第9章 土钉墙及复合土钉墙的设计与施工

第9章土钉墙及复合土钉墙的设计与施工9.1土钉墙的起源与发展概况国外土钉墙技术起源有二：一是20世纪50年代形成的新奥地利隧道开挖方法（NewAustrianTunnellingMethod），简称新奥法（NATM），二是60年代初期昀早在法国发展起来的加筋土技术。70年代，德国、法国、美国、西班牙、巴西、匈牙利、日本等国家几乎在同一时期各自独立开始了现代土钉墙技术的研究与应用[1]。国际上有详细记载的第一个土钉墙工程是1972年法国在凡尔塞附近的一处铁路路堑的边坡支护工程，德国1979年在斯图加特建造了第一个永久性土钉墙工程，美国有详细记载的一个工程是1976年在俄勒冈州波特兰市一所医院扩建工程的基础开挖。1979年巴黎地基加固国际会议之后，由于各国信息交流，改变了以前各自独立研究状态，使得土钉墙技术得到迅速发展和应用，1990年在美国召开的挡土结构国际学术会议上，土钉墙作为一个独立的专题与其它支挡形式并列，成为了一个独立的地基加固学科分支。国内土钉墙技术的起源也有二[2]：一是国外的土钉墙技术，二是在国内地下工程中应用广泛的喷锚技术。有记载的首例工程是山西太原煤矿设计院王步云1980年将土钉墙用于山西柳湾煤矿的边坡支护。90年代以后国内深基坑工程大规模兴起，有学者尝试着将土钉墙技术用于基坑，目前了解到的首例工程为1991年胡建林等人完成的金安大厦基坑，位于深圳市罗湖区文锦南路，周长约100m，开挖深度6~7m。半年后（1992年）开挖深度达12.5m的深圳发展银行大厦基坑采用土钉墙获得成功[3]，引起了岩土工程界的极大兴趣与广泛重视。之后土钉墙技术异军突起，得到了广泛而迅猛的应用与研究。90年代中期以后，多个国家、行业及地方规范标准的相继出台，使土钉墙技术得到了进一步的普及与提高。人们在应用土钉墙的过程中逐渐意识到，土钉墙由于自身固有的缺陷在某些场合不适用，需要与其它支护构件联合使用，这样复合土钉墙技术便应运而生。法国1985年在蒙彼利埃歌剧院深21m的基坑开挖临时支护中采用角钢击入钉上部加一排锚杆，德国1983年建造慕尼黑地铁时在一处18m深的临时性土钉墙支护中采用注浆帷幕处理地下水取得成功，不过国外并没有刻意强调复合支护这一概念。国内程良奎1989年在深圳卷烟厂边坡工程中成功应用了土钉墙与锚杆的联合支护，杨志银在1996年1月完工的深圳兴华广场基坑工程中成功应用了土钉墙与深层搅拌桩的联合支护。90年代中后期国内逐步建立了复合土钉墙概念，这是较大的突破，不仅有实际的工程意义，而且复合支护理论也促成、指导了更多新技术的形成。进入21世纪之后因种种原因，国内多个城市陆续对土钉墙的应用进行了限制，这种情况下突出复合土钉墙的概念更是极具现实意义。土钉墙技术在我国已成为基坑支护主要技术之一。尽管起步较晚，但设计施工水平已经在世界上处于领先地位，部分理论研究成果也属于先进行列，其中有一些独特的成就，如：①突出了复合土钉墙技术，可适用于绝大多数复杂的地质条件及周边环境，甚至在流塑状淤泥等极软弱土层中也有很多成功的案例。②发明或改进了许多施工设备、施工技术、施工方法，如洛阳铲成孔、人工滑锤打入、潜孔锤打入等，大幅度降低了工程造价，使土钉墙技术得以迅速普及。③应用的工程规模、工程量很大，喷射混凝土1万m2、土钉总长度10万m以上的工程已屡见不鲜。2002年完成的深圳市长城盛世家园二期，基坑开挖21.7m，昀大垂直开挖深度19m，采用锚索复合土钉墙获得成功，标志着土钉墙技术已经达到了很高水平[4]。不足之处在于：①国内的研究工作以小型的现场测试为主，室内试验、数值模拟、理论分析等工作做得不多，整体理论水平不高，缺乏有国际影响力的理论研究，缺少大规模、足尺寸的试验研究、全面的准确的现场测试，也缺乏具有广泛应用价值的数值模拟分析。②工程中存在着不管适合不适合就盲目应用现象。此外，由于土钉数量众多，难以监控，施工质量难以保证，毋庸讳言，这是近些年来土钉墙工程事故屡见不鲜的主要原因。经过数十年的工程实践，土钉墙在房屋建筑、市政、交通、港口、水利水电、电力、机场、矿山、人防、煤炭、国防等多个工程领域得到普遍应用[5]，本书主要介绍其在基坑工程中的应用。9.2土钉墙的类型、特点及适用条件9.2.1土钉墙的概念土钉墙是近30多年发展起来的用于土体开挖时保持基坑侧壁或边坡稳定的一种挡土结构[6]，主要由密布于原位土体中的细长杆件－土钉、粘附于土体表面的钢筋混凝土面层及土钉之间的被加固土体组成，是具有自稳能力的原位挡土墙，可抵抗水土压力及地面附加荷载等作用力，从而保持开挖面稳定。这是土钉墙的基本形式。复合土钉墙是近10多年来在土钉墙基础上发展起来的新型支护结构，土钉墙与各种止水帷幕、微型桩及预应力锚杆等构件结合起来，根据工程具体条件选择与其中一种或多种组合，形成了复合土钉墙。本书中“土钉墙”一词一般指基本型，在不会产生歧义的情况下有时也泛指复合型。9.2.2土钉墙的基本结构除了被加固的原位土体外，土钉墙由土钉、面层及必要的防排水系统组成，其结构参数与土体特性、地下水状况、支护面角度、周边环境（建构筑物、市政管线等）、使用年限、使用要求等因素相关。1．土钉类型土钉即置放于原位土体中的细长杆件，是土钉墙支护结构中的主要受力构件。常用的土钉有以下几种类型：（1）钻孔注浆型。先用钻机等机械设备在土体中钻孔，成孔后置入杆体（一般采用HRB335带肋钢筋制作），然后沿全长注水泥浆。钻孔注浆钉几乎适用于各种土层，抗拔力较高，质量较可靠，造价较低，是昀常用的土钉类型。（2）直接打入型。在土体中直接打入钢管、角钢等型钢、钢筋、毛竹、圆木等，不再注浆。由于打入式土钉直径小，与土体间的粘结摩阻强度低，承载力低，钉长又受限制，所以布置较密，可用人力或振动冲击钻、液压锤等机具打入。直接打入土钉的优点是不需预先钻孔，对原位土的扰动较小，施工速度快，但在坚硬粘性土中很难打入，不适用于服务年限大于2年的永久支护工程，杆体采用金属材料时造价稍高，国内应用很少。（3）打入注浆型。在钢管中部及尾部设置注浆孔成为钢花管，直接打入土中后压灌水泥浆形成土钉。钢花管注浆土钉具有直接打入钉的优点且抗拔力较高，特别适合于成孔困难的淤泥、淤泥质土等软弱土层、各种填土及砂土，应用较为广泛，缺点是造价比钻孔注浆土钉略高，防腐性能较差不适用于永久性工程。2．面层及连接件（1）面层。土钉墙的面层不是主要受力构件。面层通常采用钢筋混凝土结构，混凝土一般采用喷射工艺而成，偶尔也采用现浇，或用水泥砂浆代替混凝土。（2）连接件。连接件是面层的一部分，不仅要把面层与土钉可靠地连接在一起，也要使土钉之间相互连接。面层与土钉的连接方式大体有钉头筋连接及垫板连接两类，土钉之间的连接一般采用加强筋。3．防排水系统地下水对土钉墙的施工及长期工作性能有着重要影响，土钉墙要设置防排水系统。19.2.3土钉墙的特点与其它支护类型相比，土钉墙具有以下一些特点或优点：①能合理利用土体的自稳能力，将土体作为支护结构不可分割的部分，结构合理；②结构轻型，柔性大，有良好的抗震性和延性，破坏前有变形发展过程。1989年美国加州7.1级地震中，震区内有8个土钉墙结构估计遭到约0.4g水平地震加速度作用，均未出现任何损害迹象，其中3个位于震中33km范围内。2008年5月12日四川汶川8.0级大地震中，据目前调查发现，路堑或路堤采用土钉或锚杆结构支护的道路尚保持通车能力，土钉或锚杆支护结构基本没有破坏或轻微破坏，其抗震性能远远高于其它支护结构[7]；③密封性好，完全将土坡表面覆盖，没有裸露土方，阻止或限制了地下水从边坡表面渗出，防止了水土流失及雨水、地下水对边坡的冲刷侵蚀；④土钉数量众多靠群体作用，即便个别土钉有质量问题或失效对整体影响不大。有研究表明[8]：当某条土钉失效时，其周边土钉中，上排及同排的土钉分担了较大的荷载；⑤施工所需场地小，移动灵活，支护结构基本不单独占用空间，能贴近已有建筑物开挖，这是桩、墙等支护难以做到的，故在施工场地狭小、建筑距离近、大型护坡施工设备没有足够工作面等情况下，显示出独特的优越性；⑥施工速度快。土钉墙随土方开挖施工，分层分段进行，与土方开挖基本能同步，不需养护或单独占用施工工期，故多数情况下施工速度较其它支护结构快；⑦施工设备及工艺简单，不需要复杂的技术和大型机具，施工对周围环境干扰小；⑧由于孔径小，与桩等施工方法相比，穿透卵石、漂石及填石层的能力更强一些；且施工方便灵活，开挖面形状不规则、坡面倾斜等情况下施工不受影响；⑨边开挖边支护便于信息化施工，能够根据现场监测数据及开挖暴露的地质条件及时调整土钉参数，一旦发现异常或实际地质条件与原勘察报告不符时能及时相应调整设计参数，避免出现大的事故，从而提高了工程的安全可靠性；⑩材料用量及工程量较少，工程造价较低。据国内外资料分析，土钉墙工程造价比其它类型支挡结构一般低1/3～1/5。9.2.4复合土钉墙的类型及特点1．复合土钉墙类型复合土钉墙早期称为“联合支护”，如土钉与预应力锚杆联合支护、土钉与深层搅拌桩联合支护等，后来国内又陆续出现了“止水型土钉墙”、“结合型土钉墙”、“加强型土钉墙”、“新型土钉墙”、“超前支护喷锚网”等称呼，近几年来逐渐统称为“复合土钉墙”或“复合土钉”。与土钉墙复合的构件主要有预应力锚杆、止水帷幕及微型桩3类，或单独或组合与土钉墙复合，形成了7种形式，如图9-1所示。（1）土钉墙+预应力锚杆土坡较高或对边坡的水平位移要求较严格时经常采用这种形式。土坡较高时预应力锚杆可增加边坡的稳定性，此时锚杆在竖向上分布较为均匀；如需限制坡顶的位移，可将锚杆布置在边坡的上部。因锚杆造价较土钉高很多，为降低成本，锚杆可不整排布置，而是与土钉间隔布置，效果较好，如图9-1a所示。这种复合形式在边坡支护工程中应用较为广泛。（2）土钉墙+止水帷幕降水容易引起基坑周围建筑、道路的沉降，造成环境破坏，引起纠纷，所以在地下水丰富的地层中开挖基坑时，目前普遍倾向于采用帷幕隔水，隔水后在坑内集中降水或明排降水。土钉墙与止水帷幕的复合形式如图9-1b所示。学者们早期只是把止水帷幕作为施工措施，以解决软土、新近填土或含水量大的砂土开挖面临时自稳问题，认为止水帷幕具有隔水、预加固开挖面及开挖导向（沿着帷幕向下开挖容易形成规整的竖向平面）作用，后来逐渐发现，止水帷幕对提高基坑侧壁的稳定性、减少基坑变形、防止坑底隆起及渗流破坏等问题上也大有帮助。止水帷幕可采用深层搅拌法、高压喷射注浆法及压力注浆等方法形成，其中搅拌桩止水帷幕效果好，造价便宜，通常情况下优先采用。在填石层、卵石层等搅拌桩难以施工的2地层常使用旋喷桩或摆喷桩替代，压力注浆可控性较差、效果难以保证，一般不作为止水帷幕单独采用。这种复合形式在南方地区较为常见，多用于土质较差、基坑开挖不深时。（3）土钉墙+微型桩有时将第2种复合支护形式中两两相互搭接连续成墙的止水帷幕替换为断续的、不起挡水作用的微型桩，如图9-1c所示。这么做的原因主要有：地层中没有砂层等强透水层或地下水位较低，止水帷幕效用不大；土体较软弱，如填土、软塑状粘性土等，需要竖向构件增强整体性、复合体强度及开挖面临时自立性能，但搅拌桩等水泥土桩施工困难、强度不足或对周边建筑物扰动较大等原因不宜采用；超前支护减少基坑变形。这种复合形式在地质条件较差时及北方地区较为常用。（4）土钉墙+止水帷幕+预应力锚杆第2种复合支护形式中，有时需要采用预应力锚杆以提高搅拌桩复合土钉墙的稳定性及限制其位移，从而形成了这种复合形式，如图9-1d所示。这种复合形式在地下水丰富地区满足了大多数工程的实际需求，应用昀为广泛。（5）土钉墙+微型桩+预应力锚杆第3种复合支护形式中，有时需要采用预应力锚杆以提高支护体系的稳定性及限制其位移，从而形成了这种复合形式，如图9-1e所示。这种支护形式变形小、稳定性好，在不需要止水帷幕的地区能够满足大多数工程的实际需求，应用较为广泛，在北方地区应用较多。（6）土钉墙＋搅拌桩+微型桩搅拌桩抗弯及抗剪强度较低，在淤泥类软土中强度更低，在软土较深厚时往往不能满