深基坑土钉支护实例与分析

杨 彦

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南250101）

1 前言

深基坑支护是基础工程和地下工程施工的一个传统课题，同时又是综合性的难题，土钉支护在其中占有重要的地位。土钉支护有效地调用了土体自身的强度和稳定性，成为解决复杂岩土问题的经济有效的方法之一。以济南市市中区某三角地小区为例，从深基坑支护中土钉支护的作用原理、特点、应用范围入手，给出了土钉支护设计的主要内容。通过对该小区7.7～9.1 m深基坑支护设计的方案和监测方案的阐述和分析总结，做出了对实际设计有价值的设计建议和应用前景的分析预测。

2 土钉支护设计

2.1 土钉支护的特点及应用范围

1）复合土钉体提高了边坡整体稳定和承受坡顶超载能力，增强了土体的破坏延性；施工采用边开挖边支护和分层分段开挖，提高了施工安全性。

2）支护结构轻巧，柔性大，有良好的延性和抗震性。

3）施工机具简单，易于操作和推广；施工不单独占用场地。

4）可根据现场的变形监测数据，及时调整土钉长度和间距，提高了施工和后期的安全可靠性。

5）经济效益好，造价低廉，可以节约投资30%～50%。

6）土钉由低强度钢材制作，防腐性能好。

7）基坑位移变形小，对场地周围环境影响较小；对场地土层的适应性较强；个别土钉出现问题或失效对整个支护体系的影响不大。

8）土钉支护适用于有一定黏性的砂土、黏性土、粉土、黄土、杂填土及弱胶结的砂土边坡；如果场地同时存在砂土、黏土和不同风化程度的岩体，采用土钉支护会更加有利。

9）在施工场地狭小、放坡困难、有相邻低层建筑或堆放材料、大型护坡施工设备不能进场的情况时，土钉支护显示出独特的优越性。

10）土钉支护的深度一般不超过12 m；场地土层特别好时,可以放宽到14～16 m。当基坑周围有重要建筑物时，在距离基坑一倍的坑深范围内，或对基坑变形有严格要求时，不宜采用土钉支护。

2.2 土钉支护结构作用原理

由土钉自身的强度、刚度和其在土体内高密度的空间分布形成的复合土体的骨架，有约束土体变形的作用。在复合土体内，土钉与土体共同承担外荷载和自重；由于土钉有很高抗拉、抗剪强度和远远高于土体的抗弯刚度，所以在土体在进入塑性状态后，应力逐渐向土钉转移。当土体开裂时，土钉的分担作用更突出，这时土钉内出现了弯剪、拉剪等复合应力，从而使土钉体中浆结体碎裂、钢筋屈服。土钉的上述作用使得复合土体在超载作用下表现出塑性变形延迟、渐进式开裂的特征。同时，土钉体可以把滑裂区域内部分应力传递到后边稳定土体中，并分散到较大范围的土体内，降低复合土体中的应力集中程度，从而推迟了滑裂域的形成与发展。

喷射混凝土面板起到约束变形作用，面板约束力取决于土钉体表面与土的摩阻力以及与土钉的连接程度，当复合土体开裂区域扩大并连成片时，摩阻力由开裂区域后的稳定复合土体提供。这种复合体弥补了土体自身强度的不足，充分调动了土体自身结构强度潜力，改变了边坡变形和破坏形态，增强了土体的自身稳定性，属于主动制约机制的支挡结构体系。

2.3 土钉支护设计内容

1）确定土钉支护参数：根据边坡高度、土质条件、工程性质等初步确定土钉支护的结构尺寸、土钉类型、布置方式、布置间距、分段开挖高度等。

2）确定土钉的参数：根据土压力分布、现场拉拔试验结果或者土的抗剪强度，参考经验，确定土钉直径和长度。

3）外部和内部稳定性计算：从外部来看，土钉支护需要足够承受其后部土体的推理和上部传来的荷载，类似挡土墙，因此需要考虑土钉支护的抗滑移稳定性验算、抗倾覆稳定性验算、土钉支护底部地基承载能力验算、深部滑动稳定性计算。从内部来看，内部稳定破坏时土钉本身的强度破坏，包括不同开挖阶段、不同位置处沿最危险破裂面的滑动破坏、土钉本身的强度破坏、拔出破坏和喷射混凝土面板的破坏等。因此，应考虑施工过程中不同开挖阶段的最危险滑动面验算、使用阶段不同位置的最危险滑动面验算、土钉本身的强度与抗拔力验算、喷射混凝土面板强度和土钉与面板连接强度的验算。

4）修改参数：根据稳定性计算结果，修改土钉支护和土钉参数，主要是土钉的长度和布置，然后再进行稳定性验算，重复进行直到得到合理结果。

5）施工图设计及监测设计：将施工过程信息化，把现场所得数据及时反馈给计算机，及时指导随后的施工，并做好安全防护。

3 工程设计应用实例

以下以济南市市中区一三角地块某小区基坑支护工程为例。

该小区地形东南高、西侧和北侧低，地面标高74.85～68.83 m。项目主体为剪力墙结构，人工挖孔桩基础；15～26层，基底标高为+65.30 m，基坑深7.7～9.1 m。场地原为冲沟，后期填埋10余a。在基槽边坡进行基坑支护设计之前，场地东南侧已经按1∶0.5坡率系数初步修坡完成。基坑南侧为1条次干道，距拟开挖基坑上口线10 m左右，其他边坡场地开阔。场地北侧紧靠1条季节性河流，勘察期间水面标高65.86 m。在钻探深度范围内，未见地下水；在基坑开挖后，也未见地下水。

该工程基坑主要有如下特点：1）基坑开挖范围较大、无地下水。开挖边线距用地边线较远，基坑支护设计可以适当放坡；挖深较深，相对自然地表下挖约7.7～9.1 m。2）填土较厚，根据勘察报告及现场实际开挖情况，东南侧边坡在开挖深度范围内存在大量填土，需要考虑可靠的施工手段。

基于场地周边环境及工程地质水文条件等因素,根据基坑工程有关技术规程规范，该工程两个剖面（1-1剖面，位于基坑南侧东段；2-2剖面，位于基坑南侧西段）的基坑侧壁安全等级均为二级，一个剖面（3-3剖面，位于基坑北侧和东侧北段）基坑侧壁安全等级为三级。综合考虑场地工程地质、基坑周边环境及基坑深度，结合周边类似工程经验，采用适当卸载放坡、兼用土钉墙作为挡土支护的基坑支护，局部地段挂网喷混凝土放坡支护。监测方案针对基坑坡顶水平、垂直位移予以监测。

水泥采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥；喷射混凝土强度等级C20，厚度≮80 mm；注浆材料选用水灰比为0.5的水泥浆。

土钉杆体材料采用Ф20钢管，钻孔直径110 mm。无成孔条件时采用Ф42（壁厚6 mm）的钢管替代，自钻式锚杆工艺施工。护面钢筋网采用Ф6.5@250×250，外翻2.0 m。

在距离坡顶3.0 m和填土与基岩或黏性土界面处设置一排泻水孔，水平间距3.0 m，孔深500 mm，外孔径100 mm，插Ф75PVC管，外包两层细眼滤网。局部杂填土或渗水较严重的部位加长加密排水孔,水平和竖向间距≯1.5 m，长度≮0.5 m。

3.1 基坑南侧东段1-1剖面支护方案

基坑挖深约7.7 m～8.7 m，按1∶0.50放坡；距离坡顶2.0 m处设置一平台，平台宽度2.0 m。平台以上，在边坡内水平和竖向间距均为1.5 m，插入长度1.0 m的Ф20钢筋。平台以上设置一排长度6.0 m@1.5 m的土钉；平台以下设置四排土钉，长度分别为9.0、9.0、9.0和6.0 m,水平间距1.5 m，垂直间距1.5 m;挂网喷射混凝土。

3.2 基坑南侧西段2-2剖面支护方案

挖深约9.10 m，按1:0.50放坡，距离坡顶2.0 m处设置平台，平台宽度2.0 m。平台以上，在边坡内水平和竖向间距均为1.5 m插入长度1.0 m的Ф20钢筋。平台以上设置一排土钉（6.0 m@1.5 m）；平台以下设置4排土钉，长度分别为9.0 m、9.0 m、9.0 m和6.0 m，水平间距1.5 m，垂直间距1.5 m；挂网喷射混凝土。

3.3 基坑北侧和东侧北段3-3剖面支护方案

将上部厚约4.0 m的填土外运后进行放坡支护。基坑深5.0 m，按1∶1.0放坡，挂网喷射混凝土，水平和竖向间距均为2.0 m，布设固定钢筋（长度1.5 m，规格1Ф20）。

3.4 监测变形统计

1）支护结构坡顶水平和竖向位移监测：在基坑周边坡顶设了15个监测点，水平和竖向位移监测点在坑顶按20～30 m水平间距设置。2）基坑周边道路地表竖向位移监测：在基坑南侧的次干道上布设了7个监测点。3）基坑变形

监控预警值：当监测项目的变化速率达到表中规定值或连续3 d超过该值的70%时报警。监测变形统计如表1所示。

表1 监测变形统计

4 结语

该小区于2013年2月开工，2014年12月竣工，2015年正式投入使用。通过对施工过程22个月的施工扰动持续检测和建成后3 a多的使用监测，变形值始终在合理的控制范围内，同时结合竣工结算的相关数据，证明此支护方案的合理性、有效性和经济性。

随着我国基建热点地区从东南沿海向中西部转移，由于盐渍土、湿陷性黄土、污染土等特殊性质的岩土和岩溶等带来的经济损失、工期损失等风险凸显，这种情况下，土钉支护的应用范围进一步扩大，永久性工程将增多。土钉支护的无损检测方法、永久性防腐技术、复合及组合支护、特殊和不良土质中的研究及应用，将是下一步土钉支护的方向和重点。