1/2～2/3)管长范围内，每个注浆截面的注浆孔宜取2个，且应对称布置，注浆孔的孔径宜取5～8 mm ，注浆孔外应设置保护倒刺。

采用微型桩预支护时，宜在基坑上部设置预应力铺杆。微型桩伸入基坑、底的长度宜大于桩径的5倍、且不应小于1 m，间距不宜大于1 m。微型桩可用无缝钢管或焊管，管径48～150 mm，应采用水泥浆或水泥砂浆灌注密实。

面层喷射混凝土的强度等级不应小于C20，3 d龄期的喷射混凝土强度不应小于12 MPa。面层厚度不应小于80 mm，面层内应设钢筋网，钢筋直径宜为6～10 mm，间距宜为150～300 mm，当面层厚度大于120 mm 时，宜设两层钢筋网，坡面外露的土钉头之间应设直径14～20 mm 的加强筋予以连接。

1.4 工作性能

一般土钉墙与联合支护土钉墙的受力变形有一定区别，如图4所示，一般土钉墙墙顶水平位移随着开挖深度逐步向坑内发展，坑壁变形成倾斜直线，坑底以下(0.2～0.6H，H为基坑开挖深度)处位移为零。复合型土钉墙的位移表现为墙顶小、下中部大，墙体又向前凸起的趋势，坑底以下相当深度处仍有这种位移趋势。微型桩复合土钉墙从受力性能上，可视为由微型桩、面层、土钉和加固范围内的原位土体四部分组成，故其破坏形式分为微型桩破坏、加固体体外整体破坏、加固体体内破土钉破坏和面层破坏。

2 设计计算理论

微型钢管桩属于土钉墙支护中的超前支护，且属于柔性支护体系，在设计计算中仍采用土钉墙的理论进行计算。计算取单位长度按平面应变问题分析，采用简化圆弧滑移面条分法进行基坑整体稳定性验算，如图5所示。最危险滑裂面是指土体、土钉及各复合构件提供的安全度之和为最小值的滑移面，通过试算搜索求得，验算时应考虑开挖过程中各工况，验算公式宜采用分项系数极限状态表达法[1]。根据工程统计结果，整体稳定验算考虑微滑移面以下超前微桩的抗力作用，通过设置组合作用折减系数，限制了这些复合构件的作用程度。当复合土钉墙底部存在软弱黏性土时，还有可能出现坑底土体被坑周土体压挤隆起，坑边土体严重下沉的情况，应按地基承载力模式进行坑底抗隆起稳定性验算，如图6所示。

3 施工要点

微型桩复合土钉墙施工工艺及微型钢管注浆桩施工工艺流程如图7所示。

3.1 微型桩施工要点

微型桩桩径较小间距较密，施工时严格按照定位线成孔要求桩位误差<50 mm。为保证微型桩垂直度<0.5%，避免钻孔向坑内外倾斜、孔底交叉，要求钻孔前进行场地整平、钻机就位后调整水平与垂直度。边投料边振动钢管，保证投料逐步下沉，为防管内投料卡管，严禁快速倾倒，应少量投入，确保管内碎石的均匀。微型钢管桩施工完成后在围墙和桩之间实施压密注浆，来解决早期由于施工不当引起的位移裂缝，同时达到加固地基的目的。

3.2 复合土钉墙施工要点

复合土钉墙施工必须符合“超前支护，分层分段，逐层施作，限时封闭，严禁超挖”的要求[2]。超前支护是指在基坑开挖前进行微型桩施工，待其强度达到规定后方可开挖，预支护可以控制地下水和限制基坑侧壁位移的作用，保证基坑稳定。

基坑开挖所产生的地层位移受时空效应的影响，开挖暴露的面积越大，位移也越大，为控制位移，施工应按照设计工况分段、分层开挖，分层厚度应与土钉竖向间距一致。下层土的开挖应等到上层土钉注浆体强度达到设计强度的70%后方可进行，每层开挖后应及时施作该层土钉并喷护面层，封闭临空面，减少基坑无土钉的暴露时间。工程中因超挖而造成的基坑坍塌事故屡有发生，即使未造成基坑坍塌事故，基坑开挖期位移过大，也会使基坑使用期的安全度下降。因此，分层开挖时应严格控制每层开挖深度，协调好挖土与土钉施工的进度，严禁多层一起开挖或一挖到底。

地面超载是施工中土方、材料、构件、机具等临时性堆料及大型运输车辆。地面堆载摆放不合理极易导致基坑坍塌事故的发生，所以施工过程中应严格平面布置图选择合适的安全距离堆放，不得随意更改大型运输车辆行车路线。

3.3 排水措施

水患是基坑工程的“大敌”。地下水、雨水、施工用水下渗、旧管道渗漏等，影响施工进度、延误工期，另外长时间排水不畅，会使土体强度降低，导致基坑坍塌。因此应做好场区的排水系统和地面硬化。

场区排水应包含地表排水系统、坑内排水系统、坡前引水系统。地表排水系统主要是沿基坑周边设置坡顶挡水墙截水沟，避免雨水流入基坑，地面排水坡度不宜小于0.3%。坑内排水系统由排水沟和集水井组成，坑内排水沟将积水排入集水井，并通过水泵及时排除到坑外，排水沟宜离开坡脚一定距离，以免冲刷、浸泡坡脚，危及边坡的稳定性。坡前引水系统主要是在喷射混凝土层中架设导水管，将部分地下水引入坑内集水井，并通过集井及时排除坑外。

3.4 变形监测

为了及时掌握边坡变形动态，保证边坡安全稳定和工程顺利进行，要对边坡进行变形监测，以便于及时发现问题，起到预控目的。监测对象根据基坑安全等级主要有：地下水位、邻近建筑物和道路的水平位移、支护结构水平位移及坡顶沉降等内容。

支护施工阶段，每天监测1次，在完成坑开挖，变形趋于稳定的情况下，可适当减少监测次数，直到支护退出工作为止。各观测点和基准点要严格保护并做明显标记。观测严格按时间进行，不许漏测，开挖接近槽底时，观测人员不得离开现场。加强对周边建筑物的沉降观测。边坡支护进行之前，做好基准点，在相临建筑物上按标准留置足够数量的观测点。

根据地层条件、基坑安全等级确定复合土钉墙变形控制指标的建议值，复合土钉墙侧向位移范围一般在0.1%H～1.5%H，软土中多数在0.3%H～1.5%H之间，一般土层中多数在0.1%H～0.7%H之间。

3.5 基坑开挖预警措施

在施工开挖过程中，基坑顶部的侧向位移与当时的开挖深度之比，砂性土为主土层超过3‰、黏性土为主土层超过5‰时，应密切加强观察并及时对支护采取加固措施。当发现基坑顶位移超标，地面裂缝较大时，土钉墙部分应采用加密土钉或打预应力锚杆的方法解决，桩锚支护部分采用补打锚杆的方法补救，严防事态扩大。

4 结语

在基坑施工过程中，微型桩复合土钉墙有效控制坡顶变形，无局部塌陷发生，确保边坡安全稳定，与护坡桩方案相比，节约造价、施工速度快，此在深基坑支护应用方面会有很大的发展空间。同时，由于计算分析理论、工作性状认识尚不完善，使得微型桩复合土钉墙的使用受到一定程度的限制，这就要求在设计施工过程中多结合经验、构造要求，尤其加强基坑变形监测。

参考文献：

[1] GB50739—2011，复合土钉墙基坑支护技术规范[S].

[2] GB50086—2015，岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范[S].