土钉支护技术在贵阳的发展及运用

　　摘要：土钉支护技术是用于土体开挖和边坡稳定的一种新的挡土技术，由于其经济、可靠、适用性强且施工快速简便，自90年代以来在我国得到迅速推广和应用。本文总结了土钉支护的优、缺点，并对土钉施工及容易出现的问题进行了分析。
　　关键词：土钉支护；土体开挖；边坡稳定；施工方法
　　贵阳处于贵州高原中部，属北亚热带，冬春半干燥夏季湿润型气候，年平均气温15.3度，年平均降水量1174.7mm，主要分布于4~10月份，区内地表层主要由红粘土构成，土黄色，粘性较好。区内地下水较丰富。地下水补给主要来源于大气降水，地震基本烈度为Ⅵ度。
　　贵阳地区主要土质以红粘土为主，红粘土是碳酸盐岩系出露区的岩石，经过更新世以来在湿热的环境中，由岩变土一系列的红土化作用，形成并覆盖于基岩上，呈棕红、褐黄等色的高塑性粘土。其土性特征是液限wl大于50，湿度状态的垂向变化有明显上部硬下部软的规律，失水后具有较大收缩性，土体中裂隙发育等。
　　和我国其他城市一样，贵阳的围护方法(除自然放坡外)粗略地分为以下四类：
　　1．传统方法
　　桩：人工挖孔桩、机械钻孔桩、预制钢筋混凝土桩、搅拌桩
　　板：槽钢钢板桩、工字钢板桩
　　墙：地下连续墙
　　管：钢管桩
　　撑：（1）钢支撑：槽钢支撑、工字钢支撑、钢管撑；
　　（2）木支撑；
　　（3）砂袋堆撑
　　2．改良方法：桩锚、板锚、墙锚、管锚、撑锚
　　3．土钉支护法
　　4．其他方法
　　在90年代以前，贵阳地区建筑工程中多采用传统方法，传统方法(桩、板、墙、管、撑等)受力明确，易于设计，设备简单，便于操作，工序简化，易于施作。在工程地质条件较好，或基坑较浅(4~9m)时，仍常见这类方法的应用。自90年代贵阳老城改建项目开展以后，贵阳市工程建设如火如荼，高层建筑和基础设施建设大规模兴起，贵阳的工程建设项目呈现出如下特点：因为地皮金贵，或为了使用方便，或为了符合建管规定及人防需要，建筑投资者不得不向地下和地上发展,基坑（或边坡）开挖项目愈来愈多，基坑越挖越深。
　　土钉技术具有许多独特的优点：
　　（1）材料用量和工程量少。土钉支护的土方开挖量和混凝土工程量较少，全部土钉连同面层钢筋网的用钢量也甚为有限。
　　（2）施工期短。不需要单独施工工期，而是和土方开挖平行作业。可夜间挖土，白天支护，施工互不影响。
　　（3）施工设备轻便，操作方法简单。土钉的制作与成孔不需复杂的技术和大型机械设施，施工方法有较大灵活性。
　　（4）施工时对环境的干扰小，减少环境污染，特别适合于城市地区施工。
　　（5）对场地土层的适应性强。土钉支护特别适合于有一定粘性的砂土、粉土、硬塑与干硬粘土，但即使有局部的软塑粘性土层，在采取一定措施后也有可能采用土钉支护。当场地同时存在土层和不同风化程度的岩体时，应用土钉支护特别有利。
　　（6）结构轻巧，柔性大，有很好的延性。土钉支护自重小，不需作专门的基础结构，并具有非常良好的抗地震及抗车辆振动的能力。土钉支护即使破坏，一般也不至于发生彻底倒塌，并在破坏前有一个变形发展过程。
　　（7）施工所需的场地较小，能紧贴已有建筑物进行基坑开挖，这是桩、墙等其他支护难以做到的。
　　（8）安全可靠。土钉支护施工采用边挖边支护，安全程度较高；由于土钉数量众多并作为群体起作用，即使个别土钉出现质量问题或失效对整体影响不大。土钉技术还有一个非常重要的优点是随时可以根据现场开挖发现的土质情况和现场监测的土体变形数据，修改土钉的间距和长度，万一出现不利情况，也能及时采取措施加固，避免出现大的事故。土钉支护施工在与现场量测监控结合的前提下，比其他支护有更高的安全度。
　　（9）经济。我国由于人工费用相对低廉，机械设备的台班费用昂贵，所以土钉支护比起灌注桩等支护约可节约造价1/3-2/3。
　　支护的变形性能对城市地区基坑开挖至关重要。现场实测表明，土钉支护的最大位移量仍与撑式桩墙支护相当，但比预应力锚杆支护稍大。虽然土钉需要土体发生变形才能被动工作，但土钉支护在施工时甚少扰动土体并能快速给土体以支护。当复合使用微型桩或提前对土体注浆加固时，土钉支护的最大位移可以控制得很小。
　　所谓“土钉”（SoilNails，源自法文C1ouagedeSol），就是置入于现场原位土体中以较密间距排列的细长杆件，如钢筋或钢管等，通常还外裹水泥砂浆或水泥净浆浆体（注浆钉）。土钉的特点是沿通长与周围土体接触，以群体起作用，与周围土体形成一个组合体，在土体发生变形的条件下，通过与土体接触界面上的粘结力或摩擦力，使土钉被动受拉，并主要通过受拉工作给土体以约束加固或使其稳定。
　　土钉支护的应用范围甚广，主要有：
　　（1）作为土体开挖临时支护，用于高层建筑、地下结构等深基坑开挖，土坡开挖等。
　　（2）作为永久性挡土结构，一般与施工开挖时的临时支护相结合，如隧道洞门的上端挡墙和洞口二侧挡墙，路堑路堤的土坡挡墙、桥台挡墙等。
　　（3）现有挡土墙的修理加固和各类临时支护发生失稳时的抢险加固。
　　（4）边坡加固。
　　土钉墙施工过程包括以下几个方面。
　　1.作业面开挖
　　土钉墙施工是随着工作面开挖分层施工的，每层开挖的最大高度取决于该土体可以站立而不破坏的能力，在砂性土中每层开挖高度为0.5~2.0m，在粘性土中每次开挖高度可按下式估算：
　　h＝2c/（γ•tg（45o－φ/2））
　　式中
　　h—每层开挖深度（m）；
　　c—土的粘聚力（直剪快剪）（kPa）；
　　γ—土的重度（kN/m3）；
　　φ—土的内摩擦角（直剪快剪）（o）。
　　开挖高度一般与土钉竖向间距相匹配，便于土钉施工。每层开挖的纵向长度，取决于交叉施工期间保持坡面稳定的坡面面积和施工流程的相互衔接，长度一般为10m。使用的开挖施工设备必须能挖出光滑规则的斜坡面，最大限度地减少对支护土层的扰动。松动部分在坡面支护前必须予以清除。对松散的或干燥的无粘性土，尤其是当坡面受到外来振动时，要先行进行灌浆处理，在附近爆破可能产生的影响也必须予以考虑。在用挖土机挖土时，应辅以人工修整。
　　2.喷射混凝土面层
　　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，可以在安设土钉之前做，也可以在放置土钉之后做。对于临时性支护来说，面层可以做一层，厚度50~150mm，而对永久性支护则多用两层或三层，厚度为100~300mm。喷射混凝土强度等级不应低于C15，混凝土中水泥含量不宜低于400kg/m3。喷射混凝土最大骨料尺寸不宜大于15mm，通常为10mm。两次喷射作业应留一定的时间间隔，为使施工搭接方便，每层下部300mm暂不喷射，并做45度的斜面形状，为了使土钉同面层能很好地连接成整体，一般在面层与土钉交接中间加一块150mm×150mm×10m或200mm×200mm×12mm的承压板，承压板后一般放置4~8根加强钢筋。在喷射凝土中，应配置一定数量的钢筋网，钢筋网能对面层起加强作用，并对调整面层应力有着重要的意义。钢筋网间距通常双向均为200~300mm，钢筋直径为6~10，在喷射混凝土面层中配置1~2层。
　　3.排降水措施
　　当地下水位较高时，应采取人工降低地下水措施，一般沿坡顶每隔10m左右设置一个降水井，常采用管井井点降水法，效果比较好。在降水的同时，也要做好坡顶、坡面和坡底的排水.应提前沿坡顶挖设排水沟，并在坡顶一定范围内用混凝土或砂浆护面以排除地表水。坡面排水可在喷射混凝土面层中设置排水管，一般使用300~500mm长的带孔塑料管子，向上倾斜5o~10o，排除面层后的积水。在坡底设置排水沟和积水坑，将排入积水坑的水及时抽走。
　　土钉施工包括定位、成孔、置筋、注浆等工序。
　　1．成孔
　　成孔工艺和方法与土层条件、机具装备和施工单位的手段和经验有关。当前国内大多数采用螺旋钻、洛阳铲等干法成孔设备，也可使用如YTN—87型土锚专用钻机成孔。由于土钉往往要在脚手架上施工，且钻孔长度较短，要求使用重量轻、易操作及搬运的钻机。为满足土钉钻孔的要求，可选用KHYD40KBA型岩石电钻，配置75的麻花钻杆，每节钻杆长1.5m，钻机整机重量40kg，搬运操作非常方便，钻孔速度0.2~0.5m／min，工效较高，适合于土钉施工。
　　依据土层锚杆的经验，孔壁“抹光”会降低浆土的粘结作用，当采用回转或冲击回转方法成孔时，不要采用膨润土或其他悬浮泥浆做钻进护壁。
　　显然，在用打入法设置土钉时，不需要进行预先钻孔。在条件适宜时，安装速度是很快的。直接打入土钉的办法对含块石的土是不适宜的，在松散的弱胶结粒状土中应用时要谨慎，以免引起土钉周围土体局部结构破坏，而降低土钉与土体间的粘结力。
　　2．置筋
　　在置筋前，最好采用压缩空气将孔内残留及扰动的废土清除干净。土钉的钢筋一般采用I级螺纹钢筋，为保证钢筋在孔中的位置，在钢筋上每隔2~3m焊置一个定位架。
　　3．注浆
　　土钉注浆可采用注浆泵或砂浆泵灌注，浆液采用纯水泥浆或水泥砂浆。纯水泥浆可用425号普通硅酸盐水泥，用搅拌装置按水灰比0.45左右搅拌，水泥砂浆采用l.2至l.3的配合比，用砂浆搅拌机搅拌，再采用注浆泵或灰浆泵进行常压或高压注浆。为保证土钉与周围土体紧密结合，在孔口处设置止浆塞并旋紧，使其与孔壁紧密贴合。在止浆塞上将注浆管插入注浆口，深入至孔底0.2~0.5m处，注浆管连接注浆泵，边注浆边向孔口方向拨管，直至注满为止，放松止浆塞，将注浆管与止浆塞拔出，用粘性土或水泥砼浆充填孔口。为防止水泥砂浆或水泥浆在硬化过程中产生干缩裂缝，提高其防腐性能，保证浆体与周围土壁的紧密粘合，可掺入一定量的膨胀剂。具体掺入量由试验确定，以满足补偿收缩为准。为提高水泥砂浆或水泥浆的早期强度，加速硬化，可掺入速凝刑或早强剂。
　　另外，国外报道了具有高速的土钉施工专利方法——“喷栓”系统。它是利用高达20MPa的高压力，通过钉尖的小孔进行喷射，将土钉安装或打入土中，喷出的浆液如同润滑剂一样有利于土钉的贯入，在其凝固后还可提供较高的钉土粘结力。
　　土钉防腐:
　　在正常环境条件下，对临时性支护工程，一般仅由砂浆做锈蚀防护层，有时可在钢筋表面掺一层防锈涂料；对永久性工程，可在钢筋外加环状塑料保护层或涂多层防腐涂料，以提高钢筋锈蚀防护的能力。
　　边坡表面处理:
　　对临时支护的土钉墙工程来说，只要求喷射混凝土同边坡面很好地粘结在一起就行了，而对永久性工程来说，边坡表面还必须考虑美观的要求，有时使用预制的面板或喷涂。
　　质量检验与监测:土钉墙工程质量检验包括土钉的基本抗拨力试验、土钉抗拔力检验试验、原材料的进场检验、喷射混凝土面层强度和厚度检验等。
　　当然，土钉支护也有其缺点和局限性，主要是：
　　（1）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，则在施工时有相互干扰的可能。
　　（2）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。
　　鉴于土工的现场特点千变万化，在应用土钉技术时应特别重视以下问题：（1）必顺有详细的工程地质资料。主钉的间距、长度的设计和土钉灌浆量的确定均与各层土的物理力学性质、地层的渗透性密切相关。对于地层变化较大的场地，土钉密度要呈非均匀布置，必要时要采取特殊的补强措施加固薄弱的部位。（2）查清基坑周边的地下管线和已有建筑物的基础形式及影响土钉施工的障碍体。（3）设置好基坑周边地表水体排水系统，防止地表水排入基坑边坡而影响其稳定性。（4）施工过程必须自始至终与现场的测试监控相结合，通过变形等量测数据和施工过程中不断发掘的现场地质情况，及时反馈修改设计并指导下一步的施工。（5）设计施工文件中要规定控制支护变形的具体措施。比如：限制每步作业的开挖深度和安排合理的挖土工序；限制边坡开挖面的裸露时间，尽快加以支护；加快注浆和喷混凝土早期强度的发展等。（6）基于设计与施工的紧密联系，土钉支护与施工宜统一由支护施工承包单位负责。一般可由发包单位提出设计的初步方案，由施工承包单位完成详细的初步设计，并交发包单位或第三方审查。完成初步设计所需的地质勘察资料常由发包方提供，但施工单位应对此作必要的复查与补充，并承担因勘察资料不全或数据有误而导致工期延误或损失的责任，这些在合同文件中要有明确规定。
　　纵观各种支（围）护方法现状，本人认为各种支护方法的发展将会出现以下趋势：
　　（1）随着国家经济建设发展，在5~15年时间内，由于房地产开发使基坑支护工程所暴露出的问题也将更多更复杂，各种围护方法并存局面将继续维持较长时期。
　　（2）传统方法的应用范围和工程应用概率将急剧减少。
　　（3）改良方法在土钉支护法已推广开来的地区将出现应用范围及工程采用概率缩小的趋势，但在未推广土钉支护法的地区会继续发展。
　　（4）土钉支护技术将在更大范围内得到推广应用，出现逐步取代传统方法和改良方法的趋势。尽管人们对该方法尚因不甚了解而持有疑义或异议，还在等待和观望，尽管该方法本身从设计计算理论到施工工艺及专用设备机具尚有若干需探讨、改进和完善之处，理论落后于实践的情况十分突出，尚需编制相应的可资遵循的设计、施工规范和规定，亟需培训专业设计、建设及管理工程技术人员和专业施工队伍，致使其推广应用的速度和范围受到一定影响。但随着采用该方法所建造的工程越来越多，随着各级政府机关和许多建筑工程界著名专家、学者大力支持和倡导，在经受市场经济优胜劣汰的选择和考验中，土钉支护技术将以更快速度在全国范围内逐步取代传统方法和改良方法，这是总的趋势。