某工程深基坑复合土钉支护技术的应用

王振东

摘要：建筑基坑工程正朝着深、大、结构更复杂的方向发展，因此，其支护方式不是单一的。而是多种支护技术复合应用。本文结合昆明地区某工程项目实例对复合土钉支护技术在软土地区的应用进行了探讨。
关键词：复合土钉;支护技术；深基坑
1 引言
土钉支护作为一种原位土体的加筋技术，在土体发生变形的情况下通过接触界面的粘结力给土体以约束加固使其稳定，其作用效果主要依赖于土体本身的力学强度，因此一般不宜用于软土地区基坑支护工程。对此，《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99)建议土钉支护的应用范围是“基坑侧壁安全等级宜为二、三级的非软土场地”。
但随着复合土钉支护技术的出现和研究水平的进步，该技术不仅在支护深度、基坑面积和周边环境的复杂性等方面在原有土钉支护技术上进行了扩展，同时，复合土钉支护技术在软土地区的应用也是重要的研究方向。本文通过工程实例，对此进行分析研究。
2 工程概况
2.1 工程简介
昆明某工程项目含七栋高层住宅楼(32～33层/地下2层);酒店(28层/地下2层)、公寓(32层/地下2层)、写字楼(22层/地下2层)以及其它附属商业设施等。整个场区地下部分设三层地下车库。基坑深度6.35～13.75m。
2.2工程地质情况
依据岩土工程勘察报告，场地地形基本平坦，基坑开挖影响范围内场地地层主要分布如下:
①1杂填土:杂色，湿，松散状态，土质不均，以建筑垃圾和工业垃圾为主，该层在场区内普遍分布。
①2素填土:杂色，软塑状态，土质不均，结构杂乱，以粘性土为主，该层在场区内普遍分布，填垫时间不超过10年，层厚0.5～5.2m。
②11粉质粘土:灰黄色，可塑状态，土质较均，标准贯入击数为6～8击，层厚0.8～3.4m。
②12粘土:灰黄色，可塑状态，土质较均，底部夹粉土薄层，标准贯入击数为5～12击，层厚1.0～3.4m。
③1粉土:灰色，湿，中密状态，土质较均，夹粉质粘土薄层，标准贯入击数为10～24击，层厚3.7～5.3m。
③2粉质粘土:灰色，软塑状态，土质较均，层厚4.1～5.6m。
④粉质粘土:灰黄～褐黄色，可塑状态，土质较均，层厚2.8～3.1m。
⑤1粉质粘土:黄褐色，可塑状态，土质较均，夹粉土薄层，标准贯入击数为12～26击，层厚5.7～7.3m。
⑤2粉土:黄褐色，湿，密实状态，土质较均。标准贯入击数为37～50击。
在勘察深度范围内地下水为潜水～ 微承压水，勘察期间场区地下水静止水位埋深为1.1～ 2.2m。
3 基坑工程设计
3.1 基坑支护方案的比较
基坑长约300m，宽约150m，按照业主开发计划，分期分区域进行开挖，首先进行基坑南侧的开挖与支护。基坑支护方案如采用天津地区常用的地下连续墙和内支撑支护结构，支撑结构体量巨大且需进行整体开挖，经济性不佳;如采用桩锚支护结构，可满足分区开挖支护的要求，但也面临造价较高的问题。根据以上情况，决定采用复合土钉墙支护结构，在施工时间和空间的安排上更为灵活。本次基坑开挖支护范围为基坑南侧4-4剖面(图1)。

图1 复合土钉墙支护剖面
3.2 基坑隔水/排水
场区地下水位较高，采取适当的隔水/排水方案对基坑的稳定至关重要。
首先，采用三轴水泥土搅拌桩形成止水帷幕阻隔基坑外地下水，搅拌桩深入到⑤1层粉质粘土下一定深度，满足坑底抗渗稳定和承压水抗渗稳定要求。
其次，对坑内土体采用管井降水，井深20/23m，共布井123口。在止水帷幕外侧设置观测井，井深15m，共布井18口，随时观测坑外地下水变化情况。必要时采取回灌措施。
另外，对于坑壁渗水，在喷射混凝土面层上增设排水管。同时为避免地面水流入基坑及有效排除局部积水，在边坡顶及每层台阶坡脚处设置排水明沟。
3.3基坑支护设计
按照《建筑基坑支护技术规程(JGJ120-99)》严格计算，复合土钉墙支护剖面设计图1。
4  基坑施工难点
在进行土钉施工中发现，由于土体含水量较大，特别是杂填土和素填土层中，厚度4.1～5.6m的③2软塑粉质粘土难以将土柱带出，根据现场情况将普通钢筋土钉等长替代为钢花管土钉。对钢花管土钉承载力进行随机抽样检测，均达到了设计承载力要求。
本次工程部分土钉需要穿越止水帷幕，易造成土钉孔口出现渗漏，为了防止地下水渗漏引起土体流失进而局部地面下沉，对土钉注浆孔口采取了多次补浆的措施，保证孔口浆液饱满，此外对于部分渗透水量较大、封堵较难的土钉孔采用堵漏剂进行封堵，保证止水帷幕后地下水位的稳定。对于孔口标高低于止水帷幕外地下水位标高的土钉，由于地下水水头影响，水泥浆液注入较为困难，采取压力注浆并严格要求孔底注浆，保证注浆压力不小于1MPa。对土钉承载力进行随机抽样检测，均达到了设计承载力要求。
此外，对于软土地区的复合土钉墙支护，需合理确定施工段长度，待前一段土钉及喷射混凝土施工完毕后方可开挖下一施工断面，根据现场情况，每一施工段长度限制为不大于10m;此外还局部调整了工艺顺序，先进行修坡、编钢筋网和喷射混凝土施工，待支护结构有一定面层强度后再施工土钉，防止局部流土等不利情况的发生。
对于预应力锚杆，较高的张拉荷载可减小基坑水平位移，但对于抗剪强度较低的止水帷幕，受到较大水平力时容易出现断裂并影响隔水效果，本工程锚杆加载到100kN后直接进行锁定。
5 基坑监测与分析
5.1 监测数据
在基坑开挖及后期使用过程中，从2008年5月8日～2008年11月22日对基坑水平位移和周边地面沉降进行了持续时间为198d的监测，基坑水平位移有效控制在设计要求的30mm以内，监测结束时最大水平位移为16.12mm;基坑地面沉降有效控制在设计要求的30mm以内，监测结束时最大地面沉降量为6.84mm。图2～4为部分观测点的基坑水平位移-观测时间的变化。

图2 Sp12 观测点基坑水平位移-观测时间的变化图

图3 Sp13 观测点基坑水平位移-观测时间的变化图

图4 Sp15 观测点基坑水平位移-观测时间的变化图
5.2 数据分析
通过对变形监测记录数据进行分析，并将数据与施工记录进行比对后发现，基坑无明显的变形规律。同时也发现，预应力锚杆作用后基坑变形速率均出现降低趋势。
6 结束语
复合土钉支护技术在本工程的成功应用，关键在于选取合理的设计参数及采用有效的施工措施，此外还应考虑以下因素对基坑整体稳定的贡献:
进行基坑整体及局部稳定性计算的时候，没有考虑三轴水泥土搅拌桩的作用。搅拌桩本身有一定的抗剪强度，在基坑开挖的过程中，搅拌桩不仅阻隔外部地下水，也起到了超前支护的作用，保证土钉及面层在施工时的安全;另外，搅拌桩的存在提高了复合土钉墙的面层刚度，对基坑稳定有利。另外需要注意的是，本次工程虽位于软土地区，但场区土体经过了数十年的正常固结，考虑地基应力历史的影响，土体自身的抗剪强度对基坑稳定起了至关重要的影响。
本工程对复合土钉支护技术在软土地区的应用进行了有益尝试，取得了一定的实践经验，但该技术的成功应用是在一系列有利条件的支撑下取得的。今后对于该技术在软土地区的使用仍需谨慎并充分考虑各种不利因素的影响。
［参考文献］
［1］JGJ120-99，建筑基坑支护技术规程［S］.
［2］陈肇远，崔京浩.土钉支护在基坑工程中的应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，1997.