复合土钉墙支护技术
[摘要]随着城市建设的发展，高层和超高层建筑物的不断涌现，对深基坑边坡支护工程的设计与施工提出了更严格的要求，不仅要确保边坡稳定、满足变形要求；而且要确保基坑周围已有建筑物、构筑物、地下管网和道路等的安全。传统的放坡、土钉墙等支护方式虽然成本低、速度快，但难以保证周边建筑物的安全；而桩锚、内支撑、地下连续墙等支护方式，安全性好，但成本较高且施工速度难以满足工期要求。因此在恒福家园深基坑支护工程中，将二者联合使用，优势互补，运用复合土钉墙支护技术取得了较好的效果。本文重点介绍复杂环境和地质条件下恒福家园项目深基坑复合土钉墙（土钉与桩锚联合）支护技术的设计和施工方案。
[关键词]复合土钉墙、土钉；锚杆；护坡桩；联合支护；深基坑
一、 工程概况
恒福家园工程位于东四环中路百子湾立交桥东南角,西邻东四环路,北邻百子湾路。本工程由南、北两部分组成，北部为1＃和2＃楼（檐高99.9米和23.6米），共为一个基坑，但深度不同，1＃楼基坑深度为14.62m，2＃楼基坑深度为14.32m；南部为3＃楼（檐高78米），基坑深度为13.42m。周边环境复杂，最近的居民住房距楼座只有六米；东西北三面道路交通拥挤、地下管线多、东侧距铁路支线约18米，距红线约3米，但火车经过次数较少；施工期在雨季（2005年5-8月间）给设计和施工增加了难度。
二、 工程水文地质条件
1、 工程地质条件
根据工程地质勘察报告，相关地层主要由人工堆积层、第四纪沉积层所构成，本设计基坑支护与降水有关的地层由上而下为：
人工堆积层：
粉质粘土填土、粘质粉土填土层①、碎石填土①1、房渣土①2，平均厚度2.0m，c=0.0KPa，φ=300。
粘质粉土、砂质粉土②、砂质粉土②1、重粉质粘土、粉质粘土②2、粉砂②3层，平均厚度5.5m，c=29KPa，φ=27.40。
粉砂、细砂③、砂质粉土、粘质粉土③1、粉质粘土③2层，平均厚度2.0m，c=0.0KPa；φ=30o。
粉质粘土、重粉质粘土④、砂质粉土、粘质粉土④1、粘土④2层，平均厚度1.1m，c=29KPa；φ=16o。
圆砾、卵石⑤层，平均厚度5.0m，c=0.0KPa；φ=38o。细砂、中砂⑤1层，平均厚度4.6m，c=0.0KPa，φ=32o。
粘质粉土、粉质粘土⑥层，平均厚度4.5m，c=30.0KPa；φ=22.8o。
2、地下水
根据本场地岩土工程勘察报告，施工场地各层地下水情况如下：
序号 类型 地下水稳定水位 赋存地层
三、 基坑降水工程设计方案
3.1降水设计技术路线
根据地质勘察资料及现场实际条件，基坑支护与降水工程涉及到第一层台地潜水和第二层层间潜水，槽底在第二层层间潜水水位线以上，按照最不利情况设计，设定水位埋深为4.8m，基坑深度按照1＃楼深度14.62m设计，设计目标为将水位降低到槽底以下1m。
根据基坑工程地质与水文地质条件，使用管井与自渗砂井联合围降，自渗砂井将第一层台地潜水渗透到圆砾、卵石⑤层中，由管井抽出；管井主要抽降第二层层间潜水与第一层台地潜水的混合地下水，降低⑤层含水层水位，为自渗砂井创造疏水条件，这样增加地下水渗透路径，保证土钉墙稳定性和干槽作业的目的。降水井点布置详见基坑降水支护平面布置示意图。
3.2管井井点参数：
(1)井数：1/2#楼73口，3#楼35口；
(2)井深：22.00m；
(3)井距：10.00m；
(4)管井孔径：600mm；
(5)滤水管：预制砼管（外径：φ400mm，长度：950mm/根）；
(6)滤料：干净滤料（中粗砂）。
3.3自渗砂井设计参数：
(1)自渗砂井井数：1/2#楼67口，3#楼34口；
(2)井深：16.0m；
(3)井距：10m；
(4)井径：400mm；
(5)滤料：直径2～7mm的水洗混合料。
(6)孔径：400mm;
（7）填料：Φ4～6混合料；
四、 基坑支护工程设计方案
本工程设计深度分别为三类，基坑支护类型为二类。根据勘察报告所描述的地层和场地环境以及基坑周边环境与现存构筑物的情况，以既安全又经济为原则进行基坑支护设计，决定采用复合土钉墙支护技术。
土钉墙支护技术是采用土钉加固原位土体用以维护基坑边坡稳定的支护方法。支护结构由土钉和钢筋网喷射砼面板组成。土钉与预应力锚杆或微型桩结合形成复合土钉墙。此技术的使用应因地制宜设计，施工应加强质量监控。支护深度一般不大于12米，复合土钉墙可适当加深加大支护深度。
对1＃、2＃楼基坑采用放坡为1:0.25的土钉墙支护方案，设计深度分别为14.62m和14.32m，对3＃楼基坑的南、北、西边坡采用放坡为1:0.25的13.42m土钉墙支护方案，对东部边坡由于距离建筑红线距离非常狭小，且与铁路线相傍，设计深度为13.42护坡桩方案，设计参数如下。
4.11＃楼基坑土钉墙支护设计（1－1剖面）
（1）设计参数
基坑深：14.62m
边坡放坡度：76o
各排土钉的具体布置如下：
各排土钉水平间距均为1.5m，第三排和第五排为预应力锚杆，土钉与锚杆倾角均为15°；
第一排土钉长8.0m，布置在地表下1.6m；
第二排土钉长10m，布置在地表下3.2m；
第三排锚杆长20.0m，布置在地表下4.8m；
第四排土钉长10.0m，布置在地表下6.4m；
第五排锚杆长20.0m，布置在地表下8.0m；
第六排土钉长10.0m，布置在地表下9.6m；
第七排土钉长9.0m，布置在地表下11.1m；
第八排土钉长8.0m，布置在地表下12.6m；
第九排土钉长5.0m，布置在地表下14.1m；
（2）、土钉杆件钢筋直径φ20；
（3）、土钉成孔直径为100mm，孔内注素水泥浆。水泥采用普硅P.O32.5，水灰比为0.45～0.5，水泥浆强度为M10。
（4）、面层钢筋网直径Φ6.5，网格间距200mm×200mm，并用U型短钉（500mm）及T型钉（500×200mm）固定在坡面上；基坑边缘设置散水，散水内置钢筋网并用水泥砂浆抹面。
（5）、面层混凝土厚度≥80mm，混凝土强度C20。混凝土用中粗砂，圆砾或碎石粒径不大于7mm。
（6）如果基坑壁出现渗水，必须在相应位置设置排水管，并保持流水畅通。开挖至糟底，修建排水明沟，保持槽底的干燥。
（7）第三排和第五排为锚杆，锚杆孔径150mm，1根75钢绞线，自由段5m，锚固段15m，锁定荷载为150kN，锚杆使用钢板锁定，钢板尺寸400×400×20。
4.22＃楼基坑土钉墙支护设计（2－2剖面）
（1）设计参数
基坑深度=14.32m
边坡放坡度：76o
各排土钉的具体布置如下：
各排土钉水平间距均为1.5m，第三排和第五排为预应力锚杆，土钉与锚杆倾角均为15°；
第一排土钉长8.0m，布置在地表下1.6m；
第二排土钉长10m，布置在地表下3.1m；
第三排锚杆长20.0m，布置在地表下4.7m；
第四排土钉长10.0m，布置在地表下6.3m；
第五排锚杆长20.0m，布置在地表下7.9m；
第六排土钉长10.0m，布置在地表下9.6m；
第七排土钉长9.0m，布置在地表下11.1m；
第八排土钉长8.0m，布置在地表下12.6m；
第九排土钉长5.0m，布置在地表下14.1m；
（2）、土钉杆件钢筋直径φ20；
（3）、土钉成孔直径为100mm，孔内注素水泥浆。水泥采用普硅P.O32.5，水灰比为0.45～0.5，水泥浆强度为M10。
（4）、面层钢筋网直径Φ6.5，网格间距200mm×200mm，并用U型短钉（500mm）及T型钉（500×200mm）固定在坡面上；基坑边缘设置散水，散水内置钢筋网并用水泥砂浆抹面。
（5）、面层混凝土厚度≥80mm，混凝土强度C20。混凝土用中粗砂，圆砾或碎石粒径不大于7mm。
（6）如果基坑壁出现渗水，必须在相应位置设置排水管，并保持流水畅通。开挖至糟底，修建排水明沟，保持槽底的干燥。
（7）第三排和第五排为锚杆，锚杆孔径150mm，1根75钢绞线，自由段5m，锚固段15m，锁定荷载为150kN，锚杆使用钢板锁定，钢板尺寸400×400×20。
4.33＃楼基坑南、北、西边坡土钉墙支护设计（3－3剖面）
（1）设计参数
基坑深度=13.42m
边坡放坡度：76o
各排土钉的具体布置如下：
各排土钉水平间距均为1.5m，第三排和第五排为预应力锚杆，土钉与锚杆倾角均为15°；
第一排土钉长8.0m，布置在地表下1.5m；
第二排土钉长10m，布置在地表下3.0m；
第三排锚杆长20.0m，布置在地表下4.5m；
第四排土钉长10.0m，布置在地表下6.0m；
第五排锚杆长20.0m，布置在地表下7.5m；
第六排土钉长10.0m，布置在地表下9.0m；
第七排土钉长8.0m，布置在地表下10.4m；
第八排土钉长7.0m，布置在地表下11.8m；
第九排土钉长4.0m，布置在地表下13.2m；
（2）、土钉杆件钢筋直径φ20；
（3）、土钉成孔直径为100mm，孔内注素水泥浆。水泥采用普硅P.O32.5，水灰比为0.45～0.5，水泥浆强度为M10。
（4）、面层钢筋网直径Φ6.5，网格间距200mm×200mm，并用U型短钉（500mm）及T型钉（500×200mm）固定在坡面上；基坑边缘设置散水，散水内置钢筋网并用水泥砂浆抹面。
（5）、面层混凝土厚度≥80mm，混凝土强度C20。混凝土用中粗砂，圆砾或碎石粒径不大于7mm。
（6）如果基坑壁出现渗水，必须在相应位置设置排水管，并保持流水畅通。开挖至糟底，修建排水明沟，保持槽底的干燥。
（7）第三排和第五排为锚杆，锚杆孔径150mm，1根75钢绞线，自由段5m，锚固段15m，锁定荷载为150kN，锚杆使用钢板锁定，钢板尺寸400×400×20。
4.43＃楼基坑东边坡桩锚支护设计（4－4剖面）
（1）设计参数：
基坑深度=13.42m
坡角=90°
桩长=17.42m
桩径=600mm
桩距=1.2m
主筋10φ22
箍筋直径Φ6,间距200mm
加强筋直径Φ14间距2000mm
桩顶设置圈梁，圈梁为600×400，配筋4Φ22
砼强度C25
（2）锚杆设计
第一道锚杆布置在桩顶以下4.0m，锚杆水平间距2.4m，采用二桩一锚，锚杆轴向设计拉力值Nt=400KN，锚杆自由段长=5.0m，锚杆锚固段长=13.0m，锚杆采用3根75钢绞线，锁定荷载为300kN，腰梁工字钢型号为2I22b。
第二道锚杆布置在桩顶以下8.0m，锚杆水平间距2.4m，采用二桩一锚，锚杆轴向设计拉力值Nt=460KN，锚杆自由段长=5.0m，锚杆锚固段长=14.0m，锚杆采用3根75钢绞线，锁定荷载为350kN，腰梁工字钢型号为2I22b。
锚杆钻孔直径不小于150mm
锚杆与水平线的夹角为15°
锚杆水泥浆的水灰比为0.45～0.5
五、施工验收准则
5.1土钉墙验收准则
（1）土钉长度不得小于设计长度；
（2）、孔径偏差不得超过设计孔径的－10mm;
（3）、土钉水平间距允许偏差±100mm；
（4）、土钉垂直间距允许偏差±50mm；
（5）、钢筋网间距允许偏差±20mm；
（6）、面层厚度不得小于设计厚度。
5.2降水井验收准则
（1）井垂直度为孔深的1％；
（2）井位偏差不得大于5cm；
（3）桩径大于等于设计孔径；
（4）井深允许偏差±200mm
5.3护坡桩验收准则
（1）钻孔垂直度为孔深的0.5％；
（2）桩位偏差不得大于5cm；
（3）桩径大于等于设计孔径；
（4）孔深不小于设计孔深；
六、雨季施工保证措施
本工程的基坑施工正处于春天雨季施工期间，为保证基坑支护的安全，确保地下部分结构正常施工，做好雨季施工措施，是关系到工程能否顺利进行的关键因素之一，为确保工程如期进行，特制定雨季施工方案，作为在必要时紧急应急措施。具体措施如下：
（1）在土钉墙顶部外侧地面做成坡面后抹水泥砂浆地面，宽约lm。坡面外侧做200X300mm的截水沟，形成环路并与下水管道相通，以排泄地面雨水，防止雨水进入基坑。
（2）基坑四周地面要填平，留一定外坡，并与场地排水管道组成地面外排水系统，使基坑四周8m宽范围地面不能有积水。
（3）在雨季期间，加强值班及收听天气预报，下雨之前清理坑内积水坑及排水沟，预备好潜水泵等抽水工具，下雨时及时组织人力、物力进行坑内抽、排水工作及基坑四周积水的疏通工作。
（4）地面排水：为防止基坑浸泡，开挖及进行基础结构施工时，应预先在基槽四周或流水的上游设置排水、散水沟，截水堤和暗沟等，为防止雨季雨水等造成基坑塌方、滑坡，在做好地面排水的同时，在基坑侧壁土钉墙上部4.Om设置2排排水管（类似挡上墙的泻水孔），排水管间距2～5m。
（5）基坑排水：为防止地表水、地下水等大量渗入基坑，造成基坑浸水，破坏边坡稳定，影响施工进行，必须采取地面截水、坑内排水等措施，基坑内排水可在基坑底向四周结构以外设置排水沟和集水井，排水沟按宽O.3m，深3O～5Ocm设置，坡度为O.l～0.5%，集水井按四角及距离3O～4Om设置一个。集水井内的积水要随时用泵排出，保证基坑底干燥。
（6）土钉喷射混凝土过程中，准备200m2以上的塑料布，以便雨天覆盖尚未喷射混凝土的坡面上。
（7）雨天过后加强基坑监测观测，遇到非正常情况及时采取措施，保证基坑支护的安全。
七、设计说明与施工注意事项
1、土钉墙边坡地面距坑缘1.0m范围内喷射100mm厚的混凝土，以防雨水，同时作好地面水的外排工作。
2、因可能存在管道漏水等原因，使面壁出现渗漏水现象时，可在渗水部位设置塑料排水管，管壁带孔，内填滤水材料。同时为排除积聚在坑内的渗水，在基坑底部设置排水沟及集水坑。排水沟离面壁0.5m以上。
3、凡是堆载应尽可能堆在距坑沿3.0m以外，20kPa以上的超载需要放在3.0m以内时，需经设计方许可。
4、施工的同时，须对边坡坡顶进行变形观测（垂直沉降及基坑坑壁土体水平位移）。
5、施工过程中，发现场地条件（各种管线、地层、水位等）与勘察报告不符时，应及时通知设计人进行设计验算，以保证工程安全。
6、施工应符合有关规范(规程)要求，严格按照设计进行施工。
7、土钉与锚杆应尽可能按照梅花形状布置。
8、施工过程中，如土钉遇到障碍物或与降水井位置冲突，可适当对其位置和角度进行调整。
9、挖土方应配合土钉、锚杆施工,其每次开挖的深度应和该处土钉或锚杆的垂直间距相匹配，严禁超挖。
10、土钉墙面层铺设钢筋网，所有土钉杆体后端（钉头端）围弯，围弯角度130。，围弯长度≥100mm。并用一根直径为14mm的钢筋将各个土钉头焊接起来（土钉杆体长度不包括围弯长度），然后喷射80-100mm厚的C20砼，以保护基坑边坡面层。
11、土钉钻孔注浆采用常压注浆，注浆管应随同杆体同时下入孔中，前端距孔底0.2m。由于边坡部分处于中细砂层和可能处于卵石层，所以注浆后应根据情况及时进行补浆2～3次。
12、基坑面层应将边坡边缘地面作包角。并使用Ф14拉筋，根据场地条件，尽可能向外固定拉筋。
13、边坡开挖中如果发现边坡渗水，应在开挖出工作面后，立即进行挂网喷射砼面层，然后待面层具有24小时强度后，再进行土钉施工。边坡坡顶和坡脚应设排水措施，坡面每步均应设置泄水孔。
14、当基坑开挖到中细砂或卵石层后，每步支护开挖面不得超过10m，支护面应采用分段施工。如果开挖面自立性较差，应在修坡后立即进行初次喷射素混凝土面层以封闭开挖面,然后再进行土钉与面层施工。
15、护坡桩支护部分，桩间土挂网（可用钢板网或土钉墙面层用的钢筋网，1φ20L1000钢筋打入边坡土层固定）锚喷。
八、基坑监测
为确保整个工程的安全，为结构施工创造条件，从土方开挖开始的施工过程中要严格监测基坑周边的变形，观测日期为土方开挖开始到土方回填完成为止（在雨天、雪人及周边地下通道施工期间要加强观测），观测变形结果，及时反馈及分析，一旦发现有危险的异常现象，及时采取相应的抢救措施，使基坑不发生意外破坏和变形，确保工程顺利施工。现特在此过程中增设基坑支护监测措施，具体如下：
8.1监测内容
（1）土钉墙水平位移；
（2）护坡桩水平位移；
（2）周围建筑物沉降观测。
8.2监测设备
（1）DJ2经纬仪两台；对土钉墙与护坡桩坡顶
（2）测斜仪1台；对土钉墙与护坡桩全长水平变形进行监测；
（3）N3精密水准仪1台；对周围建筑物进行沉降观测。
8.3观测点设置：
（1）测量基准点设置在距基坑20～3O米以外相对稳定地方（如基坑四周的原有建筑物）沿基坑对角线延长方向设置，共设置4个，并用水泥桩固定；
（2）土钉墙水平位移观测点设置在土钉墙坡顶边缘处，测点间距10～15米；桩锚边坡水平位移监测点设置在帽粱顶部，基坑长边5个，短边3个。每边中间位置为变形最大处，必须有一个观测点，点位用水泥钉固定。
（3）测斜管应安装在自滲砂井中和护坡桩钢筋笼中，+字型轨道应于边坡面垂直或平行。
8.4观测方法：
（1）采用方向法进行观测，从基坑开挖开始观测，到基坑回填为止结束，土方开挖期间、降水期间和特殊天气后，要每天早晚各观测一次，其它可每周观测2～3次，并做好记录；
（2）设专人并使用水准仪及经纬仪进行观测变形情况，记录要准确工整严禁涂改，每次观测结果详细记入汇总表，定期向监理工程师报告变形情况；
（3）如地面变形产生裂缝时，增设观测点，随时观测裂缝的变化。
8.5成果分析
（1）分阶段每隔5天进行观测成果汇总，并绘制位移（S）～时间（T）关系曲线图；
（2）．对绘制图形及观测结果集中进行讨论，分析变形是否过大及是否趋于稳定，并和甲方共同确定是否需进行采取补救措施。
（3）．如地面变形产生裂缝时，增设观测点，随时观测裂缝的变化。
8.6监测预警值
（1）土钉墙预警值
墙顶最大位移≦0.005H墙体最大位移≦0.01H
安全域：开挖完成后7天内变形速率≦0.3mm/day
（2）护坡桩预警值
墙顶最大位移≦3.5cm墙体最大位移≦6cm
安全域：开挖完成后7天内变形速率≦0.3mm/day
九、结束语
本深基坑支护工程周围环境和水文地质条件复杂，又逢雨季，施工难度相当大。通过运用复合土钉墙（土钉为主、桩锚为辅）支护技术，既保证了基坑安全，又大大降低了工程造价，且工期短。实践证明，复合土钉墙基坑支护技术在恒福家园工程中的应用是成功的，是值得在同类型工程中推广的。