12米深基坑土钉支护技术的应用

12 米深基坑土钉支护技术的应用 宗和青 江苏省江建集团有限公司 提要 本文摘要介绍了深基坑土钉支护技术的运用 阐述了从设计方案到施工中难点对策以 及确保土钉墙稳定的安全测试 一 概述 随着我国西部大开发的速度和力度加大 西宁高层建筑越来越多 建筑物基础也 越建越深 对深基坑的开挖支护技术也提出新的要求 西宁在 2000 年以前高层较少 基础开挖深度较浅 所以基础支护多以放坡开挖或悬臂式桩支护为主 随着高层逐年增 多 基坑开挖逐渐加深 且城市建筑密度日趋增大 基坑支护再以放坡开挖或悬臂式桩 支护已不再经济并难以满足要求 从而基坑支护采用土钉支护技术 其技术给深基坑的 开挖带来了巨大的经济效益和社会效益 因为该技术不需要独立的施工工期 可以随挖 土方同步施工 施工速度快且经济 故在西宁地区推广较快 本文通过西宁某工程实例 对土钉支护在西北地区 尤其是西宁的施工方法技术 进行介绍 二 工程概况 青海省电力公司调度通讯楼及住宅楼位于青海省西宁市胜利路 87 号 通讯楼 26 层 住宅楼 32 层 裙楼为 5 层 两层地下室 基坑为不规则 5 边形 基坑周长为 415 米 最长边为 87 米 基坑标高分别为 11 8 米 12 米 由于该场地南高北低 高差为 2 米 支护深度为 11 8 米 10 米两种 其中 11 8 米的部位长度为 87 米 该基坑北侧 相距三层建筑物住房约 3 米 西侧距新宁路约 15 米远 东侧距洋嘉房地产办公楼约 8 米 南侧情况较为复杂 南侧东段距基坑 1 米处为简易一层平房 中段距离基坑 1 5 米 处为 7 层砖混建筑物 西段距基坑 6 米处为 7 层砖混建筑物 基坑平面及周围环境如图 1 所示 图 1 基坑总平面图 三 场地工程地质条件 根据地勘 本拟建场地有素填土 湿陷性黄土状土 饱和黄土状土 卵石 第三 系泥岩等组成 详述土层特征如下 1 素填土 红褐色 褐灰色 稍湿 松散 稍密 厚度 0 30 2 80 米不等 2 杂填土 仅分布于拟建场地的北面中 其成分以建筑垃圾为主 厚度 2 40 3 30 米不等 1 湿陷性黄土状土 上部为褐红色 中部为灰绿色 下部为褐灰色 其成分以 粉土 粉质粘土为主 属中压缩性土 具湿陷性 埋深 0 20 3 30 米 层厚 1 10 4 00 米 2 饱和黄土状土 灰绿色 褐灰色 其成分以粉土 粉质粘土为主 属中压缩 性土 不具湿陷性 埋深 2 50 4 00 米 层厚 0 40 1 60 米 1 卵石 中密 其成分以卵石为主占全重的 51 8 70 2 充填物为砾粒 砂 粒为主 该层埋深 3 70 5 60 米 厚度为 0 70 4 20 米 1 强风化泥岩 褐红色 稍湿 硬塑 坚硬 其成分以粘土为主 次为粉粒 还少量沙粒及碎屑矿物 呈强风化 该层埋深 5 30 8 80 米 厚度为 1 70 3 70 米 2 中风化泥岩含膏泥岩 褐红色 灰绿色 属极软岩石 该层埋深 7 50 10 50 米 控制厚度为 14 8 17 40 米 场地水文地质条件 场地有地下水揭露 初见水位和稳定水位埋深在 3 50 5 25 米 属孔隙性潜水 无承压 含水层为第四系全新统冲洪积的卵石层 含水层厚度为 1 20 3 45 米 流向由南向北和由西向东 湟水河河水补给地下水 根据以上土质情况的分析 地下水位上为饱和黄状土 地下水位下为卵石及第三 系泥岩 采用边基坑开挖也采用土钉支护的方式进行基坑围护 经济适用并稳定可靠 四 基坑支护及降水方案 1 基坑设计原则及依据 根据 基坑土钉支护设计规程 SECS96 97 土钉 喷锚网 支护设计与施工 及建设单位提供的拟建场地勘查报告 本着确保基坑安全稳定的条件下 尽量降低工程 费用 保证工程安全 减小对周边环境的影响 施工工艺简便可行 尽量缩短施工工期 2 基坑特点分析 该基坑主要有以下特点 1 基坑开挖面积大且深 开挖面积约 8000 平方 最大实际开挖深度为 11 8 米 同时由于现场场地不平整 南高北低造成基坑内各片开挖支护深度不一 2 基坑地处西宁主干道交汇处 且相邻建筑物等环境比较复杂 3 基坑地下水水位于 3 5 5 25 米处 其含水层为卵石层 厚度为 1 2 3 45 米 卵石层埋深为 5 6 6 5 米 隔水层为强风化泥岩 单独采用管井降水 无法 满足基坑无水要求 故基坑降水方式选用管井井点与泥岩顶部明排相结合的降水方式 3 基坑支护设计 1 基坑支护设计计算 本基坑支护坡度按 2 2m 考虑 即上部 7m 按 1 0 1 放坡 中间设宽约 1m 的截水沟 下部 5m 仍按 1 0 1 放坡 见图 2 计算简化为统一坡度斜面 考虑到拟建建筑物地质 条件较为平均 在设计计算上有一致性 故采用统一剖面对其进行基坑边坡稳定性计算 天然土体稳定性和加固后的土体稳定性计算 主要考虑以下几个问题 a 基坑四周荷载取 15KN m2 b 基坑开挖涉及各地层厚度可简化取值 土力学参数取值 见表 1 c 计算安全等级取值为一级 表 1 土力学参数表 参 数 地 层 KN m3 C KPa H m 粉 土 17 016 024 04 2 卵 石 21 05 040 02 8 泥质页岩 20 028 030 05 0 计算模型采用 a 基坑边坡潜在滑移面按坡脚圆弧进行分析 b 考虑土体为变形体 土钉同时受拉力和剪力作用 c 计算极限平衡条件下所需总锚固力和总不平衡力矩 d 分析基坑边壁的局部稳定性 整体稳定性和施工过程稳定性 根据上述计算模型及土力学参数进行稳定性计算 支护前安全稳定系数分别为 0 8 不稳定 支护后安全稳定系数分别为 1 2 稳定 图 2 基坑支护剖面图 2 基坑支护设计 虽然基坑的深度不统一 但是拟建场地土层分布均匀 故设计上按一个剖面设计 根据地质条件 在土层中采用密排土钉 增加侧向支护抗力 限制地表变形 考虑到地 下管线一般埋深为 1 5 米左右 第一排土钉设计深度为 1 6 米 由于土层厚度为 4 2 米 故第二 三排设计排距为 1 3 米 第一排土钉按 9 0 米 10 0 米间隔施工 以有效消 除应力集中 破坏边坡深层滑移线 在基坑支护中第四排加竖向微型钢管 形成复合土 钉支护 以有效防止截水沟对上部坡脚的侵蚀 在第五排采用加密土钉 间距为 1 2 米 以防止排水沟对下部坡肩侵蚀 锚杆头采用单 双横筋通长连接以提高整体刚度 3 基坑降水设计 基坑降水方式选用管井井点与泥岩顶部明排相结合的降水方式 见图 3 4 图 3 基坑降水井平面布置图 图 4 降水系统剖面图 五 基坑支护施工 基坑支护工程流程如下 清理边坡 制作钢筋网 制作土钉 成 孔 铺设钢筋网 焊接加强钢筋 拌 料 喷射混凝土 安放土钉 注 浆 1 清理修坡 挖掘机开挖应离边坡灰线 200mm 余下部分采用人工修坡 以保 证开挖过程少扰动边坡壁的原状土 一次开挖深度为锚杆的设计层间距加 0 50 0 70 米 正面宽度不宜超过 20 0 米 2 成孔 按设计所确定的孔位 孔径 孔深及倾斜度成孔 在土层上成孔采用 洛阳铲 在卵石和泥岩中成孔采用 CHJ 100B 冲击器 3 注浆 采用压力泵浆 1 1 的水泥砂浆注入锚孔 注浆时先高速低压从孔底注 浆 当水泥砂浆从孔口溢出后 再低速高压从孔口注浆 注浆压力为 0 6 0 8MPa 4 编网 焊加强筋 支护护面网筋为 6 5 200 200 尔后根据设计用单 双通筋将同排锚杆头相连 5 喷射混凝土 喷射砼厚度为 8cm 强度为 C20 喷射砼配比为 水泥与砂浆重 量比为 1 2 2 水灰比宜为 0 4 0 45 根据地质条件的不同 增加添加剂 六 施工中的难点及对策 在施工过程中 基坑南侧七层楼下无法按原方案施工 因为其基础埋深较深 根 据前期利用洛阳铲对南侧住宅楼基础埋深的探测 约为 4 0 米左右 由于土层厚度为 4 2 米 可认为该住宅楼基础座落在卵石层上 故在设计上作以下变动 1 由于住宅楼对土体的侧向压力基本上可以不予考虑 故第一 二排土钉只要 施工到住宅楼边缘即可 在二 三排之间采用 人 字型斜支撑以提高短锚杆的群锚效应 2 第三排土钉按 9 0 米 8 0 米间隔施工 以有效消除应力集中 破坏边坡深 层滑移线 同时施工竖向微型桩与横向土钉相连 形成稳固的角支撑 达到稳定的施工 安全要求 3 在第五排增加一排竖向微型桩 图 5 南侧支护变更剖面图 七 基坑水平位移监测与分析 基坑开挖支护是一项综合性的岩土工程问题 它既涉及土力学中典型的强度和稳定 问题 又与变形问题密切相关 同时还涉及土与支护结构相互作用问题 基坑在开挖过程中受多种因素的影响 而且是复杂多变的 如侧向土压力 土钉内 力 土体应力应变 实际土质参数 临时堆载等 这就产生设计结果与实际状况的差别 故土钉支护监测是支护设计中的重要组成部分 通过监测 可随时掌握基坑周边环境的 变化 以及支护土体的稳定状态 安全程度和支护效果 为设计和施工提供信息 通过 信息反馈体系 可及时修改支护参数 改善施工工艺 预防事故发生 本基坑在每个支 护段中部位置设位移 沉降观测点各一个 在支护施工阶段 每点每天监测 2 3 次 若发现边坡不稳定时或有险情时隔 1 2h 监测一次 停止施工阶段 若边坡稳定可 1 3 天检测一次 基坑开挖完毕 变形趋于稳定的情况下监测逐步停止 监测内容包括以下监测项目 1 基坑支护顶部水平位移监测 2 基坑支护顶部沉降监测 3 周边建筑物倾斜监测 4 周边建筑物及公用设施的沉降监测 5 目测巡视 图 6 基坑位移观测点布置图 1 位移观测结果 表 2 位移观测表 点 位 345678910 最大变形量 3 02 02 03 01 02 01 01 0 MM 备 注基坑变形量不得大于 0 003H H 基坑高度 2 结果分析 通过观测 可以得出结论 基坑为安全的 八 土钉拉拔试验 根据土钉支护规范要求 检验土钉的受力情况 对基坑土钉进行拉拔试验 从而 对基坑安全做出评定 采用 ML seriel 锚杆拉力计 M130 型 进行拉拔试验 从基坑土钉中随机抽取 5 个点 编号为 1 5 号 该土钉拉拔试验为设计强度内检验试验 不同于土钉破坏性试 验 即采用加载到设计强度及停止试验的方式 因此 根据土钉长度对 1 5 号点进行加 载试验 试验结果均满足设计要求 表表 3 3 拉拔试验结果表拉拔试验结果表 技 术 指 标 土钉设计拉拔强度 Kpa 70土钉孔径 mm 100 土钉单位长度拉拔力 KN m 21 98土钉单位长度拉伸量3 试 验 情 况 项目试点 1试点 2试点 3 试点 4 试点 5 试点 6 土钉长度 m 10101188 土钉拉拔力 KN 211 8206 9226 6197 0197 0 土钉拉伸长度 mm 8 7517 5613 0315 3810 38 土钉单位长度拉拔 力 KN m 21 1820 6920 624 624 6 土 钉 拉 拔 试 验土钉单位长度拉伸 量 0 875 1 76 1 18 1 92 1 30 土钉拉拔强度评定结论该批土钉拉拔强度符合设计要求 评定为 合格 九 总结 采用土钉支护有如下优点 1