土钉支护结构的设计、施工和监测

西安建大科技/总第62期/2005第2期*作者简介：刘长青，（1979--）男，结构工程专业，在读硕士研究生，研究方向为深基础设计及施工。51●施工技术土钉支护结构的设计、施工和监测刘长青（西安建筑科技大学土木工程学院陕西西安，710055）【摘要】土钉支护结构作为一种新的支护结构正在越来越广泛的应用于深基坑工程中。然而，在土钉支护的设计和施工中还存在着很多问题。本文就在土钉支护结的设计和施工中应注意的问题提出了自己的几点看法，强调施工监测和信息化施工在土钉支护应用中的重要性。关键词土钉支护结构；设计；施工；监测1.前言土钉支护技术是以新奥法理论为基础发展起来的，昀早应用这项技术的是法国，我国是在1980年首次将土钉支护技术应用于山西柳湾煤矿，尔后，开始在我国全国范围内推广使用。因为其经济、可靠且施工快速简便已成为桩、墙、撑锚支护之后又一项较为成熟的支护技术。土钉支护技术是一种主动约束机制，充分发挥了侧壁土体的自支承能力。土钉支护技术可用于信息化施工，随着对土体和支护结构的应力与变形进行系统动态观测来调整设计方案，修改原方案的缺点和不足，确保支护的安全与稳定。2.设计土钉支护结构的设计步骤在很多文献中都有论述，故本文只对土钉支护设计中应遵循的一般原则作些说明。应遵循的一般原则：（1）充分掌握土坡土体的工程特性，充分考虑地表径流、地下水管变形后漏水和地下水的影响，选择与土体性状相适应的土钉支护方案。（2）支护结构应有一定的柔性，刚度适宜，以适应边坡的限量变形，同时应限制开挖台阶高度与开挖深度，迅速适时地进行支护，以控制支护结构的变形量，必要时还可以在钉中施加少量预应力。（3）量测表明[4]，沿高度上下分布的土钉，在使用状态的昀大内力一般为中间大，上部和底部偏小，但顶部的土钉对限制地表52变形非常重要，而底部土钉太短则可能发生坑底深部滑动失稳等问题，因此，土钉长度沿高度分布应相同或底部土钉长度偏短一些，土钉的长度一般为0.5~1.0H。（4）土钉一般均匀布置在坡面上，为使土钉与周围土体形成一个组合整体，土钉间距不宜过大，对注浆式土钉，间距一般为1~2m，对打入式土钉的倾角宜控制在5°~20°之间。应按信息化设计施工要求，对土体和土钉支护结构的应力与变形进行系统的动态监测，检验设计的合理性，及时修改原设计的缺点和不足，对出现的问题及时解决。3.施工土钉支护作为一种新的挡土结构应满足强度、稳定性、变形和耐久性等要求。当土钉结构用于城市建筑物密集区的深基坑开挖时，控制与限制支护结构的变形就变的更为重要。现有的工程设计方法都不能定量分析支护的变形，而单纯依靠有限元分析方法也难以给出可靠的变形数据。土钉支护的变形与强度性能不仅与结构的参数有关，而且在很大程度上取决于施工方法和施工工序。因此，在施工中应遵循一定的原则。施工中应遵循的一般原则：（1）施工过程中必须自始至终与现场的测试监控相结合，通过变形等量测数据和施工过程中不断出现的现场地质情况，及时进行反馈设计并指导下一步的施工。所以，土钉支护根据初步设计进行施工，但昀终设计是在施工过程中完成的。（2）设计施工文件中要规定控制变形的具体措施。比如，限制每步作业的开挖深度和安排合理开挖工序，尽量缩短边坡开挖面的裸露时间，通过掺加早强剂快凝剂促进水泥注浆和喷射混凝土早期强度的发展等。在设计方案中，可以采取限制变形的措施有：加大上排土钉的长度；通过拧紧土钉端部螺母在钉中施加少量的预拉力；适当加大设计安全系数；将上部土钉中的一排或两排改为预应力锚杆。（3）要充分考虑地表和地下水的影响。如施工时渗水严重，就不能喷设面层混凝土，而容易引起塌坡和起孔。施工时应采取专门措施降低地下水位。竣工后的支护结构在地下水位的作用下，其面层压力和土钉内力均会有明显增加，所以设计时必须考虑到土钉支护结构在施工和使用阶段中可能遇到的地下水位变化和土体含水量的变化，要设置内部排水系统，防止地面渗水在土钉结构内积聚并造成较大水压。具体施工工序为：（1）开挖工作面、修整边坡和坡面排水；（2）喷射第一层混凝土；（3）设置土钉（包括钻孔、置筋、注浆垫板等）；（4）绑扎钢筋网；（5）喷射第二层混凝土。土钉支护结构的施工是从上到下分步修建的，首先开挖有限深度，在开挖的这一层上进行土钉设置等工序，待本层施工完毕后，喷射混凝土达到一定强度后，再开挖下一层土体，重复进行这些工序直至施工到坑底为止。控制每步的开挖深度和合理安排作业顺序对于土钉支护至关重要，这是限制支护结构变形过大的重要环节。每步开挖深度一般与土钉的竖向间距相同。按照边坡稳定分析（库乐曼法）[5]，保持临界平衡的土坡高度为：534sincos1cos()crchβϕγβϕ⎡⎤=⎢−−⎣⎦⎥（1）当边坡倾角β为90°垂直开挖时，4tan452crchϕγ⎛=⎜⎝⎠o⎞+⎟AP（2）min0.9AP≥（4）式中：n—每批土钉抽样试验的试件组数；PAn—同批n组试件抗拔力的平均值；PA—土钉设计抗拔力；PAmin—同批n组试件抗拔力的昀小值（N）。在施工过程中要自始至终进行支护变形的量测和地表裂缝观察，邻近有建筑物时也要密切监视其变形开裂情况。支护变形的量测包括昀不利地段中的面层顶部水平位移和垂直沉降，以及地表沉降曲线，昀好也包括支护面层不同深度的水平位移。一般可用精密水准仪和经纬仪观察。重要工程时可同时用测斜仪量测紧靠面层和离面层不同距离处土体内部的水平位移曲线。测定土钉拉力时可用电阻片和弦式应变仪，也可以用收敛计观测支护结构的变形是否趋于稳定，但收敛计测读的位移只是实际总位移的一个部分，所以不能用来作为支护昀大变形的依据。其中：hcr—临界深度，在使用时应除以安全系数k，k取2.0；c—土体的粘聚力，KPa；γ—土体的重度，KN/m3；β—坡角，度；φ—土体的内摩擦角，度。土钉支护结构的施工过程中要详细记录开挖土体的特征以及渗水情况，还要对土钉逐一编号并记录钻孔过程中取出的土样特征。4土钉墙的检验和监测土钉的现场抗拔试验必不可少，为此要在典型土层中专门设置测试用钉，进行抗拔破坏试验，并据此求出临界面粘结力，作为土钉昀终设计的依据。此外，要挑选少量有代表性的土钉体作抗拔检验。一般取土钉总量的3%，施加的荷载为土钉工作阶段设计内力的1.3~1.5倍，抗拔试验方法与评定标准可以参照《建筑基坑支护技术规程》JBJ120-99附录E中的规定进行。土钉支护结构与土层锚杆不同，它的整体效能是主要的，不必逐一检查。在每步开挖阶段，必须挑选土钉进行抗拔试验，以确定土钉与土体的界面摩阻力及极限抗拔力，检验设计、计算方法的可靠性。在进行土钉工程质量验收时，应做抗拔力试验。根据《建筑基坑支护技术规程》JBJ120-99的规定，试验数量为每300根为一抽样组，一组不少于3根。土钉支护结构的监测项目，可以参见表（1）。土钉质量的合格条件为：AnAPP≥（3）西安建大科技/总第62期/2005第2期表（1）监测项目监测仪器检测要求坡顶水平位移精密经纬仪（或全站仪）应测项目坡顶沉降精密水准仪（全站仪）沿基坑边每8~10m设一个测点，开挖期间，每天测一次，正常情况下3~5天测一次。土钉应力钢筋计、应变片有代表的位置测试墙体位移测斜仪有代表的位置测试喷层钢筋应力应变计有代表的位置测试选测项目土压力土压力盒有代表的位置测试在监测期间对监测数据应进行及时处理，达到信息化施工的目的。住宅楼原办公楼39.0-11.900…………39.031.031.0-9.0005.工程实例洛阳公安指挥中心基坑边坡支护设计与施工。工程概况：洛阳市公安通讯信息指挥中心位于洛阳市西工区体育场路4号院，建筑面积42000m2，住楼高130m，为30层的框架—剪力墙结构，含有二层地下室，为人工挖孔桩厚板基础，基坑深11m（自然地坪算起），地下室基坑北、东两侧为四层原公安办公楼，两侧为六层居民住宅楼，距基坑仅9m左右，南侧有一市政污水管道。见图（1）。图（1）基坑平面布置图根据地勘报告，该场区分布了一套冲、洪积作用形成的黄土状粉土，粉质粘土及卵石层，为典型的“二元”结构。黄土状粉质粘土厚度达23m，而卵石层在地表下23.5m。因此，基坑在黄土状粉土和黄土状粉质粘土土层范围内。其余土钉有关的力学指标为重度γ=18KN/m3，内摩擦角φ=20°，粘聚力c=20KPa，土层厚度20m。该工程施工正值雨季，由于黄土见水湿陷，塌陷丧失自立的特性，因此对基坑的支护就显得尤为重要。设计方案：*作者简介：刘长青，（1979--）男，结构工程专业，在读硕士研究生，研究方向为深基础设计及施工。5455该工程采用土钉支护，采用王步云设计方法。设计结果见下表（2）。锚杆呈梅花状布置，锚杆采用直径为25mm的二级螺纹钢，对中支架为直径为8mm的一级圆钢筋。对于第一层锚杆施工时，若土质松散不能成孔时，用直径为80mm的无缝钢管代替直径为25mm的二级螺纹钢。钢筋网采用直径为6.5mm的一级圆钢筋制作，网眼为200mm×200mm。第1、6层锚杆头部均用直径为12mm的一级圆钢筋呈“井”字形和边壁钢筋网焊接，连接钢筋长度为0.5m；第2、3、4、5层锚杆头部除用“井”字形钢筋与边壁钢筋网焊接外，再设两根通常的直径为12mm的一级圆钢筋将锚杆横向焊接（加强连接筋），并和钢筋网相焊接。喷射混凝土选用C20，厚度100mm，配比（重量比）为：水泥：砂：碎石=1：2：2。注浆压力1~1.2MPa，水泥砂浆配比（重量比）为：水泥：砂=1：0.5。表（2）11m深基坑边壁支护参数9m深基坑边壁支护参数第一层锚杆（管）长8.5m打设角10º第一层锚杆（管）长8m打设角10º第二层锚杆（管）长12.5m打设角10º第二层锚杆（管）长10m打设角10º第三层锚杆长12m打设角10º第三层锚杆长9m打设角10º第四层锚杆长10.5m打设角10º第四层锚杆长9m打设角10º第五层锚杆长10.5m打设角10º第五层锚杆长8m打设角20º第六层锚杆长9m打设角20º施工工艺：基坑开挖应自上而下分层进行，每次开挖的深度按锚杆的排距左右开挖，横向应分块段间隔开挖，不允许随意开挖或一挖到底，并随挖随支护，即挖土效应服从锚杆支护工作的程序及安排进行。锚杆施工要求锚杆孔径不小于100mm，用高压注浆工艺，注浆压力为1.0~1.2MPa，杆体与孔壁之间（包括自由段）均须注满浆，砂浆强度等级不低于M20，锚杆头部用连接筋或加强筋焊接与钢筋网上。锚杆及编网工作完毕后，应及时进行喷射混凝土，喷射混凝土强度等级为C20，第一次喷射混凝土厚度为60mm，第二次喷射为40mm。对遇到蠕变的淤泥或粉土，开挖难以直立时，应及时停止开挖，首先运用超前锚杆（或锚管），技术缺失地段，宜加大注浆压力及注浆量，以保证锚杆孔内的砂浆饱满，增强锚杆拉力。施工监测：该基坑工程，采取人工观察和仪器测量相结合的办法进行监测，人工观察采取每4小时沿坑壁及基坑四周进行观察，并作记录，仪器测量采用S1水准仪和J2经纬仪进行，且每开挖一层，支护一层锚杆，各观察56一次。该基坑工程边壁昀终沉降和位移结果可见表（3）。表（3）边壁监测位置边壁变形量基坑西侧11m深基坑边壁基坑北侧9m深基坑边壁基坑东侧基坑边壁基坑南侧基坑边壁昀大内倾变形（mm）5333昀大沉降变形（mm）32326.结论土钉支护比传统的支护结构要经济的多，有很大的优越性。对上述工程若采用沉管灌注桩进行深基坑开挖边壁支护，仅沉管灌注桩的费用就达120万元左右，尚不包括桩顶混凝土横梁及内撑系统的费用。而本工程采用土钉网支护结构，其工程费仅为49万元，为工程的建设节省了大量的费用。（转第62页）