高层建筑施工第三章-高层建筑深基坑支护8土钉墙施工

第八节土钉墙施工土钉支护是近10多年来发展起来的用于土体开挖和边坡稳定的一种新型挡土结构，由于经济、可靠且施工快速简便，已在我国得到迅速推广和应用。在基坑开挖中，土钉支护现已成为桩、墙、撑和锚支护之后又一项较为成熟的支护技术（如图3-81）。•所谓“土钉”（SoilNails,源自法文ClouagedeSol），就是置入于现场原位土体中以较密间距排列的细长杆件，如钢筋或钢管等，通常还外裹水泥砂浆或水泥净浆浆体。土钉的特点是沿通长与周围土体接触，以群体起作用，与周围土体形成一个组合体。在土体发生微小变形的条件下，通过与土体接触界面上的粘结力或摩擦力，使土钉被动受拉变形，并主要通过受拉工作给土体以约束加固或使其稳定。•一、土钉墙的工艺原理及特点•（一）土钉墙的工艺原理•工艺原理：土钉墙是采用土钉加固的基坑侧壁土体与护面等组成的结构。它是将拉筋插入土体内部全长度与土粘结，并在坡面上挂钢筋网并喷射混凝土，从而形成加筋土体加固区段，用以提高整个原位土体的强度并限制其位移，并增强基坑边坡坡体的自身稳定性。•土钉墙的类型：钻孔注浆型土钉、打入型土钉和射入型土钉•（二）土钉墙支护的特点•1、能合理地利用土体的自承能力，将土体作为支护结构的不可分割部分；•2、结构轻型，柔性大，有良好的抗震性和延性；•3、施工便捷、安全，土钉的制作与成孔简单易行，且灵活机动，便于根据现场监测的变形数据和特殊情况，及时变更设计；•4、施工不需单独占用场地，对于施工场地狭小、放坡困难、有相邻建筑、大型护坡施工设备不能进场时，该技术显示出独特的优越性；•5、稳定可靠，支护后边坡位移小，水平位移一般为基坑深度的0.1％～0.2％，最大不超过0.3％，超载能力强；•6、总工期短，可以随开挖随支护，基本不占用施工工期；•7、费用低，经济，与其他支护类型相比，工程造价降低10％～40％左右。•二、土钉墙支护的应用范围与适用条件•1、土钉墙支护的应用范围•①托换基础；•②基坑或竖井的支挡；•③基坑工程抢险；•④斜坡面的稳定；•⑤与预应力锚杆相结合做斜面的防护。•2、适用条件•土钉墙支护一般适用于地下水位以上或进行人工降水后的可塑、硬塑或坚硬的粘性土，胶结或弱胶结(包括毛细水粘结)的粉土、砂土和角砾、填土；随着土钉墙理论与施工技术的不断成熟，在经过大量工程实践后，土钉墙支护在杂填土、松散砂土、软塑或流塑土、软土中也得以应用，并可与混凝土灌注桩、钢板桩或在地下水位以上的土层与止水帷幕等配合使用进行支护，从而扩大了土钉墙支护的使用范围。采用土钉墙支护的基坑，其深度不宜超过18m。•三、土钉墙的设计与构造•（一）土钉墙的构造•土钉墙一般由土钉、面层、泄排水系统等三部分组成。详细设计及构造应符合下列规定：•1、土钉墙墙面坡度不宜大于1：0.1；•2、土钉必须和面层有效连接应设置承压板或加强钢筋等构造措施，承压板或加强钢筋应与土钉螺栓连接或钢筋焊接连接，3、土钉的长度宜为开挖深度的0.5～1.2倍，间距宜为1～2m，与水平面夹角宜为50～200；•4、土钉钢筋宜采用Ⅰ、Ⅱ级钢筋，钢筋直径宜为16～32mm，钻孔直径宜为70～120mm；•5、注浆材料宜采用水泥浆或水泥砂浆，其强度等级不宜低于M10；•6、喷射混凝土面层应配置钢筋网，钢筋直径宜为6～10mm，网格间距宜为150～300mm，喷射混凝土强度等级不宜低于C20，面层厚度不宜小于80mm；•7、坡面上下段钢筋网搭接长度应大于300mm；•8、当地下水位高于基坑底面时应采取降水或截水措施，土钉墙墙顶应采用砂浆或混凝土护面，坡顶和坡脚应设排水措施，坡面上可根据具体情况设置泄水孔。图3-82土钉与面层的连接1—垫块；2—螺母；3—喷射混凝土；4—钢筋网；5—土钉钻孔；6—土钉钢筋；7—钢垫板；8—锁定筋；9—井字形钢筋；10—网筋；11—纵横主筋（二）土钉墙支护的作用机理、工作性能与计算方法1、土钉墙支护的作用机理土钉通过滑裂面将坑周土体加固，土钉与土共同工作，形成了能大大提高原状土强度和刚度的复合土体，如同重力式挡土墙。在土体受力条件改变的情况下，土体必然发生相应变形，通过土钉加固体与土的摩擦力，使土钉被动受拉而给土体以约束加固使其稳定，它由密集的土钉群、被加固的原位土体、喷射混凝土面层和必要的防水系统组成。•2、土钉墙支护的工作性能•①土钉墙支护变形较小，最大水平位移发生于墙体顶部，越往下越小。土钉墙支护体内的水平位移随离开墙面距离增大而减少；•②土钉内的拉力分布是不均匀的，一般呈现中间大、两端小的规律，土体产生微小变位才能使土钉受力；•③采用密集土钉加固的土钉墙支护性能类似重力式挡土墙，破坏时明显带有平移和转动的性质；•④在土钉墙支护整体破坏以前，喷射混凝土面层和土钉一般不会产生破坏现象；•⑤墙面土压力分布并不接近三角形，在坡角处土压力减少，其合力为库仑土压力的70％，这种土压力减少是土钉将土连接成一个整体而造成的。其土压力值至少降低库仑土压力值的30％～40％。•3、土钉墙的计算方法•土钉墙的研究在国内起步较晚，其设计在理论上尚无一套完整严格的分析计算体系。目前国内比较认可的计算方法是参照《建筑基坑支护技术》JGJ120-99中的土钉抗拉承载力计算和土钉墙整体稳定性验算的方法进行设计计算。三、土钉墙施工•（一）基坑开挖•基坑要按设计要求严格分层分段开挖，在完成上一层作业面土钉与喷射混凝土面层达到设计强度的70％以前，不得进行下一层土层的开挖。每层开挖最大深度取决于在支护投入工作前土壁可以自稳而不发生滑动破坏的能力，实际工程中常取基坑每层挖深与土钉竖向间距相等。每层开挖的水平分段宽度也取决于土壁自稳能力，且与支护施工流程相互衔接，一般多为10～20m长。当基坑面积较大时，允许在距离基坑四周边坡8～10m的基坑中部自由开挖，但应注意与分层作业区的开挖相协调。•挖方要选用对坡面土体扰动小的挖土设备和方法，严禁边壁出现超挖或造成边壁土体松动。坡面经机械开挖后要采用小型机械或铲锹进行切削清坡，以使坡度及坡面平整度达到设计要求。•（二）喷射第一道面层•每步开挖后应尽快做好面层，即对修整后的边壁立即喷上一层薄混凝土或砂浆。若土层地质条件好的话，可省去该道面层。•喷射混凝土作业应符合下列规定：•1、喷射作业应分段进行，同一分段内喷射顺序应自下而上一次喷射，厚度不宜小于40mm；•2、喷射混凝土时，喷头与受喷面应保持垂直，距离宜为0.6～1.0m；•3、喷射混凝土终凝2h后，应喷水养护，养护时间根据气温确定宜为3～7h。（三）钻孔、安设土钉、注浆、安设连接件土钉的设置，对于钢筋钉通常是先在土体中成孔，然后置入土钉钢筋并沿全长注浆。对于钢管钉可击人土体再由钢管内注浆。1、钻孔①土钉成孔前，应按设计要求定出孔位并作出标记和编号。成孔过程中遇有障碍物需调整孔位时，应由设计出变更通知。②土钉成孔采用锚杆工程钻机钻孔，钻进过程中严禁使用水钻，以防周边地质条件恶化，开孔时对准孔位徐徐钻进，待进尺达到一定深度且土层较稳定时，方可加速钻进，钻进过程中应随时检查钻头的磨损情况，防止成孔直径达不到设计要求。③成孔过程中应做好成孔记录，按土钉编号逐一记载取出的土体特征、成孔质量、事故处理等。应将取出的土体与初步设计时所认定的加以对比，有偏差时应及时反馈设计单位，由设计单位修改土钉的设计参数，出设计变更通知。④钻孔不得扰动周围地层，钻孔后清孔采用高压风吹2～３min，把孔内渣土吹干净，对孔中出现的局部渗水塌孔或掉落松土应立即处理。成孔后应及时安设土钉钢筋并注浆。⑤在土体含水量较大、杂填土较厚、松散砂层、软土层等易塌孔的土层，可采用钢管代替钢筋，钢管上每隔300mm钻直径8～10mm的出浆孔，孔在钢管长度方向上错开120º，呈梅花形布置，并在出浆孔边焊ø16短钢筋，防止打管时土粒堵塞出浆孔（钢管做法如图3-85），利用空气压缩机带动冲击器将加工好的钢管分段焊接按设计角度打入土层。•2、插入土钉钢筋•土钉钢筋采用螺纹钢，置入孔中前，应先设置定位支架，保证钢筋处于钻孔的中心部位，支架沿钉长的间距为2～3m，支架的构造应不妨碍注浆时浆液的自由流动，支架材料为金属或塑料件。（支架做法可参照图3-86）3、注浆（1）土钉钢筋置入孔中后，可采用压力注浆，压力注浆采用二次注浆法：一次注浆导管应先插至距孔底250～500mm处，并在孔口设置止浆塞和排气孔，以低压（0.4～0.6MPa）注浆，同时将导管以匀速缓慢撤出，导管的出浆口应始终处于孔中浆体的表面以下，保证孔中气体能全部逸出，导管离孔口0.5～1m时改为高压（1～2MPa）注满，并保持高压3～5min；二次注浆管采用ø20花管，应先固定在土钉钢筋上与土钉钢筋同时置入孔中，待一次注浆完间歇24h后进行二次注浆，压力控制在0.5～2.0MPa。采用钢管代替钢筋杆体时，应使用高压（1～2MPa）注浆，从钢管端头开始压力注浆，注满后及时封堵，让压力缓慢扩散。（2）向孔内注入浆体的充盈系数必须大于1。每次向孔内注浆时，应预先计算所需的浆体体积并根据注浆泵的冲程数计算应向孔内注入的浆体体积，以确认实际注浆量超过成孔的容积。（3）注浆材料选用水泥净浆，水灰比按设计要求，当设计无要求时取0.5。水泥净浆应拌合均匀，随拌随用，一次拌合的水泥净浆应在初凝前用完。（4）注浆前应将孔内残留或松动的杂土清除干净，注浆开始或中途停止超过30min时，应用水或稀水泥浆润滑注浆泵及其管路。•4、安连接件•土钉钢筋端部通过锁定筋与面层内的加强筋及钢筋网连接时，其相互之间应可靠焊牢。当采用钢管杆体时，钢管通过锁定筋与加强筋焊接。（连接做法如图3-87）•（四）绑扎钢筋网•1、钢筋网应在喷射一层混凝土后铺设，钢筋保护层厚度不小于20mm，钢筋网应延伸至地表面，并伸出边坡线0.5m。•2、钢筋网片用焊接或绑扎而成，网格允许偏差为±10mm。钢筋网铺设时每边的搭接长度应不小于一个网格边长或300mm，如为单面搭接焊则焊长不小于网筋直径的10倍。•（五）喷射第二层混凝土•喷射第二层混凝土面层应在经验收确认钢筋网敷设、连接均符合要求后，进行喷混凝土面层至设计厚度，其工艺要求与喷第一层混凝土的要求相同。•（六）地表排水、基坑排水系统施工•1、基坑四周支护范围内的地表应加以修整，构筑排水沟和水泥砂浆或混凝土地面，防止地表降水向地下渗透。靠近基坑坡顶宽2～4m的地面应适当垫高，并且里高外低，便于水流远离边坡。•2、为了排除积聚在基坑内的渗水和雨水，应在坑底设置排水沟及集水坑。排水沟及集水坑宜用砖砌并用砂浆抹面以防止渗漏，坑中积水应及时抽出。•3、在支护面层背部应插入•长度为400～600mm、•直径不小于40mm的水平•排水管，其外端伸出支护•面层，间距可为1.5～2m，•以便将喷射混凝土面层后的•积水排出（如图3-88）。•四、土钉墙的质量检测•土钉墙应按下列规定进行质量检测：•1、土钉采用抗拉试验检测承载力同一条件下试验数量不宜少于土钉总数的1%，且不应少于3根；•2、墙面喷射混凝土厚度应采用钻孔检测钻孔数宜每100m2墙面积一组，每组不应少于3点。•五、案例：钢管锚钉在基坑支护中应用探讨•某高层自然地坪标高为-1.30m，坑底标高为-6.60m，局部为-7.20m，故开挖深度为5.60m，局部为6.20m，西边紧靠道路，无法采用放坡进行开挖，长度约107m，为达到止水、防渗、挡土的作用，保证工程的顺利进行，采用土钉墙进行围护.土钉墙支护比传统方法（钻孔灌注桩、深层搅拌桩）围护，造价低、工期短、无泥浆污染等，支护后的边坡稳定又安全。边坡位移一般不超过2‰。•1、围护要求•土钉支护是以较密排列的土钉作为土体主要补强手段，通过钢管锚钉与土体和喷射砼面层共同工作，形成补强复合土体，达到稳定边坡的目的。•（1）适用范围•土钉支护适用于地下水位较低或人工降水后的粘性土、粉土、杂填土及非松散砂土等，不宜用于淤泥质土、饱和软土及未经降水处理地下水以下的土层。场地土质较好且均匀，基坑开挖深度在5-15M以内时，可采用土钉支护方法。•（2）设计参数•①土钉采用φ48*3.5钢管，