某办公楼深基坑土钉墙支护设计与计算分析

张耀庆， 杨华林， 刘娴静， 穆凤君

（1. 中国航空技术国际工程有限公司；2. 中电投工程研究检测评定中心有限公司）

1 引言

土钉墙支护结构主要是通过加筋来加固原位土体，使边坡稳定的一种支护方法。支护结构由插入土体的钢筋和面层钢筋网喷射混凝土面板组成。插入钢筋与预应力锚杆或微型桩结合形成复合土钉墙。土钉墙支护基坑深度不宜大于12m，复合土钉墙支护基坑深度可适当增加。适用于地下水位以上或经降水后的粘性土，中密以上砂土的基坑支护[1-2]。

由于土钉墙具有施工简单，材料易得，工程造价低的优点，其应用发展很快。目前在安全等级为二级和三级的基坑工程中应用较广。由于土钉墙支护是依靠加固原有土体和面层共同作用而使边坡稳定的支护方法，对原有土体的特性有一定的要求，较适用于黄土，地下水位线以上的粉土、粘性土等自立性较强的土层，对松散的杂填土或地下水位线以上的场地不适用。基坑开挖深度较小时的杂填土可直接打入土钉，深度较大时一般采取预注浆的方式提高土体内部稳定性。对地下水主要受大气降水或地下管道渗水的场地，可采用注浆防渗帷幕减少浅层地下水漏入基坑中，在基坑底用排水沟将水导入集水井，用水泵抽至坑外。在坑壁设置泄水孔，减少坑壁水压力等措施，以保证土钉的顺利施工和基坑的安全[3-4]。

2 工程概况

国外某办公楼项目占地面积2081m2，建筑面积约19400m2。地下室有4层，地上有7层，基础形式为筏形基础，结构形式为钢筋混凝土框架结构。项目基坑两侧邻路、一侧邻河（见图1、图2）。建筑物地下室占据整个地块，地块与周围内部道路之间距离约5m，因此放坡条件有限。靠近Road 3的基坑边开挖深度最大为15.8m。基坑土质为红粘性土，根据现场的取样土报告显示：土体的塑限含水率WP=30.6%，液限含水率WL=48.5%，天然含水率W=32.5%，液性指数IL=0.11，由《建筑地基与基础设计规范》GB50007-2011可知土的状态为硬塑。红黏土覆土深度约为10m，基础下卧层为岩石。由于基坑开挖深度和现场施工条件的限制，自然放坡不能满足基坑边坡的稳定性，拟对基坑CD 边采取1:0.4 土钉墙支护方案。

图1 项目位置示意图

图2 基坑开挖情况

此外，根据该场地勘察资料和土样力学报告，地层厚度及相关力学参数详见表1。

表1 地层力学参数

3 基坑开挖及土钉选型布置

本文基坑采用分阶段开挖的形式，放坡坡度为1:0.4，土钉随基坑开挖阶段进行施工布置，共分六个阶段。其中，第一阶段，基坑开挖深度至3.2m，第一层土钉设置在埋深1.5m 处；第二阶段，基坑开挖深度至4.2m，第二层土钉设置在埋深3.0m 处；第三阶段，基坑开挖深度至6.2m，第三层土钉设置在埋深4.5m处；第四阶段，基坑开挖深度至7.2m，第四层土钉设置在埋深6.0m 处；第五阶段，基坑开挖深度至9.2m，第五层土钉设置在埋深7.5m处；第六阶段，基坑开挖深度至10.0m，第六层土钉设置在埋深9.0m处。此外，土钉与喷射混凝土面层间设置加强钢筋，并与土钉螺栓连接；喷射混凝土面层钢筋网直径为φ8，间距为150mm；喷射混凝土强度等级为C20，面层厚度为100mm；坡面上下段钢筋网搭接长度为400 mm；土钉墙墙顶采用细石混凝土护面。土钉其他相关选布参数如表2和图3所示，土钉与土钉墙搭接处设置如图4所示。

表2 土钉施工选布情况

图3 土钉布置的剖面图

图4 土钉墙面层钢筋搭接

4 基坑土钉墙支护安全性验算

鉴于本文基坑土钉墙主要设置在地下10m以上的黏土层，利用理正岩土软件建立基坑土钉墙施工计算模型，根据上述六个施工阶段，共划分六种计算工况（见图5），分别计算出各工况条件下基坑安全系数，即：工况一条件下基坑安全系数为3.365；工况二条件下基坑安全系数为2.722；工况三条件下基坑安全系数为1.723；工况四条件下基坑安全系数为1.567；工况五条件下基坑安全系数为1.304；工况六条件下基坑安全系数为1.314。可以看出，随着基坑的不断开挖，其安全系数整体上逐渐减小，但都大于1.300，基坑坡体抗滑移满足要求。同时，算得基坑抗倾覆安全系数为19.347，远大于1.600，基坑抗倾覆满足要求。此外，计算土钉长度均小于6.0m，满足土钉设计要求。

图5 基坑开挖及土钉墙施工工况

5 基坑土钉墙的施工与检测[5-8]

5.1 土钉墙施工顺序及要求

①第一步为按设计要求开挖第一层工作面，边开挖边修整坡面，坡面要满足设计的放坡系数。

②第二步为成孔、安设土钉、注浆。成孔选用人工洛阳铲成孔，孔径100mm，钢筋选用HRB400，注浆水灰比为0.5。

③第三步为安设连接件、绑扎面层钢筋网、埋设面层砼厚度标识，喷射混凝土。钢筋间距为150m，混凝土为C25，喷射厚度为100mm。

④第四步为进行第二层工作面的开挖，重复上述①—③步的工序，直至达到设计开挖标高。

5.2 混凝土喷射及注浆规定

①基坑边坡分层分段开挖支护，每层开挖深度为1m。上层土钉注浆及喷射混凝土面层完成3天且到达设计强度的70%后，才进行下层基坑支护的施工。

②喷射混凝土应自下而上，喷射厚度每次50mm。

③喷射混凝土时，喷头与坡面保持垂直，距离为1.0 m；待混凝土终凝2h后，开始养护3d。

④注浆前进行清孔，清除干净孔内残留或松动的杂土。

⑤注浆时，注浆管应插至距孔底约400mm 处，孔口部位宜设置止浆塞及排气管。

5.3 土钉墙的检测与监测

5.3.1 检测要求

土钉采用抗拉试验检测承载力，同一条件下，试验数量不少于总数的1%且不少于3 根。喷射混凝土厚度采用钻孔检测，每100m2墙面积为一组，每组不少于3点。

5.3.2 监测要求

基坑位移观测基准点数量不少于两点，且应设在影响范围以外；监测项目在基坑开挖前应测得初始值，且不应少于两次；监测项目的监控报警值日变化量为2mm，累计最大值为4H/1000=32mm；监测时间间隔可根据施工进程和深度确定；当变形超过报警值或监测结果变化速率较大时，应加密观测次数；当有事故征兆时，应连续监测；当地下构筑物完工后即可结束观测。

6 结语

本项目深基坑开挖采用土钉墙支护实施效果良好，施工简单，成本较低，施工过程中对周围已有道路的影响较小，成功维护了深基坑CD边高坡的稳定性。通过此项目深基坑支护设计及施工可得出几点结论。

①项目地质情况较好，上覆土层为红粘土，含水率低，渗透性差；地下水位在岩石层下，增加了深基坑边坡自身的稳定性。

②土钉与孔内砂浆形成了土中的加劲肋复合土体，显著提高了土体的承载力，增强了边坡的整体稳定性。

③土钉墙施工简单，操作容易，利于缩短基坑边坡支护的周期，可减少坡体土体长时间暴露坍塌的风险。随基坑开挖逐层分段支护，不占或少占单独作业时间，施工效率较高，占用周期短。逐层施工不需借用外架，不影响其他区域基坑开挖，适用于现场狭小，放坡困难且周围有建构筑物的场地。