土钉墙在膨胀土地区深基坑支护工程中的应用

土钉墙在膨胀土地区深基坑支护工程中的应用

陈 ,虎

中国冶金地质总局一局，河北廊坊  065201

【摘要】膨胀土是具有吸水膨胀和失水收缩性质的特殊性土，基坑工程设计和施工时应充分考虑其特殊性，并采取相应的治理措施。本文从工程实例出发，介绍了土钉墙在膨胀土地区深基坑支护工程中的应用，对膨胀土地区土钉墙施工时出现的问题进行了分析和探讨，提出了可行的预防和处理措施，保证基坑工程安全。

【关键词】土钉墙膨胀土基坑支护

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1 前言

膨胀土是指土中黏粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的黏性土。其主要特征有：（1）颗粒组成中粘粒（粒径小于0.002mm）含量大于30%；（2）黏土矿物成分主要由伊利石、蒙脱石等强亲水性矿物组成，对湿度的变化非常灵敏，土体湿度增高时，体积膨胀并形成膨胀压力，土体干燥失水时，体积收缩并形成收缩裂缝；（3）吸水膨胀、失水收缩现象十分显著，且胀缩变形随环境变化往复发生，导致土的强度衰减；（4）吸水膨胀后强度迅速降低；（5）液限高，通常大于40%，属于高塑性黏土。

膨胀土地区的工程建设，应根据其具有的特性，综合考虑当地地形地貌条件、气候特点和土中水分的变化情况等因素，注重当地工程施工经验，因地制宜，采取针对性的防治措施。在基坑支护工程中，土钉墙支护是一种被广泛使用、施工工艺简单、造价低廉的方法，但在膨胀土地区深基坑工程中，采用土钉墙支护形式，就必须根据当地膨胀土特性、气候特点等因素综合考虑。膨胀土地区深基坑支护选择土钉墙支护形式，严格控制施工过程，采取有效措施确保施工质量，保证基坑边坡稳定，保证基坑周边环境安全，就能够最大限度降低工程造价，节约社会资源。

2 工程基本情况

2.1 工程简述

本工程位于河北省南部某市城区西北部，是矿区采煤沉陷区某住宅小区地下车库基坑支护工程，基坑长度为105m，宽度为95m，开挖深度约为12m，属于深基坑支护工程。基坑北侧、西侧、南侧均为本小区在建住宅楼（主体已封顶），地上六层，地下一层，其它单位前期施工时基坑开挖深度约为6m，采用土钉墙进行支护，因对施工过程质量控制不严，基坑坍塌非常严重。

2.2 工程地质概况

拟建场地位于太行山东麓，大的地貌单元属于华北冲洪积平原南部的西部边缘。场地土层主要由第四系新近堆积土、一般粘性土和第三系的粘性土、砂土等组成。工程勘察阶段，为判定地基土的膨胀性，对原状土样做了自由膨胀率（δef）、50kPa膨胀率、收缩系数及膨胀力试验，试验结果表明本场地第②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧层粘性土的自由膨胀率δef 一般在15.4～88.1%之间，其膨胀潜势为弱～中等；50 kPa下的膨胀率为负值；膨胀力介于12.5～107kPa。

2.3 水文地质概况

拟建场地稳定水位埋深差别较大，一般为0.50～5.60m，局部厚度较大且连续的砂层透镜体含水层具有一定承压性，且水量较大，局部分布有上层滞水。场地地下水主要接受大气降水垂直渗透的入渗补给，排泄方式主要为人工开采及地下径流形式排泄。

3 基坑支护方案设计分析与选择

3.1场区内其它类似基坑坍塌原因分析

本基坑支护方案设计之前，对本小区其它单位前期施工的基坑坍塌情况做了详细的调查和分析，并采用理正深基坑计算软件对其设计方案进行了验算，通过验算，其土钉墙支护设计方案满足规范相关要求，基坑出现大面积坍塌的原因主要是对施工过程把控不严造成的，主要体现在以下几个方面：

（1）地下水的作用，基坑土方开挖之前，未采取降水措施或降水不到位，未充分降低地下水水位至开挖面以下，土方开挖后未施工土钉墙之前地下水渗流破坏基坑边坡，土钉墙及边坡喷面施工后，地下水流动对护坡混凝土面层产生侧向压力，造成基坑边坡坍塌。

（2）地表水的作用，工程施工期间正值雨季，降雨量较大，且基坑周边地面未做硬化处理，降水渗入地下使膨胀土产生膨胀，增大基坑边坡侧向压力，造成基坑边坡坍塌。

（3）追求施工进度，不严格按照设计工序要求组织施工，土方开挖超挖现象严重，不分段进行支护，支护施工进度远远落后于土方开挖进度，造成大面积边坡处于裸露，边坡在支护施工前就产生严重变形甚至已经坍塌。基坑支护混凝土面层未达到设计强度，上层土钉未达到设计强度就进行下一步土方的开挖。

（4）基坑周边超载严重超过设计荷载值，基坑施工过程在在基坑周边堆放大量的钢筋、砂石料等建筑材料，吊车、混凝土输送泵等施工机械在基坑周边行走或停靠，而基坑支护设计时未考虑此方面荷载，或者考虑的荷载值偏小。

3.2基坑支护设计难点

本基坑支护设计难点：（1）基坑开挖深度达到12m，大大超过场区内相邻基坑的开挖深度；（2）本场地为膨胀土地层，膨胀土具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，性质极不稳定，特别容易失稳坍塌；（3）根据勘察报告本土层内存在广泛的上层滞水，极易突发涌水、浸透，引起膨胀土变形失稳；（4）受周边已建成建筑物的影响，本基坑放坡坡度受到很大的限制，坡度比最大只能为1：0.7；（5）

本地区在膨胀土地区开挖深度12m的基坑完全采用土钉墙支护尚属首次，难度很大。

3.3基坑支护方案设计

经过充分的调查研究，根据当地工程施工经验，选择土钉墙支护形式进行本工程的基坑支护。利用理正深基坑支护软件结合工程施工经验，确定土钉墙坡度比为1:0.7，自上而下共设置5道土钉，长度均为9m，土钉杆体为1根直径18mm的HRB400钢筋，每道土钉横向均采用1根直径14mm的HRB400钢筋横拉。土钉水平间距为1200mm，钻孔直径为150mm，注浆材料选用纯水泥浆，采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，水泥用量为30kg/m，水灰比为0.5～0.55。土钉墙面层钢筋为直径8mm的HPB300钢筋，水平和竖向间距均为200mm，面层厚度为80mm，喷射混凝土强度等级为C20。

4土钉墙施工工艺流程

基坑支护土钉墙施工随基坑开挖分层分段进行。

（1）基坑土方开挖，坡面人工修整。基坑开挖时，对机械挖掘后的边坡进行人工修整，确保边坡的立面角和壁面的平整度。严格按照设计图纸要求分层分段开挖，严禁超挖。

（2）土方开挖边坡整平后立即进行第一层混凝土喷护施工，首次喷护混凝土面层厚度为30mm。

（3）钻孔。采用螺旋钻杆机械成孔，成孔直径为150mm。钻孔前根据施工图确定孔位，孔距偏差不大于100mm，遇有其它特殊情况时，孔位调整由项目技术负责审定。对局部孔中出现的渗水塌孔或掉落松土，立即清除。钻孔过程随时掌握土层情况。

（4）土钉杆体制作与安放。土钉杆体每隔2m焊接对中支架，呈三角形分布，保证钢筋处于钻孔中心部位。成孔后立即进行土钉杆体安装并开始注浆，采用两次注浆工艺，分注浆和补浆两个阶段。注浆时应采用底部注浆方式，注浆导管底端应先插入孔底，保证孔中气体能全部逸出。土钉端头应避免敲击碰撞，不得悬挂重物。土钉端部采用L形钢筋与横拉筋相互焊接。

（5）绑扎面层钢筋网。面网钢筋在制网前均应拉伸调直，严格按设计尺寸布网，绑扎网片。网片搭接长度不少于30cm。网格允许偏差为±10mm。最底层钢筋网应插入坑底30cm。

（6）喷射混凝土面层。喷射混凝土面层强度等级为C20，喷头距离坡面距离宜在0.8～1.5m的范围内。为使施工搭接方便，每层下部30cm暂时不喷射，并作成45°的斜面形状，下一层喷砼前用风或水清洗喷层接触部位。喷射混凝土完成后进行养护，待土钉和混凝土面层强度达到设计要求后继续开挖土方进行下一步施工。

5 施工过程中难点问题及控制措施

5.1地表水及上层滞水的控制

膨胀土具有吸水膨胀后强度大大降低的特性，本工程土钉墙施工期间正值雨季，必须采取措施防止已开挖未喷护基坑坡面因吸水膨胀、失水收缩变形而坍塌。采取的预防和处理措施有：（1）基坑土方开挖之前按照设计要求先施工降水井降低地下水位，做好降水井巡查和维护，确保正常运行，专人对降水井水位变化情况进行观测，在地下水位降至土方开挖面以下时开始挖土，挖土期间降水持续进行，确保地下水位始终在土方开挖面以下。坡顶基坑开挖影响范围内地面做压实处理，局部采用混凝土进行硬化，并在基坑边坡坡顶设置截水沟，防止地表水渗、流到已开挖的坡面导致基坑坡面坍塌。（2）土方开挖过程中遇到上层滞水，坡面有渗、漏水现象时立即停止土方开挖，在出现渗、漏水部位的坡顶及时补施工管井进行抽排。抽排上层滞水，直至坡面无明显渗、漏水时再继续进行土方开挖，进行后续的边坡施工。（3）在基坑边坡土方开挖后未进行土钉施工和面层混凝土喷护之前，遇降雨时及时采用塑料布覆盖坡面，防止降雨对坡面的冲刷导致膨胀土失去强度而坍塌。

5.2坡面开挖及混凝土面层喷护的控制

膨胀土地区土钉墙施工必须保证原状土边坡的稳定性，遵循“预防为主，综合治理”的膨胀土边坡处理原则。采取的预防和处理措施有：（1）基坑土方开挖严格按照设计工况分层、分段进行，严禁超挖，面层混凝土喷护施工分两次进行，土方开挖边坡整平后立即进行第一层喷护，厚度为30mm，再进行土钉的成孔、杆体安装和注浆施工，绑扎面层钢筋网片，最后进行第二次喷护，厚度为50mm，完成整个土钉墙施工，待土钉锚固体和喷射的混凝土面层养护到设计强度后开挖下一层土方继续施工。（2）土钉施工采用螺旋钻杆作业成孔，成孔后立即安装土钉杆体并注浆，注浆后，当浆液液面下降时要及时进行补注浆，保证土钉孔体内充满水泥浆液。（3）喷射混凝土面层完成后立即采用草毡覆盖，并及时适量洒水进行养护，在喷射混凝土强度达不到设计要求之前严禁开挖下一步土方进行后续作业。（4）土方开挖后膨胀土的含水率保持平衡时坡面不会失稳，若坡面土层因开挖后裸露晾晒风干而失水收缩、干裂，而后遇到土层中的滞水浸泡，会产生反复的膨胀和收缩，造成坡体失稳而坍塌。因此，对土方开挖后未及时喷护的坡面及时使用塑料布进行覆盖，防止土中水分的蒸发，保持坡面土体的含水率平衡。

5.3其它控制措施

（1）基坑开挖之前要对周边污水管道、雨水管道等进行详细的排查，对有渗、漏水现象的管道预先进性修补维护，在保证各类管道不渗漏的前提下开挖土方，土方开挖至基坑回填期间要定期对基坑周边各类排水管道进行定期巡查，发现管道开裂、渗漏或堵塞时，要及时修复，防止因基坑周边管道渗、漏水对基坑边坡的稳定性产生影响，从而导致基坑边坡失稳坍塌。（2）基坑坡脚处不得任意挖土，必要时根据设计要求对基坑坡脚土体进行加固处理，坡顶堆载要严格按照设计和相关规范要求进行控制，坡顶堆载距基坑开挖边线的距离不得小于5m，堆载量不得超过设计荷载。（3）基坑开挖到槽底后要立即进行基础作业，防止槽底长时间裸露，遭受暴晒或淋雨，因故不能及时进行基础施工时要采取必要的防护措施对槽底原状土加以保护，避免因槽底长时间裸露而影响基坑边坡的安全。（4）在基坑边坡开始施工直至地下主体结构施工完毕对基槽回填完毕，要加大对基坑坡面和坡顶周边的巡查力度，发现裂缝要及时采取封闭处理措施，防止地表水通过裂缝渗入坡面内，对基坑坡面产生危害，造成基坑侧壁压力过大而坍塌。

6 基坑变形监测结果分析

本工程基坑开挖过程中严格按照设计及相关规范要求对基坑坡顶水平、竖向位移进行了监测，监测值与设计值变化趋势相吻合，基坑开挖完成后基坑变形趋于稳定，变形值在设计及相关规范要求范围内，基坑坡面未出现坍塌、渗漏水等现象，基坑开挖未对基坑周边环境造成不利影响，地下主体结构施工完成基槽回填土回填完成之前基坑边坡保持稳定，未对地下主体结构的施工造成不利影响，可见土钉墙支护效果良好。

7 结束语

本文简述了膨胀土的基本概念及特性，并以工程实例的形式介绍了常规基坑支护方式土钉墙在膨胀土地区深基坑支护工程中的成功应用，分析探讨了膨胀土地区土钉墙基坑支护施工过程中的难点问题及采取的有效处理措施，为膨胀土地区深基坑支护工程中土钉墙的成功应用提供参考和借鉴，为类似工程的施工总结经验。

参   考   文   献

[1] JGJ 120-2012 建筑基坑支护技术规程[S].

[2] GB 50497-2009 建筑基坑工程监测技术规范[S].

[3] GB 50112-2013 膨胀土地区建筑技术规范[S].

[4] 化建新，郑建国. 工程地质手册（第五版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2018.

作者简介：陈虎，男，19850114，汉族，宁夏固原，大学本科，高级工程师，岩土工程

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