放坡基坑中的复合土钉墙结构设计和应用

王宏东

（兰州工业学院土木工程学院，甘肃兰州 730050）

随着科技的进步，全球高层建筑跨越式发展，深基坑工程逐渐增多，基坑工程投资增加，成为高风险工程。随着城市化进程加快，人们对生活工作等方面需求不断增加，大量地下空间得到开发。复杂的高架桥及地下停车场等随处可见，一线城市城市化率达到80%。为提高经济活力，减缓城市用地压力，城市高层建筑拔地而起。建筑深基坑是复杂的系统性工程，支护方案选择直接影响基坑的稳定性。良好的基础才能造就优秀的上层建筑，只有打好基坑基础，才能做好稳定的建筑。随着市政地下设施工程建设，推动深基坑工程的发展，对基坑支护结构优化非常重要。安全性等是深基坑支护结构选型设计必要考虑的因素，深基坑支护机构安全稳定相互影响，设计工程中往往出现实践大于理论的问题，需要深入研究工程施工技术。

1 土钉墙支护简介

土钉支护技术适用粉质黏土等地质条件[1]。基坑存在软土层应经加固措施处理，挡土结构承受支护结构背后地下水及其他形式荷载对支护结构产生侧向土压力。复合土钉挡墙由面层、搅拌桩等构成，其破坏类型包括内部、整体与面层破坏。目前相关稳定性研究较少，设计主要依靠经验进行。

土钉是置入现场原位土地密集排列的细长杆件，与土体形成组合体。土钉墙支护通过制约钢筋产生结构侧向变形提高钢筋受拉力，土钉墙在承受荷载中不会发生突然坍塌，土钉头荷载为最大土钉荷载一部分，土钉最大拉边界抵抗区剪应力向内，土钉抗拉强度必须足够大。微型桩复合钉支护工作性能影响因素较多，如土钉直径、粘聚力等。复合土钉墙锚杆支护加固边坡土体，在地下水位较高基坑工程中应用[2]。水泥桩可以预防坑底出现隆起等现象。水泥土桩刚度较大，微型桩+土钉支护可以提高土体稳定性。

土钉墙是近年来发展的新型技术，通常边开挖基坑边设置土钉。土钉与土体依靠粘结力结合，约束土体变形。土钉与面板作用成为整体，土钉支护具有用料省优点，工期可缩短一半以上。土钉支护可紧贴已有建筑物施工，由于分层开挖土体，紧凑分步施工工序有效控制变形。土钉支护施工适用于狭窄施工场地，目前土钉支护发展迅速，成为基坑开挖边坡支护结构中的理想技术。

基坑支护结构分为主被动与组合形式。新奥法施工思想利用围岩支撑作用，发挥围岩抗剪作用是新奥法施工理论基础。远古时期先人们使用开挖放坡方法，近现代对现代化生活要求提高促进基坑工程的发展，基坑机械工具不断发展。最早应用土钉墙构成为英国泰晤士河地下隧道开挖工程，1970 年开始在北美等地应用。在这之前，我国很少有标志性高层建筑，1980 年首例土钉墙支护技术在柳湾煤矿调度房边坡工程应用，1990 年后土钉墙技术在我国基坑工程得到广泛应用。

2 相关研究

基坑开挖中超过临界高度会使边坡整体性破坏。土钉作用原理包括箍束骨架等。土钉支护可以承受更大荷载，土钉加入提高土体刚度，土钉墙主动土压力大于背侧土压力值，土钉相互作用构成为土钉支护体系。土体位移最大部分在开挖未完成支护前发生。土钉支护抑制土体塑性变形，使其呈现渐进性破坏不会导致整体性崩塌。复合土钉墙支护能解决开挖面的自立性等问题。

随着城市化进程加快，大型市政设施施工项目增多。基坑支护要使变形在允许控制范围内，确保基坑周边地下设施不受影响。基坑支护是综合性岩土工程，需要研究土力学基本问题，要求具有结构力学、地基基础等多种学科知识[3]。复合土钉墙支护由于操作便捷等优点在基坑支护中应用推广。基坑附近地下管线埋设条件复杂，施工中对地下建筑物基础产生破坏。土钉墙支护影响基坑周边建筑物施工。土钉支护结构具有一定缺点，采用随挖随支法，不能用于周边环境敏感区。目前我国深基坑工程设计缺乏完善的理论，对土钉支护设计中忽略土钉作用，多数理论分析需要用实验研究验证。

土钉是主动加固形式，改变基坑变形达到支护目的。土钉墙通过面层连接形成空间骨架，削弱应力集中的形成，骨架箍束作用提高土壤塑性性能。土钉分担作用体现在土体内部应力，延缓滑裂面形成效果。滑动破坏点蔓延到土钉附近，应力按刚度重新分配。通过土钉与土作用，降低复合土应力水平。支护桩作用机理表现为承力作用、支点作用，挡土是支护桩承受地面荷载，抑制桩后土体变形。支护桩可以作为锚索着力点，利用其刚度发挥支护效果。桩-土钉墙复合结构是复合支护技术，利用土钉墙承受桩间土间土部分压力，克服传统土钉支护基坑位移的缺点，解决桩间土的自立难题。

土钉墙结构在工作状态下有较大的变形，土钉墙是由钢筋混凝土面层构成，土钉能对滑动区土体提供抗拉作用力。土钉墙与土体构成类重力挡墙结构，复合土钉墙支护问题包括设计按照极限平衡法考虑危险滑断面，对三位基坑开挖应重点考虑各支护结构与土体相互作用关系。土钉支护在软基应用有很多成功例子，但不宜在软土底层采用土钉支护，主被动支护结构联合如何耦合机理难以了解，内部稳定性分析可用性建立于经验基础上。参考普通土钉墙支护计算方法，折减系数通过工程经验确定。数值模拟计算方法选取不当，通常把土钉与周边土体作为复合加固体考虑，造成巨大资源浪费。由于其工作机理认识不充分，对支护中不确定因素把握不全面。

3 复合土钉墙支护的应用

广州市珠海区某医院大楼位于南洲路，大楼地上12 层，地下室尺寸为34.2m×55m，挖土局部达到9m，工程基坑东侧距离14m处有已建高层住宅，西面距基坑边线5m 处为6 层砖混结构单位宿舍。场地土层包括人工填土等，场内人工堆积，淤泥质土含中细砂。基岩为白垩系沉积岩，埋深12.4～15m，以泥质胶结为主。

3.1 结构设计

基坑工程设计应综合考虑水文地质条件等因素，做到合理设计、严格控制。基坑工程支护设计要保证结构开挖起到约束变形作用，保证变形不影响下道施工，为保证地下结构顺利施工，本着经济合理的原则，应对基坑边壁采取相应的支档措施[4]。基坑不同部位周边环境条件等不同，应结合现场设计合理选择支护方案。基坑支护选型涉及因素较多，要保证施工安全要求，选择支护方案要考虑各种影响因素，包括周边环境条件、基坑安全等级等。

结合工程实际情况，考虑施工工期短，保证车辆正常通行下，实现支护结构合理要求，土钉支护结构设计方案为施作0.6m 宽水泥搅拌桩，水泥净浆注浆，形成水密封闭。采用全长锚固压力注浆土钉。锚长自上而下12～8m，每根土钉施加35kN 预应力，锚长自上而下8～6m。面层用φ6.5mm@150mm×150mm 单层双向钢筋网。

3.2 施工技术

施工流程为施工放样→坑内降水→钻孔→注浆→喷C20 混凝土面层→锚杆锁定→开挖下层土。深层搅拌桩成桩每条桩下沉提升两次，检查桩机是否偏位。搅拌下沉要求钻头直径小于520mm，原位钻动2min，深层搅拌机下沉，浆液倒入集料斗[5]。提升搅拌机集料斗中浆液排空，将深层搅拌机下沉，补浆将深层搅拌机提升出地面。提升后清除将搅拌头包裹黏土。

止水帷幕得到设计强度，开始土方开挖，采用挖掘机分段进行。钻孔前根据设计要求定出孔位，对地质条件较差地段，避免用膨润土作为钻进护壁。按设计要求截取钢筋，对中用定位钢筋，检查孔内是否有杂物，防止强行推送，钢筋无法到达孔底进行修孔。推送后检查注浆管是否通畅，将钢筋网φ6.5mm@150mm沿护壁铺放。

施工中注意基坑严禁超挖。发生返浆需间隔进行二次注浆；钢筋网喷混凝土面层向上翻过边坡顶部0.5m，周边按井距12m布设降水井，土钉面层背部隔2m 插入长600mm 排水管，确保坡面无积水。施工现场做好严密监控控制，做好安全防护措施。

4 结语

建筑物关键部分是基础，基坑工程安全性影响因素较多，目前基坑工程大多在城市原有建筑区域附近进行，深基坑工程涉及方面广泛，安全质量事故经常发生，带来经济财产损失巨大。如何保证结构达到稳定性要求是工程建设目标，土钉墙与搅拌桩联用，可以把搅拌桩视为板桩。在西南侧建筑物，基坑四周边坡设置移观测点，围护墙体测斜变形最大为14mm，地下室结构施工完成，基坑边坡水平位移稳定。