【深基坑技术质量、安全培训】浅谈土钉墙及基坑事故原因及解决措施(原版)

浅谈土钉支护技术,目录一、前言二、发展简史和研究现状三、土钉支护的概念四、土钉支护技术适用范围及支护优缺点五、土钉墙基坑支护技术施工工艺与监测六、土钉支护的防水七、复合土钉支护技术八、土钉基坑支护常见问题及处理方法九、基坑工程事故问题原因分析及防范措施十、基坑安全督查要点,一、前言,岩土工程是近几十年来根据工程实际要求而逐渐发展起来的一门具有综合专业性技术的学科。而基坑支护工程又是岩土工程逐渐发展出来的一个分支学科，并且在工程实践的推动下，基坑支护工程在学术界亦形成了一门新兴的学科。基坑支护工程主要是指建筑物或构筑物的地下基础部分在施工过程中需要开挖，并且进行降水和基坑边坡的支护，保证在基坑开挖和施工的过程中，基坑周围的建筑物、构筑物的沉降在安全范围内，以及地下管线正常运行，确保基础部分在开挖和支护的过程中能够安全施工的一项综合性工程。基坑支护工程是地下基础施工中内容丰富且富于变化的领域，也是一项风险性很高的支护工程。作为一门综合性很强的新兴学科，它基本涉及了土木工程领域的全部学科内容，包括土力学，材料力学，结构力学，环境岩土工程学，基础工程学等等。基坑支护工程大多是随着开挖过程而临时在基坑边坡上进行支护，降雨、地震地下水以及坡顶荷载等因素都会影响基坑支护工程的效果，因此基坑支护工程是一门需要考虑很多外界影响因素的综合性系统工程。,从支护结构受力的角度对支护结构进行划分：,1、被动受力的支护结构被动受力的支护结构具有的特点是，基坑开挖过程中的支护结构能有效地利用自己强度、刚度被动承受土体压，从而实现边坡稳定。当前，用得最多的被动受力支护方法通常是传统的支护技术，比如说人工挖孔桩，冲孔桩、地下连续墙等。2、主动受力的支护结构主动受力的支护结构具有的特点是，通过提升土体强度和稳定性，利用各种有效手段使得土体和支护结构形成共同受力体，从而实现边坡稳定。当前，用得最多的主动受力支护方法有土钉支护、搅拌桩支护等。3、组合形式的支护结构组合工程中同时使用第一第二种支护结构进行共同支护。该组合支护结构已经应用到了非常多的实际工程中并且取得了很好的支护效果，展现出了巨大的结构优势和发展潜力。,人工挖孔桩,土钉支护,二、发展简史和研究现状,土钉墙支护作为一种现代基坑支护技术，最早出现于20世纪70年代。它的出现与新奥法有着密切的关系，可以说是新奥法的延续。六十年代出现的新奥法在当时取得了很大的成功，并得到了广泛的应用，在大量的隧道工程实践中，人们尝试把新奥法沿用到岩土工程中，并采用将粘结型锚杆与喷射混凝土面层相结合的方法，于是为土钉技术的产生奠定了基础。在欧美一些国家土钉技术应用的较早，起初在德国和法国开始应用，七十年代法国首先进行了土钉墙方面的技术研究。1972年法国著名承包商将新奥法应用在凡尔塞附近一处铁路路基开挖工程中，他们将钢筋植入土中并结合了混凝土喷射面层作为临时支护，此案例具有详细记载并在当时取得了很大的成功，可称为土钉支护技术的典型。20世纪80年代，法国发展了一种新技术即高压喷射注浆击入钉，此外还有加筋土技术的应用。随后土钉支护技术慢慢成长起来并作为边坡加固和支护主要应用技术。美国最早是加州大学Davis分校对土钉和土锚杆进行了相关的基础性研究，其主要的研究工作有现场基坑工程的相关数据实测，进行土钉支护模型的室内离心机试验以及对土钉支护进行有限元分析等等。英国对于土钉支护结构也进行了非常多的研究，主要有土钉支护的理论设计分析方法，土钉和土体相互作用的试验研究等等。,1、土钉支护技术在国外的发展概况,2、土钉支护技术在我国的发展概况,相对国外而言，国内对土钉和土锚杆支护方法的研究显得起步较晚。1980年，王步云首次成功的在实际工程中使用了土钉支护作为基坑支护形式。从此之后，土钉支护技术在我国的实际工程中的应用越来越多。同时土钉支护技术逐渐在多个主要的特大城市开始得以应用到实际工程中去。原冶金部建筑研究总院的程良奎教授和北京工业大学的孙家乐教授等，都是比较早展开对土钉和土锚杆支护的研究人员。除了以上所述的研究单位之外，近年来也由非常多的高等院校对土钉和土锚杆支护开展了相关的试验以及理论研究工作。,3、国内外研究成果现状,目前，国内外对于土钉支护技术的研究都取得了相关的研究成果，但是依然有部分的没有得到彻底解决的问题，比如说土钉支护结构的变形、混凝土支护面层所受到的土压力和土钉间距、土钉长度的影响关系以及最优土钉间距等等问题都没能得到很好解决。在土钉支护结构的设计方面，欧美发达国家均形成了比较完备的相关设计规范，但是我国还没有相关的国家规范出台。,土钉的定义就是埋设与基坑施工现场的土体中,间距比较小，排列紧密的细长杆件，比如说钢筋或者钢管等，基本上土钉外层还需要裹上水泥砂浆或者是水泥净浆。,三、土钉支护的概念,土钉支护技术首先是以一定的倾斜角成孔，之后将钢筋或者是钢管放置于孔内，然后往其内灌浆，最后设置混凝土面层。通过这些措施使得土钉与被支护土体紧密相连，并且依赖二者的接触界面上的粘结力或者是相互的摩擦阻力，与周围的被支护土体共同作用以形成复合土体，通过提高被支护土体的岩土力学性能以及土钉的抗拔力,减小被支护土体的变形来达到对土体进行支护的最终目的。,根据建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012表3.3.2，单一土钉支护技术适用于地下水位以上或降水的非软土基坑，且基坑深度不宜大于12m,邻近无重要建筑物、构筑物、重要交通干线或重要管线。,四、土钉支护技术适用范围及支护优缺点,1、土钉支护技术适用范围,（1）土钉支护主要适用于地下水位以上或经人工降水后的人工填土、粘性土和弱胶结砂土（2）对于无胶结砂层、砂砾卵石层和淤泥质土，土钉成孔困难，不宜采用土钉支护（3）对于不能临时自稳的软弱土层，土钉支护的现场施工无法实现，因此也不能采用土钉支护,2、土钉支护优点及局限性,优点：（1）能合理利用土体的自承能力，将土体作为支护结构不可分割的部分，安全系数较高（2）结构轻型，柔性大，有良好的抗震性能和延性（3）施工方便，速度快，不需单独占用场地，适用性非常好（4）施工设备简单轻便，不需大型的机具和复杂的工艺（5）进行土钉支护结构的施工所需要的工作面比较小，有利于在城市建筑比较密集的区域内施工（6）土钉支护的在造价方面可以比常规支护方法节约10-30的工程费用,局限性：（1）要求土体在没有进行土钉设置之前必须能够自稳（2）施工现场必须要有足够的地下空间来进行土钉支护的设置（3）进行土钉支护碰到地下水位高于开挖面的情况时，首先要将地下水位降至基坑坑底以下，不然会出现水渗流的现象（4）一旦确定土钉支护作为建筑物的永久性结构来使用，必须对土钉的腐蚀做进行专项考虑并且进行单独设计,根据建筑施工土石方工程安全技术规范JGJ180-2009里强制条文2.0.2条，土石方工程应编制专项施工安全方案，并应严格按照方案实施。,根据住建部关于印发危险性较大分布分项工程安全管理办法中深基坑工程规定，开挖深度超过5m（含5m）的基坑（槽）的土方开挖、支护、降水工程；开挖深度虽未超过5m，但地质条件、周围环境和地下管线复杂，或影响毗邻建筑（构筑）物安全的基坑的土方开挖、支护、降水工程，这两种情况需要专家论证。,五、土钉墙基坑支护技术施工工艺与监测,1、施工前准备工作施工前的准备工作土钉墙基坑支护施工前应认真学习相关标准、规范,熟悉设计图纸,了解地下障碍物、管线位置。根据设计图、施工合同及现场情况编写施工专项方案,必要时应由专家进行论证。同时准备好施工机具设备,并检查设备运转情况,确保能正常使用和做好材料进场的检验与混凝土、水泥浆的试配工作。,2、开挖修坡,土钉墙施工时是按照分层分段施工的原则进行的，每一层的具体开挖深度是根据土体稳定性来决定的。当基坑土体属于砂土时，每层基坑开挖的高度通常为0.52.0m，当基坑土体属于粘性土时，基坑每层的开挖高度等于土钉竖向间距，取值通常是在1.02.5m之间。每段长度可取1020m,具体依据设计规定的分层深度和分段距离。此外，还应按作业顺序施工,上层土钉注浆体及喷射混凝土面层达到设计强度的70%后方可开挖下层土方。,边坡修正,依据建筑工程土石方工程安全技术规范JGJ180-2009中6.3.2（强制条文）基坑支护结构必须在达到设计强度要求的强度后，方可开挖下层土方，严禁提前开挖和超挖。同时，JGJ120-2012强条8.1.3也是如此规定。,对于一般土层，土钉成孔一般宜采用洛阳铲成孔。,3、初喷混凝土,一般情况下，为了防止土体松弛和崩解，必须尽快做第一层喷射混凝土，根据地层的性质，可以再安设土钉之前做，也可以在放置土钉之后做。,4、成孔首先进行成孔位置的定位并且利用白灰进行标记，施工过程中严格参照图纸进行施工。完成钻孔处理之后，立即对孔内进行清孔处理，如果孔内出现渗水或者是松土等现象，必须立即按照图纸说明进行处理，处理之后对出现问题的孔进行标记和记录。,洛阳铲,5、安土钉、注浆、安连接件,土钉安装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23m,支架的构造应不妨碍注浆时浆液的自由流动。,注浆土钉钢筋置入孔中后可采用重力低压或高压方法注浆填孔。水平孔应采用低压或高压方法注浆，注浆时应在钻孔口部设置止浆塞，注满后保持压力34min。其中重力注浆以满孔为止。,注浆后,土钉安装,6、钢筋网绑扎及复喷,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,连接做法如下图所示。,在注浆完成之后，依照设计要求，将一定直径的钢筋按一定网距通过焊接固定在坡面上。另外，对于较危险的坡面，需用金属（如槽钢等）将土钉和坡面连接在一起，进而使支护的强度加深。钢筋间距宜取150mm250mm；钢筋网间的搭接长度应大于300mm；喷射作业时，喷头应与土钉墙面保持垂直，其距离宜为0.6m1.0m；喷射作业应分段依次进行，同一分段内应自下而上均匀喷射，一次喷射厚度宜为30mm80mm；,喷射混凝土,土钉钢筋：钢筋直径宜取16mm32mm成孔直径宜取70mm120mm,土钉钢管：钢管外径不宜小于48mm，壁厚不宜小于3mm,加强筋,注意：大多数土钉墙发生的事故都是由于土钉与面层连接出现问题导致。,施工应根据土方开挖情况、降水情况进行，开挖一步，支护一步，直至基坑底。此外，还应对土钉的抗拔承载力进行检测，当上层土钉注浆体及喷射混凝土面层强度达到设计值的70%或达到10MPa后，才可开挖下层土方以及进行下层土钉的施工。施工前设置位移观测点，施工期间应连续观测，直至施工完毕。,建筑基坑工程监测技术规范（GB504972009）第3.0.3条规定：基坑施工前应由建设单位委托具备相应资质的第三方进行基坑监护检测。,7、基坑监测,基坑在施工过程中须进行基坑及周边建筑物的变形观测。变形观测应委托有相应资质的单位编制专项方案，经甲方、监理审核通过后方可进行变形观测。,根据建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012强条，安全等级为一级、二级的支护结构，在基坑开挖过程与支护结构使用期内，必须进行支护结构的水平位移监测和基坑开挖影响范围内建（构）筑物、地面的沉降监测。,六、土钉支护的防水,1、水对土体的作用（1）土体的含水量增加会使土体自重增加，土体的滑动力增大；（2）水的渗流会对边坡土体产生一定的动水压力，水压力主要增加了土体边坡的下滑力，使边坡稳定度降低；（3）土体受水渗入后软化，土体强度降低，从而减小了边坡的抗滑力；（4）使土钉的承载能力和对土的约束能力降低；,2、土钉支护防水一般分类（1）地表防水要设置坡顶截水沟，目的是拦截边坡径流水，主要是拦截边坡地段以外的地表水流入边坡内，并且应尽快排除边坡范围内的雨水，同时引导地表水在边坡外的稳定处排走。边坡以外的地表水，以拦截和旁引为原则。,（2）坡面泄水在边坡面层中可根据具体情况设置导流管，以将面层后面的积水引到坑内排走。导流管的直径一般不小于40mm,长度为400600mm，间距为1.52.0m.,（3）坡底排水基坑底面设置排水沟和集水井，以排除积聚在基坑内的渗水和雨水。,基底排水沟,坡面泄水,集水井,七、复合土钉支护技术,复合土钉支护结构的概念是将土钉支护和其他的支护结构共同进行基坑支护。通常使用比较多的有三种：土钉与预应力锚杆联合应用、土钉与微型钢管桩联合应用、土钉与搅拌桩或者旋喷桩(止水帷幕)联合应用。,1、预应力锚杆复合土钉支护预应力锚杆主要特点是通过施加预应力来约束边壁变形,采用土钉与锚杆组合式支护技术,可有效地控制基坑变形,大大提高基坑边坡的稳定性。特别是在基坑比较深、地质条件及周围环境比较复杂,而对基坑变形又有严格要求时,这种联合支护型更显示出它的优点。特点：（1）对土层的适用性更广（2）对基坑的整体稳定性、抗隆起性能、抗渗性能等有极大提高。（3）能有效控制基坑的水平位移（4）具有较好经济性以及较短工期的特点。,适用范围,图1,图2,图3,锚杆与喷射混凝土面层之间设置腰梁连接，腰梁可采用槽钢腰梁或混凝土腰梁，腰梁与喷射混凝土面层紧密接触。,2、微型桩垂直复合土钉支护,在基坑进行开挖之前，将钢管打入基坑开挖画线的外侧，并且对钢管进行高压注浆处理，这样就对基坑形成了一排微型桩。其作用是提高护坡面的表面刚度，使整个边坡形成一个整体。后续的基坑开挖中，土钉支护的施工步骤和施工工艺不变。,在实际的基坑支护工程中，常常遇到自立稳定性较差的地层(如淤泥质土、砂、卵石等)，基坑又较深，且受周围环境的限制，没有放坡空间，在这种情况下，可将土钉、预应力锚杆、微型钢管桩联合使用，形成微型钢管桩垂直复合土钉墙。在这种支护形式里，微型钢管桩作为超前支护，提高土层的自立稳定性，预应力锚杆能有效控制坡面的位移。这样既保证了基坑与周边环境的安全，又节省了工程造价。如图,微型桩复合土钉支护,3、水泥土桩复合土钉支护,水泥土桩复合土钉墙支护技术是在新技术的推动下而发展起来的新型支护技术。该技术主要是将水泥搅拌桩作为止水帷幕，之后和传统的土钉相结合，在深基坑支护工程项目的应用中，发挥着良好的作用。特点：（1）能够有效地缩短建筑工程的建设工期，将施工进度控制在规定的范围内（2）该技术具有变形较小的特点，在应用中能够更好的发挥其止水和支护的作用，尤其是在软土地基的施工中有着更为关键的作用。,水泥土桩,水泥土桩复合土钉支护,八、土钉基坑支护常见问题及处理方法,虽然土钉支护工程施工工艺简单,但在施工过程中对出现的问题如不进行及时有效处理,则很容易出现基坑安全事故。土钉支护施工经常会因为地层中地质条件变化遇到以下问题:(1)开挖遇防空洞(2)土钉遇管线(3)土钉成孔遇基础(4)遇特殊性地层(软土层、松散填土层、松散砂层)(5)局部坍塌(6)局部渗漏严重(7)遇机械超挖(8)喷射砼过程堵管,（1）开挖遇防空洞的处理。在老城区中进行土钉支护施工时,经常会遇到防空洞等地下建筑物,因防空洞已能承受其范围内土压力,如防空洞结构完整,则防空洞内空间无需进行处理,但必须做好防空洞内的排水,对于防空洞的外侧可按原设计进行施工;(2)土钉遇管线的处理。城区土钉支护施工,不可避免地遇到地下管线,如土钉遇管线,则可以通过调整土钉倾角或调整土钉位置(水平间距及排距),并适当增加土钉长度,如土钉排距过大,则可在两排土钉之间适当增加一排锚拉土钉(摩擦土钉);,(3)土钉成孔遇基础的处理。城区土钉支护施工,首排土钉经常会遇到邻近建筑物的旧基础而无法达到设计要求孔深,遇到此问题则可降低首排土钉位置及适当增加土钉数量,并可通过在土钉钢筋网中加入48厚壁钢管提高支护体的刚度以减少上部土体变形;,处理方法：,(4)遇特殊性地层(软土层、松散填土层、松散砂层)的处理。土钉支护施工过程中,如遇特殊地层,开挖前应进行超前支护,即采用钢管或钢花管垂直打入边坡进行注浆处理。施工中如遇软土层,因其土体自稳性差,成孔时易塌孔,因此施工时应分小段跳挖(510m),并且土方开挖至土钉支护完成时间尽可能短。(5)局部坍塌的处理。对于土钉支护施工局部坍塌处理,首先在局部坍塌处的周围安装泄水管46个,将该薄弱地质环节处的地下水引流出来,降低地下水位,减小水头差,待该塌方处理稳定后,垂直于坡面向边坡土层中打入适量的短木桩或短钢筋头,然后自下向上填筑石块或砌筑砖块挡土墙,一边砌筑挡土墙,一边向内部填筑土方,从而达到堵封局部洞穴的目的,便于基坑土钉支护施工;,(6)局部渗漏严重的处理。在基坑开挖过程中,局部可能会因为地质条件差,地下水位高,渗漏严重形成管涌,若出现了管涌现象,应先在管涌处周围用洛阳铲打46个泄水孔,并安装泄水管,将管涌处周围的地下水排出,降低水头差,再用打圆木桩的方法堵封管涌口,堵封时可以适当放入一些稻草或水泥纸袋;,(8)喷射砼过程堵管的处理。方法是晴天时购进砂、石料,并提前23d备料,便于砂、石料中的水份滤出去;另外在雨天时,一定要将砂、碎石等用彩条尼龙布覆盖,避免砂、碎石被雨水淋湿。另一种处理方法,堵管后,及时停止喷砼机运行,人工用铁锤或木条敲打喷砼管,自出料口开始,一边敲打,一边抖落管中已松动的干搅砼料,直到全部的管路通畅后再开始喷砼施工。,（7）超挖形成洞穴的处理。对基坑的土方开挖是先进行机械开挖,后进行人工修整,而且多在夜间开挖土方,并且挖土机开挖时间照明光度较弱,常常会出现超挖的现象,使基坑局部形成洞穴。处理方法是先将超挖部分砌筑挡土墙,一边砌挡土墙,一边填土于洞穴中,直至该洞穴完全填平为止。若超挖量不多,则可以采用垂直于坡面打入适量的短钢筋头,再采用分层分级喷砼的工艺进行填补凹陷处;,九、基坑工程事故问题原因分析及防范措施,伴随着城市高层建筑和地下工程的日益发展,基坑工程的数量迅速增加,基坑围护体系的设计计算方法、施工技术、监测手段以及基坑工程理论在我国有了很大的进步。但由于基坑工程的区域性、个体差异性、复杂性及不确定性,基坑工程中发生事故的概率往往大于主体工程。据有关资料统计,深基坑工程事故的发生率一般约占基坑工程数量的20%左右,有的城市甚至占30%左右。,青海西宁市319较大事故,1、工程勘察资料及结论不准确,勘察资料及结论是设计的基本依据。勘察资料不详、不准、疏漏、失误,勘察结论不完备、不准确、不正确,势必为基坑支护工程潜伏下事故隐患。例如某工业大楼深基坑,因地质资料仅仅评价了基础桩范围内土层，略去了对-6m以上淤泥层强度指标的正确评价,而淤泥层正是基坑支护桩上主动土压力的主要土层,设计时也未做补充勘查。结果造成支护体系滑移、倾斜,基坑内大量涌土,基坑外土体滑塌,邻近生产厂房外墙开裂等重大事故。,未探测基坑周边环境,防范措施：重视地质勘察工作,特别要重视深基坑开挖所在地段的地形、地貌、水文和工程地质特点的查勘。对不符合要求的勘察资料,不得进行深基坑支护的设计与施工。,2、支护方案选择不当,基坑支护方案的选择,取决于基坑实际开挖的深度、地基土的物理力学性质、地下水位、周围环境、设计变形要求以及施工条件等诸多因素,任一因素考虑不周或疏忽都有可能造成严重后果。比如海口市机场东路宇海宾馆基坑工程,坑深8m,采用喷锚支护。当开挖至基底时,其南侧某旅行社的三层砖混结构突然发出断裂响声,结果该旅行社楼房全部滑入坑内,专家分析主要原因便是支护方案选择不当。,防范措施：基坑工程要做到精心设计,确保安全可靠。设计计算要全面分析,避免漏项,选用合适的受力模型,准确选取计算参数,应考虑各种不利条件下的情况。,3、设计的安全储备小,为了追求经济性,过大地折减主动土压力，减小支护结构配筋;验算中使用的安全系数过小,最后导致支护结构较大变形、滑坡、管涌、流砂等事故。例如长春新世界广场的基坑工程,坑深16m,桩锚支护,二层拉锚。基坑开挖至坑底后,基坑东南角部分桩下部折断而造成塌方;西南角部分桩严重变形。其主要原因便是桩抗弯安全系数取值小于1。,防范措施：鉴于基坑工程的复杂性和高风险性,要求决策者掌握本地区或类似条件下的成功经验与失败教训,根据自身工程要求和条件综合考虑,做出一个安全、可靠、经济的包括围护结构选型、设计、土方开挖、控水、地基加固等内容的整体方案。,锚索与支护桩脱离,C正常使用极限状态下支护结构位移或建筑物基础、地面沉降的限值。土内摩擦角,4、防水、降排水措施不当,地面防排水措施不完善,大量雨水渗入或地下水管渗漏,从而导致土体C和值下降;基坑降水时未做止水帷幕或止水帷幕不连续、不封