土钉墙支护技术在地下工程中的及应用

土钉墙支护技术在地下综合管廊及空间开发工程中的研究及及应用【摘要】本文主主要介绍了土土钉墙支护技技术方案的确确定及设计，通通过现场实验验来进行方案案优化的过程程，土钉墙支支护技术的施施工工艺及土土钉墙监测技技术。【关键词】土钉钉墙支护设计计土钉抗拔力力实验土钉墙施工工工艺土钉墙+内支撑直立土钉钉墙+腰梁土钉墙监监测1、工程概况及及特点1.1工程概况况地下综合管廊及及空间开发工工程位于北京京内。该工程程地下部分分分为两部分，一一部分为地下下管廊，另一一部分为空间间开发。综合合管廊为地下下三层，主线线长1.9Km，支线总长1.1Km，结构底板板埋深为-9.55m～-12.11m；空间开发发为地下二层层，局部三层层，结构底板板埋深-111.4m～-14.77m。地下综合合管廊及空间间开发结构的的基坑总占地地面积为15万平米。是是目前国内面面积最大的基基坑，本项目目是北京市首首次集地下交交通、公共空空间及市政管管廊为一体的的地下工程项项目，地下综综合管廊是国国内第一条大大型综合管廊廊。1.2工程特点点（1）场地地质质水文情况复复杂：本工程位于第四四纪沉积层上上，基底以上上分布有0.9m～4.6m厚的的人工堆积层层，主要有粘粘质粉土、房房渣土及碎石石层。其下部部为第四纪沉沉积层，自下下向上分布有有稍密-中密状饱和和的可塑-硬塑的粘质质粉土、粉质质粘土及砂质质粘土②、③、④层，其中有有部分较软的的夹层。第⑤层为粘质粉粉土，该层为为本工程的持持力层，其中中有砂质粉土土及重粉质粘粘土层，均处处于饱和状态态，可塑-硬塑，密度度中等，本层层层顶标高43.40～45.311m，分布稳定定，地基承载载能力标准值值为200Kppa，本层以下下为密实的粘粘质粉土、粉粉质粘土、卵卵石、圆砾、粉粉细砂层等分分布。本工程地下水位位埋藏较浅，地地下水分布情情况复杂，共共分三层，第第一层地下水水为台地潜水水，静止水位位标高为46.64～48.60m，局部受破破裂的污水管管影响，水位位偏高；第二二层为层间潜潜水，静止水水位标高为333.72～35.80m，该层水略略具承压性；；第三层为承承压水，静止止水位标高为为30.511～32.01m，具承压性性。（2）基坑深、护护坡面积大：：综合管廊基底标标高为-9.71～-12.226m，空间开发发基底标高为为-11.5～-14.88m，综合管廊廊及空间开发发基坑总护坡坡面积为250000m2。（3）环境复杂杂、施工难度度大：工程地处海淀镇镇居民区，人人口稠密，科科教、商贸发发达，交通繁繁忙，施工干干扰大，对环环保、文明施施工、交通疏疏导、古树及及文物保护提提出了更高要要求。地下综综合管廊与空空间开发紧密密相连，同步步施工，基坑坑平面尺寸大大，给施工运运输造成很大大困难，同时时又要为部分分地上建筑开开工创造条件件，交叉作业业、相互干扰扰，更增加了了施工协调难难度。（4）工程质量量要求高：西区是高科技园园区的“核心”区，是国家家和北京市确确定的重大工工程之一。本本项目是北京京市首次集地地下交通、公公共空间及市市政管廊为一一体的地下建建筑，地下管管廊是国内第第一条大型综综合管廓。本本工程的工期期将直接影响响西区开发的的建设速度，工工程高速、优优质的建成将将为西区提供供良好的基础础设备条件。地地下综合管廊廊及空间开发发质量标准高高，是国家定定义的“四大基地”、争创世界界一流的科技技园区，工程程质量必须达达到国内最高高水平。（5）工程规模模大、工期紧紧：综合管廊土钉墙墙支护面积为为130000m2，空间开发发土钉支护面面积为120000m2，为不耽误误后续工程施施工，保证西西区约20万立方混凝凝土能在入冬冬前完成，此此部分边坡支支护工程必须须配合西区130余万立方的的土方开挖在在雨季前完成成。2、土钉墙支护护设计方案的的确定2.1方案比选选因基坑深度较深深和开挖面积积较大，我们们在施工准备备阶段进行了了以下几种基基坑支护方案案的比选。具具体为：（1）护坡桩加加锚杆支护（2）大放坡自自然开挖（3）有限放坡坡土钉支护经分析比较认为为，采用桩锚锚支护基坑边边坡的安全性性较好，坡顶顶变形较小，但但是造价高，施施工周期长。采采用大放坡自自然开挖基坑坑，将极大影影响到周围地地块的开发及及施工交通道道路。有限放放坡土钉墙支支护则具有简简便易行，施施工速度快，工工程造价低，对对周围环境影影响小等优于于其它支护形形式的特点，因因此根据现场场环境情况及及地质条件，结结合本工程的的特点，决定定采用土钉墙墙作为整个西西区地下综合合管廊及空间间开发工程的的基坑支护形形式。2.2土钉墙设设计及优化设计优化步骤根据场地水文地地质情况，确确定各项计算算参数，采用用理正深基坑坑设计软件进进行初步设计计计算→土钉抗拔力力试验实测土土钉的极限抗抗拔力，推算算出土钉平均均抗拔力及土土钉砂浆与土土体界面摩阻阻力→使用实测平平均抗拔力及及土钉界面平平均摩阻力与与初步设计计计算的土钉承承载力及土钉钉粘结强度对对照比较，视视结果调整土土钉长度，必必要时根据实实测参数进行行二次计算初步设计计算初步设计计算采采用理正深基基坑设计软件件，结合施工工经验，配筋筋结果考虑到到挖土过程中中的稳定性计计算。（1）槽深9..71m的土钉墙设设计（综合管管廊）：①土钉钢筋采用用Ⅱ级Φ25螺纹钢筋，水水平间距为1.5m,竖向间距分分别为0.8m、1.5m、1.5m、1.5m、1.5m、1.5m,呈梅花型布布置，长度分分别为7.0m、6.0m、5.5m、6.5m、8.0m、6.0m。②喷射砼面层砼砼强度等级为为C20，厚度80-1000mm。③坡面铺设6@@200双向向钢筋网，Φ16@15500双向加加强筋。④成孔直径为1130mm,注浆浆材料为水泥泥净浆，水灰灰比为0.5，强度不低低于20Mppa。⑤土钉墙按800.35度（1：0.17）放坡。（2）槽深122.26m的土钉墙设设计（综合管管廊）：①土钉钢筋采用用Ⅱ级Φ25螺纹钢筋，水水平间距为11.5m,竖竖向间距分别别为0.6mm、1.5m、1.5m、1.5m、1.5m、1.5m、1.5m、1.5m,呈梅花型布布置，长度分分别为8.00m、8.0m、9.0m、10.0m、9.0m、8.0m、8.5m、7.0m。②喷射砼面层砼砼强度等级为为C20，厚度80-1000mm。③坡面铺设6@@200双向向钢筋网，Φ16@15500双向加加强筋。④成孔直径为1130mm,注浆浆材料为水泥泥净浆，水灰灰比为0.5，强度不低低于20Mppa。⑤土钉墙按800.35度（1：0.17）放坡。（3）槽深144.8m的土钉墙设设计（空间开开发）：①土钉钢筋采用用Ⅱ级Φ25螺纹钢筋，水水平间距为11.5m,竖竖向间距分别别为0.6mm、1.5m、1.5m、1.5m、1.5m、1.5m、1.5m、1.5m、1.5m、1.5m,呈梅花型布布置，长度分分别为9.0m、9.0m、9.0m、12.0m、12.0m、12.0m、9.0m、9.0m、8.0m、7.0m。②喷射砼面层砼砼强度等级为为C20，厚度80-1000mm。③坡面铺设6@@200双向向钢筋网，Φ16@15500双向加加强筋。④成孔直径为1130mm,注浆浆材料为水泥泥净浆，水灰灰比为0.5，强度不低低于20Mppa。⑤土钉墙按800.35度（1：0.17）放坡。土钉抗拔力试验验在大面积土钉支支护施工前，我我们对土钉墙墙实验段的土土钉进行了抗抗拔力试验，分分别针对于每每一层土钉选选择有代表性性的2～3根土钉做抗抗拔力试验，得得出土钉的极极限抗拔力及及土钉界面摩摩阻力等，将将试验抗拔力力结果与设计计抗拔力相比比较，重新确确定土钉长度度，优化土钉钉初步设计方方案。.1张拉设备：：YC-60型千千斤顶ZB4/5000型电动油泵泵.2张拉设计：：土钉基基本的抗拔力力试验采用循循环加荷的方方式，第一级级取土钉钢筋筋屈服强度的的10%为基本荷载载，进而以土土钉钢筋屈服服强度的0.15倍为增量来来增加荷载，直直至加到土钉钉破坏。土钉钉破坏的标准准为：在同级级荷载下，变变形不能趋于于稳定，即土土钉达到极限限荷载。同时时必须量测荷荷载和位移，提提出荷载变形形曲线。土钉检验的合格格标准可定为为：土钉抗拔拔力平均值应应大于设计极极限抗拔力，抗抗拔力最小值值应大于设计计极限抗拔力力的0.9倍。.3张拉试验：：试验土钉某一层层施工参数如如下：深度（m）长度（m）倾角（·）孔径（mm）钢筋直径（mmm）设计抗拔力（KKNN）施工日期试验日期-9.6９12130φ25156200试验土钉之一加加载步骤：级数增加荷载累计荷载观测时间备注第一级：15.6KN15.6KN5min荷载施加，待到到土土钉稳定后后，荷荷载逐级增增加加。第二级：23.4KN39KN5min第三级：23.4KN62.4KN5min第四级：23.4KN85.8KN5min第五级：23.4KN109.2KNN5min第六级：23.4KN132.6KNN5min第七级：23.4KN156KN10min.4试验分析整个土土钉张拉试验验过程中，土土钉没有出现现任何异常现现象，每级加加荷后锚头位位移稳定较快快，位移变化化正常。加荷荷至156KN后，观测10分钟位移趋趋于稳定无异异常变化，继继续加荷至230KN，土钉变形形不能趋于稳稳定，即土钉钉达到极限荷荷载，折合每每沿米为25.566KN，土钉与土土体的平均摩摩阻力为62.6KKpa，土钉在拉拉动破坏前，实实测土钉锚头头总位移量仅仅为10.166mm，满足设计计抗拔力要求求，而后对试试验土钉进行行回弹观测，根根据实测结果果的数据汇总总，得出荷载载—位移（P—S）曲线。采采用相同方法法对其余土钉钉做抗拔力试试验，测出土土钉实际极限限抗拔力。土钉抗拔力计算算土钉抗拔力的确确定有多种方方法，多个破破坏准则，根根据国内力矩矩极限平衡法法，土钉的抗抗拉作用具体体计算为该土土钉与破裂面面交点处的土土钉拉力，简简化后的破裂裂面与土钉相相交处土钉抗抗拉能力标准准值Tn可分别计算算如下：（1）假定土钉钉抗拔力由土土钉界面与土土钉的摩阻力力提供：TTn=πDLbτf式中D———土钉直径（m）；τf——土钉砂砂浆与土体间间的极限抗剪剪强度（KN/m2），τf一般由现场场试验确定，在在没有试验资资料的情况下下，τf可由下式确确定：τf=σtgφφ+c式中σ——该处处土的正应力力；c、φ——该处处土层的内聚聚力和内摩擦擦角；Lb——圆弧滑滑裂面将土钉钉分成二段，取取土钉伸入滑滑裂面后约束束区内长度Lb。（2）假定钢筋筋拉断，由土土钉钢筋强度度fy计算得：Tn=fyAAs式中As———钢筋截面积积（m2）；fy——钢筋抗抗拉强度标准准值（KN/m2）。（3）假定钢筋筋从砂浆体中中拔出破坏，则则：TTn=πdLbτg式中d———钢筋直径（m）；τg——钢筋与与注浆体的粘粘结强度（KN/m2）。（4）在面层土土压力的作用用下，土钉要要具有足够的的抗拉强度，保保证土钉内部部的稳定性，拉拉力应满足下下式：TTn=qisxsy式中qi———第i列土钉处的的面层土压力力，可按下式式计算：qqI=meKγhi式中me———工作条件参参数。对临时时工程（小于于二年），me=1.0，对永久性性工程（大于于二年），me=1.2；γ——土的重度度；hi——土压力力作用点至坡坡顶的距离，当hI＞0.5H时，取0.5H；H——土坡垂直直高度；K——土压力系系数，取0.5（Ka+Ko），其中Ka为主动土压压力系数；Ko为静止土压压力系数，Ko=0.5（1-sinφ）；SSx,Sy--分别为土钉钉的水平及竖竖向间距上面一共给出了了土钉拉力的的四种破坏准准则，选取最最小值作为土土钉的抗拉能能力标准值。从从许多试验结结果可以看出出，土钉破坏坏均是土钉与与土体界面的的破坏，即土土钉被拉出，所所以一般情况况下，土钉的的抗拉能力标标准值由第一一式决定。为为使土钉墙设设计方案达到到最优，我们们将土钉抗拔拔力试验实测测出的土钉平平均抗拔力代代入第一式，推推算出土钉砂砂浆与土体间间的极限抗剪剪强度，将与与其初步设计计计算的土钉钉粘结强度对对照比较，从从而进一步调调整初步设计计中有关参数数，确保土钉钉设计经济合合理。3、土钉墙施工工3.1土钉墙施施工工艺流程程开挖工工作面，修整整边坡→安设土钉（包包括钻孔、插插钢筋、注浆浆）→绑扎钢筋网网，加强筋、土土钉同加强筋筋焊接、加垫垫块→喷射第一层层砼，厚度为为30mm～50mm→喷射第二层层砼，厚度为为40mm～50mm→设置坡顶，坡坡面和坡脚排排水措施。3.2土钉墙施施工工艺（1）基坑边坡坡应分段分层层开挖，每次次超挖深度不不得超过0..5m，每层层开挖深度不不得超过2.0m，每段纵向向开挖长度不不得大于10m，边开挖，边边人工修整边边坡，人工修修坡时，坡面面平整度不大大于20mmm。（2）土钉成孔孔机具采用锚锚杆机或洛阳阳铲，成孔直直径130mmm,倾角为为120。成孔前，在在设计孔位处处作显著标志志，以免钻孔孔时错位。用用量角器测量量钻杆倾角直直至设计角度度后再行钻进进。成孔采用用干法钻进。成成孔后孔内虚虚土会影响钻钻孔深度，所所以钻进深度度应大于设计计深度0.55米。钻孔完完毕后，应立立即将钢筋体体和灌浆管同同时插入孔底底，灌浆管距距孔底约1550mm。（3）土钉钢筋筋使用前应调调直，除锈，若若采用其它直直径钢筋替代代设计钢筋，应应采用同级钢钢筋，进行等等截面换算。（4）为保证土土钉在孔中的的位置，沿土土钉长度应设设置定位器，定定位器间距宜宜为1～2m。（5）水泥采用用425#普通通硅酸盐水泥泥,注浆材料采采用1：0.5的水泥泥净浆，根据据施工需要，可可掺入一定量量的外加剂，如如早强剂、微微膨胀剂等。注注浆前应将孔孔内残留及松松动废土渣清清除干净，注注浆管应插至至距孔底2550mm～500mmm。灌浆采用用1根Φ30mm的塑塑料管作导管管。将搅拌好好的水泥浆注注入钻孔底部部，自孔底向向外灌注。灌灌注至少二次次以上，以保保证灌浆质量量，增加抗拔拔力。（6）喷射砼中中的钢筋网应应调直除锈，钢钢筋与坡面间间隙宜大于220mm，钢钢筋网应与土土钉和加强筋筋连接牢固，喷喷射砼时钢筋筋不晃动。（7）喷射砼应应分段分片依依次进行，同同一分段内喷喷射顺序应自自下而上，一一次喷射厚度度为30mmm～50mm，喷喷射时，喷头头与受喷面应应垂直，宜保保持0.6mm～1.0m的距距离，喷射手手应控制好水水灰比，保持持砼表面平整整、湿润光泽泽，无干斑或或流淌现象。喷喷射砼终凝22h后，应喷喷水养护，养养护时间依气气温环境条件件，一般为33d～7d。（8）基坑边55m内，均布布荷载不得大大于设计荷载载值。（9）四周作好好防、排水工工作，严防地地下管道渗水水。（10）施工中中严格观察土土质变化，当当土质与提供供的地质报告告有较大不符符时应及时变变更设计。（11）导水管管的布设：根根据地质报告告，在基坑开开挖会遇到弱弱透水层。为为确保土钉墙墙支护结构的的安全，必须须在弱含水层层埋设导水管管（Φ15塑料管）。导导水管水平间间距1.5～2.0m。（12）对于局局部软弱土层层或易塌方地地段，为保证证土体稳定，土土钉墙施工也也可先喷射砼砼面层，后施施做土钉。4、特殊槽段或或特殊情况的的施工处理方方法4.1特殊槽段段（汽车坡道道及支管廊）采采用新型基坑坑支护技术——“土钉墙+内支撑”中关村村西区地下综综合管廊有数数条汽车坡道道及支管廊向向外伸出与各各地块或空间间开发相连接接，汽车坡道道及支管廊结结构宽度及高高度相对较小小（5～7m），底板埋埋深却相对较较深（均在-10m左右）。针针对汽车坡道道及支管廊开开槽相对深而而窄的实际情情况，我们在在原汽车坡道道及支管廊土土钉墙设计的的基础上，综综合考虑工字字钢内支撑，经经过重新计算算分析，设计计将原方案土土钉钢筋长度度缩减2m，然后于汽汽车坡道及支支管廊结构顶顶板上空采用用工字钢于基基槽薄弱部位位做内支撑加加强处理。内内支撑采用I28工字钢，正正确下料后与与事先预埋于于锚喷面板里里的钢板后背背牢固焊接，一一般按水平间间距2m，竖向间距2m共设置两层层，每层3～6道。待结构构施工完毕，土土方回填到位位后将工字钢钢拆除，从而而既保证了边边坡稳定，又又节约了钢筋筋。经现场施施工验证，我我们认为“土钉墙+内支撑”基坑支护技技术是一种适适用于深窄基基槽的既经济济又合理的支支护形式。4.2古树保护护支护处理——采用“直立土钉墙+腰梁”支护技术工程概况：综合管廊第333施工段内有有三棵古树，其其中一棵距综综合管廊地下下二层结构外外皮3.9米，另一棵棵距地下三层层结构外皮3.9米，第三棵棵树在设计结结构边线以外外。根据市园园林局精神考考虑对这三棵棵古树进行保保护，根据现现场具体情况况，经多方分分析论证，决决定对三棵古古树进行“直立土钉墙+腰梁”整体支护保保护，古树平平台护坡高度度西侧为12.35米，东侧15.100m米，南北两两侧为9.71米。设计方案：为保证证支护不损伤伤古树树根，尽尽量为古树提提供一个自然然的生长空间间，自然地坪坪下4.5米范围内设设计做插筋补补墙，三道插插筋距±0.0000高度分别为1.0m、2.5m、4.0m，插筋长度度均为3米，按水平平间距1.5m梅花型布置置；4.5米以下施做做土钉墙；同同时配合施做做3道钢筋混凝凝土腰梁，保保证整个古树树平台的整体体稳定性。三三道腰梁（断断面尺寸为200×2200mm）的位置置分别为自然然地平、自然然地面以下2.05米及自然地地面以下4.15米处。三道道腰梁的做法法为先加工钢钢筋骨架（4Ф16通长主筋，Ф6.5@2000箍筋），钢筋筋骨架一半嵌嵌在土体，一一半预留出75mm，锚喷喷实实。平台中较较为窄的土体体（平台东西西向10.9米范围内）在在土钉施工时时做全长水平平土钉（土钉钉钢筋两头预预先焊接两个个丝杠），打打通整个平台台，土钉成水水平形，在两两边封堵注浆浆饱满后，正正常与横竖筋筋焊接，锚喷喷完毕后，用用螺母压紧钢钢挡板（25×255×5mm厚）作用在在喷射面层上上，以保证土土钉墙面的稳稳定。平台紧靠管廊结结构一侧设计计采取直立开开挖土钉墙支支护，将直立立锚喷面抹灰灰找平后直接接作为综合管管廊地下二层层结构外模，这这样既可保证证护坡不侵入入管廊结构，又又可节省模板板。对剖面的的稳定性进行行计算，根据据经验，土钉钉的单位允许许抗拔力取值值为20KN//m，土钉墙的的土压力平衡衡安全系数为为1.5，在最不利利的情况下土土钉加固土坡坡的整体稳定定安全系数取取1.4。经分析计计算，直立开开挖土钉墙支支护的坡顶水水平位移为40mm。考虑开挖挖锚喷的精度度及卷材防水水等因素，设设计锚喷面和和管廊结构外外皮预留80mm允许变形间间隙。施工注意事项（1）前三道设设计为插筋补补墙，确保在在地表以下5米内对古树树形成一个尽尽量自然的生生活空间。（2）选择孔位位时确保错开开古树主干，同同时保证土钉钉中心线踞树树干中心不小小于1.5米。（3）洛阳铲施施工时，如遇遇到钻不进或或钻头带出来来树皮或树根根之类的东西西必须改变方方向或调整孔孔位，小心钻钻进，确保不不碰伤古树树树根。（4）直墙面土土方开挖及锚锚喷施工必须须对面层的垂垂直度及平整整度进行精确确控制。施工效果分析古树保保护施工完毕毕，经过整个个雨季的洗刷刷和大风的考考验，古树生生长良好。从从实测资料来来看，平台土土钉墙支护结结构的变形不不明显，平台台坡顶位移小小于计算位移移，证明在土土质较好的条条件下，土钉钉墙直立开挖挖支护的深度度可以超过10m；同时配合土土钉墙施做的的3道腰梁，对对于环向约束束土台，保证证整个古树平平台的整体稳稳定性起到了了决定性作用用。综上所述述，我们认为为对古树保护护采取的“直立土钉墙+腰梁”支护技术是是确实可行，经经济有效的，对对以后类似情情况处理提供供了可供借鉴