土钉墙技术在砂垫层地基基坑围护中的应用

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一、简述 
    现行工程中常用的复合型土钉墙支护，主要是水泥土搅拌桩与土钉墙的结合应用。其原理主要是：通过水泥土搅拌桩对边坡土体进行土体加固，解决土体自立性、隔水性以及喷射面层与土体的粘结问题；以水平向压密注浆及二次压力灌注解决土体加固及土钉抗拔问题；以相对较深的搅拌桩插入深度解决坑底的抗隆起、管涌和渗流问题，形成防渗帷幕、超前支护及土钉等组成的复合型土钉支护。因此，复合型土钉墙适用于砂性土、粉土、粘性土、淤泥土及淤泥质土。在上海各类地层中，都有成功地使用复合型土钉墙的工程实例。 
    二、工程概况 
    青浦第二自来水厂，位于青浦区西南角西大盈河畔。该项目由16个单体组成，有沉淀池、滤池、废水池、清水池等大型水池类构筑物，均采用砂垫层换填地基，基础为大板筏基。砂垫层基底标高为-5m，大板筏基基底标高为-0.3m，砂垫层厚度4.7m。该项目由西班牙德利满公司负责所有安装系统设计及设备的供应。由于系统图纸出图较晚，在沉淀池与滤池结构完成后，外方设计要求在该两个单体中间地基里增添一条Φ1000mm排泥管，排泥管埋设深度-3.8m，并在排泥管长度方向上间隔15m设置一口阀门井。为埋设此排泥管，必须在沉淀池与滤池当中的砂垫层地基里开挖沟槽。地下水位较高，为-0.7m；砂垫层采用中粗砂，密实度为1.65t/m3。所以，基坑都处于砂垫层地基中，在水头压力差作用下，极易产生流砂及管涌；在基坑边两个单体的自重荷载下，砂更无自立的可能性，极易产生坍塌。故在这种地基里，基坑围护的方案选择是非常谨慎的。 
    三、基坑围护方案 
    针对基坑支护的功能特点，结合本工程的实际情况，首先考虑对砂垫层进行土体加固，加固范围为开挖面四周。通过土体加固，一方面使被加固土体的渗透系数降至10-5~10-8cm/sec，保证土体的抗渗性能；一方面使被加固土体的强度达到1Mpa以上，保证土体的自立性和强度。由于沉淀池与滤池距离仅为4m，上空高度仅2.7m左右，基坑四周根本没有供大型桩机作业的场地，所以无法采用灌注桩、水泥土搅拌桩、旋喷桩等施工工艺来对砂垫层地基进行土体加固。唯一可行的就是采用双液注浆，浆液与砂凝结固化后成为水泥砂浆块体，强度与抗渗性能都比较好。鉴于地下水位较高，砂的渗流性较好，为保证注浆效果，决定采用分层压密注浆工艺对砂垫层进行地基加固。出于场地限制及造价上的考虑，决定采用土钉墙作为基坑的支护形式：土钉沿深度方向布置3排，间距1m，采用梅花型布置；土钉长度6.5m，采用Ф48*3.5mm国标焊接钢管。 
    从某种意义上来说，分层压密注浆与土钉墙的结合应用，形成为一种新型的复合型土钉支护。
    四、基坑围护施工 
    复合土钉墙施工工艺流程： 
    1、分层压密注浆 
    （1）定位放线：根据设计方案，确定分层压密注浆孔位，用短钢筋作好标志； 
    （2）钻孔：孔位确定后，钻机就位并安放牢固平稳，然后开始钻孔，采用干钻法，钻孔直径50mm； 
    （3）注浆：钻头钻至设计标高后，将钻杆上部（钻杆为Ф50无缝钢管）与注浆泵连接，从底部开始注浆，通过液压注浆泵将水泥浆液注入土中；钻头呈花管形式，顶端封闭，四周开直径8mm注浆小孔。每层注浆完成后，将钻杆提升0.3m，边拔边注，直至注到孔口，拔出钻头，封孔候凝； 
    （4）养护：养护时间为28天，待注浆结束28天后，方可进行土钉墙施工工作。开挖前，采用静力触探法检测注浆加固体的抗压强度。 
    2、土钉墙施工 
    （1）放线：根据设计图纸，确定基坑开挖边线，用木桩和白灰作出开挖线标记； 
    （2）土方开挖：分三次开挖，第一次至-1.8m，第二次至-2.8m，第三次至-3.8m。边开挖边支护，分层开挖，分层支护，挖完亦支护完。土方开挖必须和支护施工密切配合，前一层土钉完成注浆1天以上方可进行下一层边坡面的开挖。开挖时铲头不得撞击网壁和钉头，开挖进程和土钉墙施工形成循环作业； 
    （3）修坡：要求坡面修理平整，确保喷射砼质量； 
    （4）土钉制作、成孔：土钉按照设计方案制作，钢管四周开注浆小孔，小孔直径8 mm，小孔在钢管上呈螺旋状布置，小孔间距50 mm，钢管口部1m范围不设注浆孔，钢管末端封闭。土钉位置、间距及角度根据设计图纸要求，用空压机带动冲击器将加工好的土钉分段焊接打入土中； 
    （5）编制钢筋网：将Φ6.5钢筋拉直，钢筋网片按照设计之间距绑扎。土钉成孔后，端部用Φ16螺纹联系筋、井字加强筋焊接压在钢筋网上，使钢筋网片、土钉连成整体。土钉与加强筋、联系筋之间均焊接联接，焊缝长度符合规范要求。钢筋网编扎接长度及相临搭接接头错开长度符合规范要求，在不能满足规范要求的，必须用电焊焊接牢固。 
    （6）喷射砼：在土方开挖、修坡之后，钢筋网编焊完成后，进行混凝土喷射，一次喷射总厚度≥100mm，石子粒径5~10mm，最大粒径＜12mm，专用喷射混凝土速凝剂掺入量不小于5％。喷射砼在每一层、每一段之间的施工搭接之前，将搭接处泥土等杂质清除，确保喷射砼搭接良好，保证喷射砼质量，不发生渗漏水现象。 
    （7）土钉注浆：在面层喷射砼达到一定强度时才能注浆。对于土钉注浆，注浆前将注浆管插入土钉底部，从土钉底部注浆，边注浆边拔注浆管，再到口部压力灌浆。水泥浆按照设计拌制，搅拌充分，并用细筛网过滤，然后通过挤压泵注浆。土钉注浆通过两方面控制，一是注浆压力控制在0.1Mpa，二是单管注浆量控制在80L左右。为防止土钉端部发生渗水现象，在土钉成孔之后，喷射砼施工之前，将土钉周围用粘土及水泥袋填塞捣实，喷射砼时先将土头喷射填塞密实，注浆饱满，即可避免出现土钉头渗水现象。 
    五、基坑监测 
    信息化施工是基坑支护新技术——土钉墙支护技术的一个特点，为了确保基坑安全，不影响周围建筑物，要求随时掌握开挖及支护施工整个过程中边坡的动态变化，因此必须在支护施工过程中实施信息化施工。并把获得的信息通过修改设计反馈到施工工作中去，以指导施工。本基坑按三级基坑要求，测量内容以位移和沉降为主，数据如下： 
    1、基坑边坡的监测：沿基坑周边布置水平位移观测点和沉降观测点，每隔2米布置1点。最大水平位移值仅为3.5mm，最大沉降值为7.2 mm。位移及沉降量在土钉墙施工完成4天便趋于稳定。 
    2、沉淀池及滤池监测：沿沉淀池、滤池池壁上口每隔2米布置1沉降观测点，池壁临坑面每隔5米布置1位移观测点。最大沉降值为2.8 mm，无位移量。 
    3、开挖前，注浆加固体经静力触探法测得其平均抗压强度为1.78Mpa，证明分层压密注浆对砂垫层的加固是成功的，加固后的水泥砂浆块体强度达到了设计预测的1 Mpa的强度。 
    六、结语 
    1、针对不同的工况和地质条件，选择合适的基坑支护形式，是基坑支护设计的原则。基坑支护的本质要点就是止水挡土以供坑内安全施工，无论是重力式挡墙或非重力式挡墙均是如此，只不过采用的计算方法和施工工艺各有不同。 
    2、分层压密注浆成功的解决了砂垫层中砂的加固问题，使砂与双液浆液凝结固化为砂浆块体，即保证了地基的强度，又形成为较密实的止水帷幕。 
    3、土钉墙成功解决了基坑边坡的强度及稳定性问题。其施工周期短，与挖土同时进行，很少占独立工期。挖土与土钉支护都分层分块施工，充分发挥土体的空间支护作用，并在开挖后几个小时内封闭，边坡位移和变形及时得到约束限制。 
    4、可以看到，由分层压密注浆和土钉墙结合应用的新型复合型土钉支护在此工程中的位移变形较小，为坑内施工提供了安全的保障，是一种成功的基坑围护体系。 
    5、该支护体系成本低，仅为水泥土搅拌桩土钉墙造价的75%，值得在其他中浅基坑围护中推广应用。