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1、第4章 深基坑支护技术4.1 概述近年来，随着我国经济建设和城市建设的迅速发展，地下工程日益增多。高层建筑地下室、地铁车站、地下车库、地下商场、地下人防工程、桥墩等施工时都需要开挖较深的基坑。大量深基坑工程的出现，促进了设计计算理论的提高和施工工艺的发展，通过大量的工程实践和科学研究，逐步形成了基坑工程这一新的学科。深基础施工是大型和高层建筑施工中极其重要的环节，而深基坑支护结构技术无疑是保证深基础顺利施工的关键。4.1.1基坑工程发展现状我国的基坑工程发展于上世纪70年代末，那时只有少量的大型工程项目有开挖深度达10m以上的基坑工程，这些工程大多选址在较少或没有周边建筑物、地下构造物的地区，
2、因此深基坑支护技术的研究并没有得到足够的重视。到上世纪80年代后期，尤其是90年代以来，我国的经济实力有了飞速的发展，充分利用地下空间建造地下车库、商场和人防设施来解决我国人多地少的矛盾已在城市建设中形成共识。同时城市高层建筑越来越多，这些高层建筑大都有13层的地下室，基坑开挖深度通常达到6m20m。一些大城市，如北京、上海、天津、广州的地铁工程的建设也需要进行大规模的地下开挖。近十余年来，我国先后召开了若干关于深基坑工程的国内、国际学术交流会。国家先后颁布实施了行业标准建筑基坑工程技术规范(YBJ9258-97)和建筑基坑支护技术规程(JGJ 120-99)。上海、深圳、武汉、广东、浙江、江
3、苏等省市也陆续制订了基坑工程的地方标准。新颁布的国家标准建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)也增加了“基坑工程”一章。2005年建设部将深基坑工程列为今后十年我国建筑业10项重点研究发展的新技术之一。总体来看，我国的基坑工程有以下特点：（1）基坑越挖越深。随着城市人口的急剧增加，城市土地资源日益紧张，为了在有限的土地上创造最大限度的经济收益，建筑投资者们不得不向空间发展。80年代以前，即使是在大城市，高层建筑的数量也是屈指可数，12层的地下室也不普遍，在中等城市，更是少见。现在大城市，高层、超高层建筑鳞次栉比，地下室已发展至34层，所以，基坑深度有许多已大于10米，个别的已达到30
4、米以上。（2）工程地质条件和施工环境越来越差。由于经济的高速发展，高层、超高层建筑如雨后春笋，数量急剧增长，而且主要集中在市区繁华地段。建筑密度大，人口密集，交通拥挤，场地狭小，施工环境很差。城市建设往往要根据城市规划部门的安排，区域可选性越来越小，在有些情况下，地质条件可选性差。在这种情况下，在深基坑施工过程中，不仅要保证本基坑的作业安全，而且更要保证周围其它建筑、道路、管线的正常运营。（3）基坑支护方法多。随着支护技术和理论的日益成熟，支护经验的不断交流，新的支护方法层出不穷。诸如人工挖孔桩、预制桩、深层搅拌桩、地下连续墙、钢支撑、木支撑、抗滑桩、拉锚、注浆、喷锚挂网支护等，各种桩、板、墙
5、、锚杆以及土钉墙的联合支护等，应有尽有，各显神通。（4）基坑工程事故多。此问题在建筑界显得异常突出，基坑与边坡工程事故危及四邻安全；给周围群众的生产、生活带来很大的不便，影响居民的正常生活；造成市政交通堵塞。深基坑事故的屡屡发生，给国家和人民的生命财产造成了很大损失。（5）对基坑工程的时空效应与环境效应重视不够。基坑的深度和平面形状对基坑围护体系的稳定性和变形有较大的影响，空间效应的存在使得支挡结构所受土压力与经典土压力有较大的不同，在基坑围护体系设计和施工中要注意工程的空间效应，并加以利用。此外，基坑工程的开挖势必引起周围地基中地下水位的变化和应力场的改变，导致周围地基土体的变形，对相邻建筑
6、、构筑物及地下管线产生影响。目前，对这两点重视不够。因此，对基坑工程的空间效应与环境效应应予以重视。（6）深基坑技术有待于尽快发展提高，以适应当前工程的需要。当前深基坑开挖支护工程已发展到以深大复杂为特点的新时期，特别是沿海地区，地下水位较高，深基坑工程施工工艺有待于进一步的研究和发展。4.1.2深基坑支护方法尽管工程界流行深、浅基坑的说法，但目前并没有严格区分深、浅基坑的统一标准。Terzaghi和Peck曾于1967年建议把深度超过6m的基坑称为深基坑，但未得到普遍认可。国内也有人视深度超过5m的基坑为深基坑。现一般认为，当开挖深度大于67m时，便可以看作是深基坑。基坑支护是指为保证地下室
7、施工及周边环境的安全，对基坑侧壁及周边环境采用的支挡、加固保证措施等。支护结构主要承受侧向压力，包括水土压力及地面荷载、邻近建筑物基底压力、相邻场地施工荷载等引起的附加压力，以水土压力为主。土压力是基坑周围一定范围内的土体与支护结构之间相互作用的结果。传统的支护设计理论是把基坑周围土体当作荷载，作为支护结构的“对立面”，然后根据围护墙的位移情况，分别按静止土压力、主动土压力或被动土压力来进行支护设计，称此类支护为被动支护。事实上，基坑周围土体具有一定的自支撑能力，可以将它用作支护材料的一部分，源于这一观点的支护设计是设法充分发挥和提高基坑周围土体的自支撑能力并补强其不足部分，称此类支护为主动支
8、护。一、被动支护被动支护是一种被广泛应用的、传统的深基坑支护方法，其支护结构主要包括围护墙和撑锚体系，对排桩式围护墙通常还包括止水帷幕。1、围护墙(1)排桩式围护墙为简便起见，并参照建筑基坑支护技术规程(JGJ120-99)的规定，把采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制钢筋混凝土桩、钢板桩等桩型按队列式布置组成的墙体均归为排桩式围护墙。按布桩方式，排桩围护墙可分为柱列式排桩围护墙、连续排桩围护墙和双排桩围护墙等。对于开挖深度在610m左右的各安全等级基坑均可采用排桩围护墙支护。(2)地下连续墙地下连续墙是先在地面以下开挖一段狭长的深槽，其内充满泥浆以保护槽壁稳定，然后吊放钢筋笼，水下浇筑混凝土，筑
9、成一段钢筋混凝土墙段，再将这些墙段连接起来形成的地下墙壁。它在施工时噪音和振害较少，除用作基坑施工时的围护墙外，一般还是地下结构的一部分。它适用于各种地质条件和安全等级的基坑，并可进行逆筑法施工。2、撑锚体系(1)内支撑内支撑是设置于基坑内部，承受围护墙传来的水土压力等外荷载的结构体系，由支撑、围檩(腰梁)和立柱等构件组成，排桩式围护墙顶部还设置帽梁(冠梁)。在软土地区，特别是建(构)筑物密集的城市中开挖深基坑，内支撑被广泛应用。目前采用的支撑材料主要有型钢、钢管和钢筋混凝土等。内支撑平面布置形式除了惯用的井字形加角撑外，针对不同的基坑平面形状，巧妙地运用力学原理，还开发应用了圆形、椭圆形钢筋
10、混凝土环梁封闭式桁架平面布置。为达到增大坑内挖土空间，而又能保证支撑体系刚度的目的，近年来采用了边桁架代替传统的围檩、受力性能良好的曲线型杆代替单一的直杆、桁架杆代替实腹杆等新技术。此外，还常将一些方便施工的栈桥和起重机架等与内支撑结构相结合，使之成为整体的支撑系统，以达到增加支撑刚度和方便施工的双重目的。(2)拉锚当施工场地周围条件许可且工程地质较好时，可采用坑外拉锚形成对围护墙的支撑作用。拉锚形式有土层锚杆、锚碇拉锚和锚桩拉锚等。土层锚杆在深基坑支护中被广泛应用，它设置在围护墙背后，为挖土、地下结构施工创造了条件。土层锚杆的一端通过围檩与围护墙连接，另一端深入稳定的土层中。土层锚杆由锚固头
11、、拉杆和锚固体组成，分自由段和锚固段两部分。拉杆可以是粗钢筋、钢筋束或钢铰线，以钢铰线为多用。传统土层锚杆的锚固体为水泥砂浆圆柱体，后又出现了带扩大头或通过多次高压注浆形成的葫芦串锚固体。为回收拉杆材料，近年还成功地设计和施工了可拆卸式土层锚杆。目前土层锚杆的设计理论还落后于工程实践，致使设计和施工不当而造成的浪费和工程事故不少。二、主动支护主动支护是以充分发挥和提高基坑周围土体自支撑能力的新型支护方法，其发挥和提高土体自支撑能力可以从物理、化学和几何的途径着手，相应的支护型式主要有以下几种。1、水泥土墙支护水泥土墙是在搅拌桩的基础上基于化学加固土体的机制，于20世纪70年代初在瑞典发展起来的
12、一种主动支护型式。我国于70年代末开始研究和应用，90年代初才开始大量应用于基坑工程实践中。它是利用水泥系材料作固化剂，通过特殊的拌和机械(如深层搅拌机或高压旋喷机)就地将原状土和固化剂(粉体或浆体)强制拌和，经过土与固化剂(或掺和料)产生一系列物理化学作用，形成具有一定强度、整体性和水稳性的重力式支护结构。一般适用于开挖深度不大于6m，基坑侧壁安全等级为二、三级，且水泥土桩施工范围内地基土承载力不大于150KPa的情况。在水泥搅拌桩内加劲性型钢，形成复合围护墙，这种在日本己经成熟应用的方法(SMW工法)，早年由于我国经济条件不允许消耗大量造价高的型钢，而未能得到推广应用。近些年由于工字型钢拔
13、出技术、钢管甚至竹木加劲部分地取代型钢加劲技术的研究成功，使SMW工法在我国得到推广应用并有所创新。特别是在上海、广州、深圳等沿海城市，当前正在广泛使用。2、土钉墙支护土钉墙是在新奥法的基础上基于物理加固土体的机制，于20世纪70年代在德国、法国和美国发展起来的一种主动支护型式。我国于80年代初应用于矿山边坡支护，后在基坑支护中迅速推广应用。它由被加固土、放置于原位土体中的细长金属杆件(土钉)及附着于坡面的混凝土面板组成，形成一个类似于重力式的支护结构。土钉墙通过在土体内放置一定长度和密度的土钉，使土钉与土共同工作来大大提高原状土的强度和刚度。土钉墙支护一般适用于开挖深度不大于12m，侧壁安全
14、等级为二、三级的非软土场地基坑。当地下水位高于坑底时，应采取降排水或截水措施。3、喷锚支护喷锚支护是在新奥法的基础上基于物理加固土体的机制，于20世纪90年代在我国发展起来的一种主动支护型式。它与土钉墙支护在施工工艺上有相似之处，但在构造、作用机理和适用等方面有较大差别。构造上，喷锚支护的锚杆较长，要伸入滑移线以外的稳定土层中，分自由段和锚固段；土钉则较短，大多位于滑移线以内或附近，无自由段、锚固段之分。此外，土钉设置间距比锚杆密得多。工作机理方面，喷锚支护是利用锚杆逐次超前“缝合”优势滑移控制面的裂缝而使土体形成整体的自稳能力，土钉墙支护则利用土钉与土体的共同工作，以弥补土体自身强度和刚度的
15、不足。适用上，土钉墙支护一般不适于流砂、淤泥和淤泥质土等粘结力低的软弱土层，而喷锚支护则在这类土层中有较好的适应性。喷锚支护基坑最大开挖深度目前己达18m，在淤泥地基，坑深也已超过10m。4、冻结支护冻结支护是基于物理加固土体的机制，应用人工制冷技术，使基坑周围土层中的水结冰形成一道具有一定强度、整体性的冻土墙，它既能挡土又能止水。冻结法施工在采矿工程中已经得到了广泛的应用，进行了大量的研究，积累了较丰富的经验，用于深基坑支护则是近几年的事。冻结支护适应于各种复杂的地质条件，尤其在淤泥、淤泥质土及流砂层中更显示出优越性。采用冻结支护时，基坑工程的设计内容和要求将有非常大的变化，目前仅做了少量试
16、验性工程。在某些地区，它是一种很有前途的深基坑支护新技术。5、拱形支护拱形支护是出于围护墙的几何形状与受力特性方面的考虑，在我国于20世纪90年代发展起来的一种新型的主动支护型式。它是利用基坑有利的平面现状，把围护墙做成圆形、椭圆形、组合抛物线形或连拱式等形式，以充分发挥支护结构的空间效应、土体的结构强度和材料的力学性能。一方面作用在闭合拱形围护墙上的水土压力大部分可自行平衡或得到调节；另一方面利用土体自身的起拱作用，可减小作用于围护墙上的水土压力；再者，围护墙基本处于受压状态，可充分发挥混凝土材料的强度特性。围护墙可采用排桩、地下连续墙或现浇逆作拱墙等。根据受力情况，可设置围檩甚至内支撑或土
17、层锚杆。其中逆作拱墙尤如人工挖孔桩的护壁施工，是一种无嵌固深度的围护墙，它一般适用于开挖深度不大于12m，侧壁安全等级为二、三级的基坑，当地下水位高于坡脚时，应采取降水措施，对淤泥或淤泥质土不宜采用。排桩、地下连续墙拱形支护结构的适用条件与前述排桩、地下连续墙作为一般支护结构的适用相同。4.1.3深基坑支护技术应用前景深基坑支护是岩土工程中一个新的领域，由于地质的复杂性、受力状态的多变性、结构型式的多样性，构成了其自身的特殊性，给深基础工程领域带来了新课题。相信随着科学技术的飞速发展和计算机的应用，依靠工程界、学术界的共同努力，在深基坑支护技术方面一定会出现新的突破，其应用前景体现在：（1）改
18、变传统的静态设计观念。对于深基坑支护结构的设计，国内外至今尚没有一种精确的计算方法，我国也没有统一的支护结构设计规范。深基坑支护结构的设计仍采用传统的“结构荷载法”，计算结果与深基坑支护结构的实际受力有较大差距，既不安全也不经济。国内外岩土工作者对探讨和建立动态设计体系已形成共识，许多学者己开始从事这方面的研究。近十几年来，我国在深基坑支护技术上已经积累很多实践经验，收集了施工过程中的一些技术数据，已初步摸索出岩土变化支护结构实际受力的规律，为建立深基坑支护结构设计的新理论打下了良好的基础。（2）建立变形控制的新的工程设计方法。按变形控制设计中变形控制量应根据基坑周围环境条件因地制宜确定，不是
19、要求基坑围护变形愈小愈好，也不宜简单地规定一个变形允许值，应以基坑变形对周围市政道路、地下管线、建（构）筑物不会产生不良影响，不会影响其正常使用为标准。鉴于此，应建立新的变形控制设计方法，着重研究以下问题：支护结构变形控制的标准。这是关系支护结构成败的决定性数据，但至今仍未有一个具体标准；空间应变简化为平面应变。这是如何将开挖过程中的空间效应转化为设计中的平面应变问题；地面超载的确定及其对支护结构变形的影响。（3）探讨新型支护结构的计算方法。随着大量高层、超高层建筑以及地下工程的不断涌现，对基坑工程的要求越来越高，随之出现的问题也越来越多，导致许多新的支护结构型式相继问世，如：双排桩、土钉、组
20、合拱帷幕、旋喷土锚、预应力钢筋混凝土多孔板等。但是，这些支护结构型式的计算模型如何建立、计算简图怎样选取、设计方法如何趋于正确，仍是当前新型支护结构设计中急需解决的问题。目前，深基坑支护结构正在向着综合性方向发展，即受力结构与止水结构相结合、临时支护结构与永久支护结构相结合、基坑开挖方式与支护结构型式相结合。这些结合必然使支护结构受力复杂，因此，工程技术人员必须探讨新型支护结构的计算方法。（4）开展支护结构的试验研究。理论来自于实践，我国至今在深基坑支护结构方面尚未进行系统的试验研究。在支护工程施工的过程中积累的技术资料很丰富，但缺少科学的测试数据，无法进行科学分析。一些支护结构工程成功了，也
21、讲不出具体成功之处；一些支护结构工程失败了，也说不清失败的真实原因。因此，开展支护结构的试验研究是非常有必要的。通过实验室模拟试验和工程现场试验，发现问题、总结规律，寻找解决的问题的最佳途径，为其他工程提供经验和方法，减少工程事故的发生，为深基坑支护结构计算方法提供了可靠的第一手资料。（5）优化深基坑支护结构方案。深基坑支护结构的设计与施工不同于上部结构，除地基土类别的不同外，地下水位的高低、土的物理力学性质指标以及周围环境条件等，都直接与支护结构的选型有关。在深基坑工程中，支护结构方案的选择至关重要，支护结构型式选择的合理，就能做到安全可靠、施工顺利、缩短工期，带来可观的经济与社会效益。反之
22、，一个不合理的方案即使造价很高，也不一定能保证安全。可见，支护结构形式的优化选择是深基坑支护技术发展的必然趋势。（6）发展信息监测与信息化施工技术。基坑工程力学参数的不确定性及施工过程的不可预见性，使基坑工程设计和施工中难免出现与实际地层条件不符合的情况，需要在施工过程中通过监测信息的反馈来修正设计，指导施工。因此，基坑工程监测是基坑工程施工中的一个重要的环节，组织良好的监测能够将施工中各方面信息及时反馈给基坑开挖组织者，根据预测判定施工对周围环境造成影响的程度，对基坑工程围护体系变形及稳定状态加以评价，并预测进一步挖土施工后将导致的变形及稳定状态的发展，制定进一步施工策略，实现所谓信息化施工
23、。本章着重介绍近几年来新的基坑支护工艺，如复合土钉墙支护技术、预应力锚杆支护技术、型钢水泥土复合搅拌桩支护技术、环形内支撑支护技术等，其余不再赘述。4.2 复合土钉墙支护技术4.2.1复合土钉技术的产生及应用土钉支护技术在山西省柳湾煤矿的边坡工程中应用以来，就以其工期短、施工便捷、经济节能、稳定可靠等诸多优点迅速得到发展，在诸如高层建筑多层地下室、地下停车库、地下铁道及车站等各种涉及深基坑支护工程的民用与工业设施的兴建过程中，得到广泛应用。但是土钉支护也有其缺点和局限性，主要是：现场需有允许设置土钉的地下空间，如为永久性土钉，更需长期占用这些地下空间，当基坑附近有地下管线或建筑物基础时，则在施
24、工时有相互干扰的可能；在松散砂土、软塑、流塑粘性土以及有丰富地下水源的情况下不能单独使用土钉支护，必须与其它加固支护法相结合，尤其在饱和粘性土及软土中设置土钉支护更需要谨慎，土钉在这些土中的抗拔力低，需要有很长很密的土钉，软土的徐变还可使支护位移显著增加；土钉支护如果作为永久性结构，需要专门考虑锈蚀等耐久性问题。土钉支护的局限性从多个方面妨碍了该技术的应用与发展。而目前我国，经济发展最快，建设最广泛的地区都是在东南沿海城市，如上海、广州、福州、深圳等，地下水丰富，地下水位较高，承压水头高，地质条件差。即地层上部一般为疏松的杂填土、粉质或淤泥质土，下部为深厚的淤泥质粘土，土体强度值偏低，而且其中
25、大多数深基坑工程位于城市中心，周边建筑物密集，环境复杂，支护边坡的变形对周边的影响很大。因此，土钉支护在这些地区的应用受到很大挑战。土钉支护在国内基坑支护工程中的应用是在20世纪90年代中期开始，至今已经发生过很多起土钉支护边坡的坍塌事故，土钉支护边坡的变形、开裂和下陷等现象更是时有发生，由此对周边道路、建筑物、地下管线的影响所引起的投诉和纠纷，已经影响到该技术的进一步推广和应用。因此，在土钉支护技术的基础上，一些学者和工程技术人员提出了复合土钉支护技术。复合土钉支护技术是以土钉支护为主，辅以其它补强措施以保持和提高土坡稳定性的复合支护方法。目前复合土钉支护技术的加固部分主要有土体超前加固法和
26、结构加固法。它针对不同的场地条件和地质条件，采取因地制宜、灵活多变的组合支护结构，保持了传统土钉支护的优点，克服了传统土钉支护技术的固有缺陷。在国外有记载的第一个复合土钉支护的工程是1985年在法国Montpellier Opera基坑开挖的临时支护中。基坑深21米，采用土钉预应力锚杆的组合结构，锚杆与面层腰梁连接。在国内有记载的第一个复合土钉支护工程是1993年应用于广州065工程抢险加固中。基坑深18米，采用土钉预应力锚索的组合结构。复合土钉墙支护技术凭借其适应性强、工程造价低、安全可靠、施工方便等特点在北京、上海、深圳、广州、浙江、南京、武汉等地基坑工程中得到越来越多的应用，仅深圳、上海
27、每年应用复合土钉墙支护的基坑工程都在150200个，典型的工程如深圳电视中心(深9.312.85m)；深圳长城盛世家园一期(深11.65m)，深圳长城盛世家园二期(14.221.7m)；深圳凤凰大厦(深14.0m)；深圳假日广场(深14.020.0m)；上海西门广场等一批深5.07.0m，并有深层软土的基坑；广州地铁新港站(深914.1 m)等。虽然复合土钉墙支护技术在基坑工程中已经得到了广泛的应用，但目前的规范对复合土钉墙的设计基本是借鉴土钉墙的设计方法，在设计计算中未考虑超前支护和止水帷幕的作用。对复合土钉墙的研究目前尚未形成统一的规范。在现场监测手段与方案、加固机理、支护结构受力情况等方
28、面的研究仍然存在不足的地方。4.2.2复合土钉墙的型式复合土钉支护是把土钉与其他支护形式或施工措施联合应用，在保证支护体系安全稳定的同时满足某种特殊的工程需要，如限制基坑上部的变形、阻止边坡土体内水的渗出、解决开挖面的自立性或阻止基坑地面隆起等。主要有以下五种形式。1、土钉与止水帷幕（水泥土桩）配合使用。进行土钉防渗墙联合支护，可有效解决传统土钉支护工艺无法在地下水位以下施工的难题，且利用搅拌桩与土钉共同作用，产生良好的抗渗性和一定强度，解决基坑开挖后存在临时无支撑条件下的自立稳定问题，避免了土钉支护无插入深度的问题。利用其挡土墙的作用，可适当减少土钉布置的数量和密度以降低工程成本。根据工程具
29、体情况，止水帷幕可采用深层搅拌桩、高压旋喷桩等水泥土桩形式，并应在基坑开挖前进行施工，然后再分层开挖进行土钉墙支护。支护时应先用水钻或麻花钻成孔，穿透帷幕桩，通常采用机械打入钢管作为土钉。2、土钉与预应力锚杆（锚索）配合使用。开展预应力锚杆（锚索）和土钉墙联合支护。该形式可有效解决土钉支护变形大的问题。通过预应力锚杆将被加固区锚固于潜在滑移面以外的稳定岩土体中，锚杆的预应力通过锚下承载结构和支护面层传递给加固岩土体，其预应力在被加固岩土体中产生压应力区，大大减少了塑性区的范围，延缓了潜在滑移面的形成和岩土体的破坏，有效控制了基坑的变形，增加了基坑的稳定性。但是这种复合支护方式要求面层和自由段的
30、土体应有足够的抗压强度，因此在软土、砂土等不良地质土层中，预应力往往难以达到设计值，故不宜使用该种支护方式。3、土钉与超前锚杆（预支护微型桩）配合使用。一般由超前垂直打入的注浆钢管做成，钢管直径较小，施工时较易打入土中，施工方便，速度快，其作用是解决基坑分层开挖后无支护条件下的自立问题。通常在基坑开挖前，在开挖线外垂直打入，在钢管内高压注入水泥浆，形成沿基坑开挖线以一定间距分布的一组微型桩。基坑分层开挖进行土钉支护，并与超前锚杆联成一个整体。当支护工程土质较好、安全性较高时也可采用木椽、槽钢或未注浆的钢管作为超前锚杆。4、土钉与混凝土灌注桩、加筋水泥土、内支撑等其他支护形式配合使用。在外部荷载
31、大、基坑安全性低的某些基坑工程中，可采用此方法。比如在止水帷幕的水泥土桩上进行插筋，应用目前比较成熟的基坑支护SMW工法，可以有效提高水泥土的抗剪抗弯强度，在止水的同时起到挡土作用，并结合土钉墙支护，大大提高了基坑的安全性。5、土钉与以上多种形式的复合土钉支护。在实际工程应用中，根据地质条件的复杂程度、周边荷载的影响情况等多方面的问题，为达到经济合理、安全可靠、施工便捷的目的，往往采用该方法，比如土钉止水帷幕预应力锚杆，土钉预应力锚杆超前锚杆，土钉止水帷幕预应力锚杆超前锚杆等组合形式。4.2.3复合土钉支护结构及施工工艺一、土钉支护部分的构造及施工土钉支护结构的基本构造除了被加固的土体外，主要
32、由土钉、面层及防排水系统三部分组成。1、土钉土钉在整个复合结构中发挥着重要的作用，它有效地增大了土体的抗剪强度，使本来松散的土体变成整体性比较强的类似加筋土的复合体。当土钉置入土体后，由于钉土之间产生相对位移，从而在钉土之间产生摩擦力，土钉依靠钉土之间的摩擦力分担了超出原状土所能承受的过大的应力，这种应力转移和重分布可以大大推迟和延缓土体的塑性流动和滑塌。土钉主要可分为钻孔注浆钉与击入钉两种，其中前者最为常见。(1)钻孔注浆钉钻孔注浆钉首先在土中采用机械或人工成孔，置入钢筋，然后沿全长注浆填充形成钻孔注浆钉。土钉的成孔方法在很大程度上取决于土体的特点，常用的方法有洛阳铲、螺旋钻、轻型地质钻、冲
33、击锤成孔等。为使土钉钢筋周围有足够的浆体保护层，一般需沿钉长每隔1.52.0m设置对中支架(图4-1)。土钉墙宜采用II、III级钢筋，直径一般为1632mm，置于直径70120mm的钻孔中。注浆材料可采用强度等级小低于M10的水泥浆或水泥砂浆，注浆方式一般采用低压(0.5MPa)重力式注浆，也可采用一次高压注浆技术以增加土钉与土层的粘结力。土钉与面层的连接一般宜做成由带螺纹的钢筋与螺母、钢垫板组成，待注浆体及面层硬结后用扳手拧紧螺母，也有在面层内设置加强筋，使土钉与加强筋焊接连接的形式。对于永久土钉，一般在钢筋外还需要加环氧树脂防腐涂料或用水泥浆填充密封的波纹塑料保护层，以提高钢筋防锈蚀能力
34、。图4-1 钻孔注浆钉构造图(2)击入钉击入钉一般采用震动、冲击、液压等措施将土钉(角钢、钢管、钢筋等)击(射)入土体中形成土钉。由于不需预钻孔，施工速度快，在工程中有一定的应用前景，但不宜用于密实胶结土及永久性支护工程中。普通击入钉：普通击入钉即在土体中直接打入角钢、钢管或圆钢等，不再注浆，因此与土体的粘结强度较低，钉长又受限制。所以一般为短而密的布置，支挡土坡高度也受到限制。注浆击入钉：注浆击入钉即用周围带孔的钢管(工程中多称“钢花管”)，通常在钢管周围凿孔作为注浆孔眼，并在孔眼边焊接倒刺制成，见图4-2。击入土中后，从管内通过壁孔将注浆体渗到周围土体中，从而提高击入钉与周围土体的粘结力。
35、注浆击入钉宜用于砂性土中。图4-2 钢花管示意图高压喷射注浆击入钉：高压喷射注浆击入钉（见图4-3所示）是利用高频冲击震动锤将土钉击入土体，同时以高压(20Mpa)把水泥浆从土钉端部的小孔中或通过焊接于土钉上的薄壁管射出进入周围土中，从而提高与周围土体的粘结力。高压喷射注浆击入钉可适用于各类一般粘土层和砂性土层。图4-3 高压注浆击入钉示意图气动射入钉：用高压气体作动力，将土钉射入土中，一般钉径为2538mm，长度不超过6m。2、喷射混凝土面层喷射混凝土面层可以使分布在土体中的土钉协调工作，一旦局部一个或几个土钉达到极限状态，通过面层可以转移到其它土钉上去，限制了坡面的鼓胀和局部塌落，保持坡面
36、的完整性，并有效防止了雨水的冲刷。图4-4 土钉与面板连接形式临时性土钉支护（见图4-4（a）所示）施工面层一般由80150mm厚的网状加筋混凝土组成，钢筋网钢筋直径一般为6l0mm，网格间距一般为150300mm。土钉端部与面层的连接可采用螺母、承载板方法，也可采用土钉与局部设加强筋的钢筋网焊接。钢筋混凝土面层一般采用干喷或湿喷工艺，直接将混凝土混合料喷射在钢筋网上，形成强度等级不低于C20的混凝土面层。对于永久性土钉支护（见图4-4（b）所示），面层厚度一般为150250mm，可分几次喷成。喷射混凝土面层宜插入基坑底部0.2m以上，坑顶宜设置12m的喷射混凝土护顶。3、排水系统地下水对土钉
37、墙施工及其耐久性是非常主要的。开挖面上的渗水量太大可诱发施工期间开挖面的稳定问题，增大对喷射混凝土面层的压力，同时还不能形成令人满意的喷射混凝土施工面层。土钉墙的排水措施包括土工织物面层排水、浅层聚氯乙稀(pvc)排水管和排水孔、表面集水和截水明沟，以及表面防水等。施工前在地面设置排水沟引走地表水，坡顶部位应进行硬化处理防止地表水向下渗透。随着向下开挖和支护的进行，在面层上可根据开挖土层含水情况设置必要的泄水孔，以便将喷射混凝土面层背后的水排走。基坑开挖到底后，在坡角附近应再设置一道排水沟和集水井，以保证坑内积水顺利排出。二、辅助加固部分的构造及施工1、止水帷幕当对基坑有防渗要求时，为防止因基
38、坑周围地下水位下降而引起地面沉降，工程中通常采用深层搅拌桩或高压旋喷桩做止水帷幕。止水帷幕作为临时挡墙和隔水帷幕，避免了土体开挖后由于土体渗水引起土体强度降低，以至不能临时直立而失稳以及基底隆起、管涌等问题。复合土钉支护结构中将深层搅拌桩或高压旋喷桩在基坑开挖前沿基坑边线外侧布置(图4-5)。根据基坑边坡的土质条件、基坑深度、坡顶荷载、变形控制要求和场地环境条件设置13排桩，使之相互叠合形成止水帖幕。桩长一般要求进入基坑底残积土层，或桩长足以阻止地下水和软土在基坑开挖后由基坑外向基坑内的渗流。当桩长小于l0m时，桩间相互搭接宽度取100150mm；当桩长大于l0m时，桩间搭接宽度取200mm。
39、图4-5 深层搅拌桩复合土钉支护 图4-6 深层搅拌桩内插型钢复合土钉支护深层搅拌桩止水帷幕适用于粘土、淤泥质土和粉土地基。对于含有高领石、蒙脱石等粘土矿物的土层，加固效果较好；而对含有伊里石、氯化物和水铝英石或有机质含量高、PH值较低的土层，加固效果较差。深层搅拌桩的施工一般采用喷浆工艺，施工程序一般为：桩机定位预搅下沉备浆喷浆搅拌、提升重复搅拌下沉重复喷浆提升结束。水泥浆液水灰比一般为0.450.55，加入适量的外加剂(如木质素磺酸钙)，水泥掺入量为1216%，搅拌钻杆的钻进下沉速度一般为0.380.75m/min，喷浆提升速度一般为0.30.5m/min，搅拌钻杆(轴)的转速为60r/m
40、in，根据场地的土质条件采用24次重复搅拌，其最大施工深度一般控制在23m以内。高压旋喷桩适用于砂类土、粉土、黄土及粘土等土层，对于含有较多的大粒径块石的卵砾石层以及含有大量有机质的腐植土，效果较差。高压旋喷桩分单管法、二重管法和三重管法。复合土钉支护结构中的高压旋喷桩一般采用单管法施工。喷浆压力通常采用1020Mpa甚至更大的压力。水泥浆液的水灰比为0.450.55，掺入24%的水玻璃，对抗渗性能有明显的提高。垂直施工时，钻孔的倾斜度一般不得大于1.5，注浆管的提升速度为0.20.25m/min，旋转速度一般为20r/min。另外，在深层搅拌桩和高压旋喷桩施工过程中，为了提高复合土钉支护结构
41、的整体刚度，也常常在成桩后立即置入型钢(图4-6)。2、超前微型桩土钉与微型桩结合的方式适用于土质松散、自立性较差、对基坑没有防渗止水要求或地下水位较低，不需要进行防渗处理的地层情况，对增强土体自立性、增加边坡稳定性以及防止坑底涌土十分有利(图4-7)。图4-7 超前微型桩复合土钉支护基坑复合土钉支护结构中通常采用钢管桩或树根桩实施超前加固，桩端宜嵌入基坑底面以下13m。钢管桩一般采用直径48150mm的无缝钢管或焊接钢管，用100型或200型地质钻成孔，间距为0.51.0m，通过钢筋网和加强筋与之焊接连接成整体。钢管内采用压密注浆，注浆前对钢管地面端lm范围内与钻孔间隙用M10砂浆密封并设置
42、排气管，浆液采用水灰比为0.450.60的水泥净浆或水灰比为0.40.45的水泥砂浆，注浆压力一般为0.51.5Mpa。注浆时，注浆管插至距钢管底250500mm，待注满浆后密封钢管口和排气管，保持压力35 min。树根桩一般采用直径为100250mm的小直径钻孔灌注桩，可视土质情况布置一排或双排，双排通常采用梅花式布置。树根桩间距0.51.0m，利用加强筋与面层连接成整体。钻孔通常采用地质钻，成孔后向孔内放入钢筋笼或型钢，并注入水泥净将或水泥砂浆。树根桩地面端多采用钢筋混凝土冠梁将树根桩连成整体。3、预注浆处理在基坑开挖前，沿开挖面超前竖向钻孔或打入注浆管把浆液均匀地注入基坑开挖边线外侧上部
43、的松散土体中，浆液以填充、渗透、挤密等方式将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体，从而改善土体的物理和力学性能，提高基坑开挖时该部分土体的自稳能力。注浆管一般采用直径4860mm，壁厚3.5mm的钢管，钢管上环向梅花状钻眼，采用人工或机械静压方法打入被加固的土体中，注浆压力是以不会使地表产生明显隆起变形和邻近建筑物不受到影响的前提下可能采用的最大压力，使浆液通过钢管的小孔渗入周围土体。注浆孔间距以被加固土体的土质情况和采用的注浆压力而定，一般为3001000mm。注浆采用水泥净浆，水灰比1:0.51:1，对于含水丰富的地层，加入适量的外加剂(如三乙醇胺、水玻璃等)可以加速浆液对土体的固化作用。4
44、、超前土钉支护对于较松散的土层或含水量较大的土层，当开挖后土层不能形成自稳的工作面时，需对开挖的工作面做超前支护。工程中通常采用超前土钉支护，既在开挖下一层工作面前通过人工的方法向下一支护层打入超前土钉，超前支护下一层，提高该层在土方开挖和土钉支护施工期间的自稳能力。超前土钉的材料可采用角钢、槽钢、钢管、螺纹钢筋、木桩、竹桩等，其上端通常与上一排土钉或加强筋连接。超前土钉的长度一般不小于被超前支护层开挖深度的两倍，间距300500mm。对于垂直开挖的基坑，超前土钉与坑壁的夹角一般为510，对于有一定坡度的基坑，超前土钉可以垂直打入。工程中应用最多的是一种注浆花管超前土钉，花管多为直径48mm，
45、厚3.5mm的普通钢管，钢管上环向钻眼，打入头制作成锥形，打入后用注浆泵注入1:0.51:1的水泥净浆，注浆压力一般控制在0.30.5Mpa。5、预应力锚索(杆)对于基坑周边变形要求比较严格的情况，单独使用土钉支护往往造成基坑边坡侧向位移过大，影响周围建筑物的正常使用。采用土钉与预应力锚索(杆)组合支护技术(图4-8)，是复合土钉支护常用而有效的支护型式，可以较好地解决此类基坑的支护问题，有效地控制基坑变形，大大提高基坑边坡的整体稳定性。预应力锚索(杆)的成孔通常采用锚杆钻机或100型、200型地质钻，孔径为100150mm，杆体一般采用高强钢铰线束，当锚杆的轴向荷载小于350KN时，可以采用
46、直径为2532mm的螺纹钢筋，头部设螺杆，用螺母拧紧实施张拉预应力。预应力锚杆的锚固段要求进入土体滑裂面lm以外的稳定岩土层。预应力锚索(杆)的注浆一般采用一次注浆工艺，浆液为水灰比为0.450.60的水泥净浆或水灰比为0.40.45的水泥砂浆，并加入适量的外加剂。注浆时设置止浆塞或止浆袋子和排气管，一次注浆压力控制在0.40.6Mpa，一次劈裂注浆的压力一般为23Mpa。预应力锚索(杆)端部与面层的连接一般采用腰梁或承压板。腰梁可以是现浇的混凝土梁或槽钢，锚索(杆)穿过腰梁并用专业锚具进行张拉锁定。图4-8 预应力锚索(杆)复合土钉支护技术6、桩锚支护对于硬度较大的卵砾石地层，可钻性差，易坍
47、塌，基坑支护若单纯采用桩锚支护，施工难度大，工效低，工程造价高。另外，对于开挖深度较大的基坑，如完全采用锚杆桩墙支护体系，需要多层锚杆，且护壁桩所承受的水平力过大，为满足受弯要求需增加护壁桩的桩径和配筋量，工程造价也很高。采用土钉和桩锚联合的支护形式可大幅减少桩的数量，节省工程投资，提高工效，缩短施工工期。常见的桩锚复合土钉支护形式有以下两种：一种形式为上部一定深度采用土钉支护，下部采用桩锚支护，桩顶设置冠梁(图4-9)；另一种形式为沿基坑开挖线以一定间距设置桩锚支护，桩与桩之间再设置土钉(图4-10)。图4-9 桩锚式复合土钉支护 图4-10 疏排桩加预应力锚索(杆)复合土钉支护4.3 预应
48、力锚杆支护技术4.3.1概述世界上大规模应用预应力锚杆并获得成功的典型实例为20世纪30年代阿尔及利亚舍尔法大坝的加固工程。该坝在改扩建时把坝体加高3m，用37根预应力锚杆进行加固，使其稳定。每根锚杆由630根直径为5mm的高强钢丝组成，单孔施加荷载达到10MN，锚杆间距6m，钢筋混凝土锚头设置在加高后的坝顶上。20年后预应力损失仅为9。预应力锚杆加固公路边坡技术于20世纪90年代初由日本传人我国后，在我国土木工程中得到了日益广泛的应用。预应力锚杆是一种高效经济和实用的工程技术，得到了岩土工程行业的高度重视，广泛的应用于各类岩土体加固工程，如隧道与地下洞室的加固、岩土边坡加固、深基坑支护、混凝土坝体加固、结构抗浮、抗倾覆，各种结构物稳定与锚固等。国内的土建工程中，例如高层建筑深基础工程、水电工程、铁道工程、交通工程、矿山工程、军工工程等基础设施工程中逐渐得到广泛应用。比较典型的工程有北京京城大厦深基坑支护工程、三峡永久船闸高边坡预应力锚杆加固工程、首都机场扩建工程地下车库抗浮工程、小浪底水利枢纽地下厂房支护工程、京福高速公路边坡加固及滑坡整治工程。近年来，还发展了一种新的用于基坑开挖和边坡稳定的支挡技术预
