土钉墙深基坑支护技术应用探讨

王凤东

（中国建筑第二工程局有限公司，上海 200000）

目前大部分深基坑工程具有地质条件复杂、深度较大、面积广等特点，因此建筑深基坑施工具有较大的难度和挑战[1]。为保证施工安全，采用的支护技术有排桩结构支护和防护墙结构支护两种。这两种技术主要是利用排桩结构和防护墙结构对施工区域岩土起到支撑作用，通过对支护结构进行设计，确定支护方案，最终根据优选的支护方案进行深基坑支护施工，利用支护结构向深基坑岩土施加一个支撑力，以此保证施工安全。但是现有技术在实际应用中对支护结构设计不够合理，支护起到的支撑作用有限，无法抵挡深基坑岩土变形应力，导致深基坑支护施工后支护结构水平方向发生严重变形，为此对建筑施工中深基坑支护技术进行研究。

1 建筑施工中深基坑支护技术

1.1 支护形式选择

支护结构设计合理性与计算准确性直接关系到支护效果，因此首先对深基坑支护形式进行选择。目前常用的深基坑支护结构主要为排桩支护，是由预应力排桩结合锚索形成的一种支护体系，以排桩作为内支撑，以锚索抵抗建筑深基坑土压力作用于排桩上的推力，从而起到支护作用，排桩支护计算流程比较复杂，需要考虑多种因素，容易出现计算误差，最终导致支护结构起到的支护效果较差[2]。针对该问题设计一种新的支护结构，即土钉墙支护结构，在建筑深基坑周围岩土体内埋设钢筋，通过注浆的方式使钢筋与原位岩土体形成一个整体，以增加深基坑内岩土体支撑力。土钉墙支护结构相比排桩支护结构成本更低并且可以有效缩短工期，最重要的是土钉墙支护结构稳定性更高，在国外建筑深基坑施工中更为常见。

1.2 深基坑支护结构设计

确定支护结构高度、支护直径、支护结构水平间距、垂直间距等参数，根据建筑施工区域地质情况计算。

土钉墙主要是抵抗建筑深基坑岩土压力，岩土压力由静土压力、主动土压力和被动土压力组成。

式中：P为深基坑土钉墙支护承载压力，即深基坑周围岩土体向支护结构施加的压力值；P1为钉墙支护结构处于静止状态时岩土体对其的压力值；P2为深基坑岩土体处于弹性失稳状态时，土钉墙支护结构内外侧的主动土压力值；P3为深基坑岩土体处于弹性失稳状态时，土钉墙支护结构内外侧的被动土压力值[3]。

式中：L为深基坑内每层岩土的静止压力系数；g为深基坑内岩土重度；e为深基坑内土层的厚度；r为深基坑内每一层岩土的弹性模量；w为深基坑内每一层岩土的压缩模量；u为深基坑内每一层岩土的抗拔系数[4]。

式中：y为深基坑支护计算点水压强度；o1为土钉墙支护结构内侧的水压力；o2为土钉墙支护结构外侧的水压力；q为深基坑支护计算点地下水的重度；b为深基坑支护计算点岩土渗透系数[5]。

根据上述公式，计算出深基坑支护承载压力。

式中：J为深基坑土钉墙支护承载力；ρ为深基坑土钉墙结构中土钉直径；s为深基坑土钉墙高度；v为深基坑土钉墙结构中土钉抗弯强度；c为深基坑土钉墙结构中土钉水平间距；h为深基坑土钉墙结构中土钉垂直间距。

在设计深基坑支护时，技术参数需要满足以下关系

将式（1）～（3）作为深基坑土钉墙结构设计约束条件，由式（5）可得多种设计方案。根据约束条件对设计方案进行筛选

将符合式（6）条件的深基坑支护方案的稳定性进行验算

式中：R为深基坑各土层中预埋土钉的轴向拉力标准值；N为基坑各土层中预埋土钉极限承载力标准值；K为深基坑土钉墙支护安全系数。

式中：D为深基坑岩土体的黏聚力；S为深基坑岩土体的内摩擦力；α为水平面和滑动面某处切线间的夹角；T为建筑施工过程中深基坑内某一处岩土体滑动面弧长；W为建筑施工过程中深基坑内某一处滑动岩土体的重量；A为深基坑土钉墙支护结构的抗拔能力标准值；U为计算单元长度；β为深基坑土钉墙与水平面形成的夹角[6]。

根据上述公式对各深基坑支护结构设计方案进行验算，选取承载能力最强且符合验算要求的方案作为最优方案，用于深基坑支护施工。

1.3 深基坑支护施工

土钉墙支护施工工艺比较简单，主要包括土钉定位、钻孔、按钉、注浆封孔以及铺设钢筋网5个工序。

施工前对建筑深基坑支护施工区域进行清理，将地面多余的建筑垃圾清除干净并对深基坑挖方边坡坡面修整，保持坡面平整，减少外界因素对深基坑支护质量的影响。根据预先设计的土钉水平间距、垂直间距以及深基坑深度和宽度，确定土钉埋设位置，利用钻孔设备在定位位置进行钻孔，孔径大小要根据土钉直径大小确定，钻孔深度为土钉墙支护结构高度。

为保证土钉支撑效果，采用斜入法在深基坑岩土体上进行钻孔，钻孔倾斜角度要控制在30°～35°，使土钉与水平面和深基坑偏坡形成一个三角结构，具有稳定性，提高土钉墙支护力学性能。将钻孔内的碎石料清理干净，将HRB400钢筋埋入到钻孔内，确保钢筋能够准确到达预埋位置；利用水泥砂浆将埋入的钢筋与深基坑原有岩土连接，水泥砂浆中水灰比为0.75。利用注浆泵将水泥砂浆注入到钻孔内，注浆过程中将注浆压力控制在1.25 MPa，压力过大会导致钻孔内浆液孔隙率增大，过小会影响到深基坑支护施工效率。注浆完成后在浆液上方铺设一层钢筋网固定钻孔内钢筋，防止在后续施工过程中钢筋发生位移；从而有效控制深基坑支护水平位移。在钢筋网表面浇筑一层混凝土，厚度30～35 cm，使钢筋网与土钉形成整体；从而修建成一个完整的土钉墙支护。

2 工程验证

章丘万达广场基坑深度为19.56 m，面积1 654.64 m2，边坡坡度为16.24°。地下土层包括素填土、杂填土、淤泥、粉质黏土、细砂、中砂和粗砂，岩土压力为216.51 MPa。见表1。

表1 基层岩土参数

基坑地质结构比较复杂且脆弱，在施工过程中很容易出现坍塌事故。

分别采用土钉墙支护与排桩支护施工进行对比试验。准备了IHADF钻孔设备和SGHFA定位设备，在施工区域布设164个土钉埋设点，通过钻孔、安装土钉、铺设钢筋网实现该建筑深基坑支护施工。利用IUYF水平测量仪对深基坑支护坐标数据进行采集，根据深基坑支护原始坐标数据对其位移情况进行计算，深基坑支护水平位移是评价支护技术的关键指标，水平位移量越大，表示深基坑支护效果越差，支护结构起到的支挡作用越低；因此将其作为检验两种技术的试验唯一指标。GB/T 26415—2010《建筑深基坑支护技术规范》规定支护水平位移最大不能超过0.25 m。随机选取8个施工区域支护水平位移数据，见表2。

表2 两种支护形式基坑水平位移m

续表2

由表2可以看出，土钉墙支护水平方向位移量比较小，最大位移仅为0.009 m，符合GB/T 26415—2010规定要求；而排桩支护水平方向位移量较大，最大位移达到0.864 m，平均位移量为0.697 m，最小位移量未达到GB/T 26415—2010规定要求，而且远远大于土钉墙支护的位移。这是因为土钉墙支护形式对支护结构参数设计经过反复验算，结构设计严格，根据建筑深基坑实际地质情况，保证了深基坑支护设计精度，从而使其可以实现预期的支护效果。

3 结语

土钉墙支护解决了建筑施工中深基坑支护位移问题。考虑到城市建筑空间资源的紧缺，在未来建筑深基坑深度和面积将会不断扩大，深基坑支护技术要求也会不断提高；因此今后仍会对深基坑支护技术进行深入探究，增强支护技术水平，为城市地下空间利用和建筑行业发展提供有力的理论支撑。