土钉与锚杆联合支护的设计和施工

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1、工程概况 
    该工程位于北京大学校园内，拟建建筑为24层框架结构塔楼，附设4层结构裙楼，24层塔楼基坑深度为地面以下11.3m，裙楼基坑深度为地面以下7.88m。场地地层主要有人工填土、第四纪冲洪积成因的粘性土、粉土等组成，依上而下为：
    (1) 人工堆积层（厚约2.0m） 
    (2) 砂质粉土、粘质粉土层（厚约2.0m） 
    (3) 粉质粘土、重粉质粘土层（厚约1.0m） 
    (4) 粉质粘土、粘质粉土层（厚约5.0m） 
    (5) 砂质粉土、粉砂层（厚约2.0m） 
    (6) 粘质粉土、砂质粉土层（厚约5.0m） 
    2、工程设计 
    本工程由主楼和裙楼组成，并要求在基坑四周保留一个循环车道。基坑支护设计采用了土钉墙和桩锚相结合的方案。裙楼全部采用常规土钉墙施工方案；在主楼的西南角设置16根护坡桩，其余地方采用土钉与预应力锚杆相结合的设计方案。
    (1) 降水方案：采用大口径管井和砂井相结合的降水方案。 
    主楼井深26.0 m，井距为9.00 m。自渗砂井孔深24.0 m，孔距为3.00m。 
    裙楼井深16.0 m，井距为9.00 m。自渗砂井深14.0 m，井距为3.00m。 
    (2) 基坑支护设计方案 
    a) 桩锚设计方案 
    桩顶位于地表处,桩径：φ600，桩长：16.00 m，桩中心间距：1.2m。 
    主筋： 7Φ25＋6Φ22，采用Ⅱ级热轧钢筋，通长不均匀配筋。 
    加强箍筋：Φ14＠2000；螺旋箍筋：Φ6＠200。 
    桩身使用C25砼，钢筋保护层厚度50mm。 
    锚杆位置：地面下4.50 m； 
    锚杆布置按“两桩一锚”，即锚杆间距2.4 m； 
    锚杆体自由段长度为：5.0 m； 
    锚杆锚固段长度为：17.0 m； 
    锚杆总长度为：22.00 m。 
    锚杆体选用d15普通松弛钢绞线，配置3 d15钢绞线；钢绞线抗拉强度标准值：fptk≥1570N/mm2。
    桩顶设置圈梁，圈梁为 600×400，配主筋为6φ22，在距西南角西侧和南侧各3m处设置600×400斜梁，斜梁配筋为12φ22。砼强度为C25。
    b) 主楼土钉墙设计方案 
    基坑按1:0.1放坡。 
    第一排土钉在地面以下1.50的位置。 
    第一排土钉水平间距为1.2m，其余各排土钉水平间距为1.5m，土钉垂直间距为1.5m，土钉倾角15°，土钉主筋为Φ22。
    第二、三排采用预应力锚杆，第二排预应力锚杆的锁定荷载为60KN。第三排预应力锚杆的锁定荷载为100KN。
    面层加强钢筋为Φ14，土钉成孔直径不小于100mm，面层混凝土厚度不小于100mm，土钉（锚杆）的具体长度如下： 
    第1排土钉长9.00 m 
    第2排锚杆长12.00 m 
    第3排锚杆长12.00 m 
    第4排土钉长9.00 m 
    第5排土钉长7.00 m 
    第6排土钉长6.00 m 
    第7排土钉长6.00 m。 
    c) 裙楼土钉墙设计方案 
    基坑按1:0.1放坡。 
    第一排土钉在地面以下1.50的位置。 
    第一、二排土钉水平间距为1.2m，其余各排土钉水平间距为1.5m，土钉垂直间距为1.5m，土钉倾角15°，土钉主筋为Φ22。土钉的具体长度如下：
    第1排土钉长8.00 m 
    第2排土钉长8.00 m 
    第3排土钉长7.00 m 
    第4排土钉长6.00 m 
    第5排土钉长5.00 m。 
    3、工程施工 
    (1) 降水 
    a) 主楼的降水井较深，已经进入了卵石层，而裙楼的降水较浅，没有进入卵石层。降水井点施工完成以后，经过抽降，发现主楼降水井的自渗效果较好，即使在不抽水的情况下，其水位也稳定在地面以下16m左右。而裙楼的降水井几乎没有自渗作用，接电抽水以后，经过几分种水泵即断流，说明降水井的补给供不上水泵的流量；但停泵以后，经过一段时间降水井的水位又回升上来了。
    b) 经过开挖检验，发现基槽底部没有滞水，说明降水效果良好。但在土钉锚杆施工过程中，主要是第三排锚杆和第四排土钉施工时，随着土钉深度的增加，土钉施工过程中所带出的土体由潮至湿、到最后成为稀泥，有的孔在土钉锚杆施工以后，有水从孔中流出，有的孔出水太大甚至无法注入水泥浆。在土钉墙施工完成以后，仍有5-6个锚杆孔流水，有的孔中的水流还带有压力，一会儿水量大，一会儿水量小，怎样会出现这种情况，经分析认为主要是由于土体的不均匀性、土体中存在裂隙所引起的，土钉锚杆施工时遇到了地下渗水途径很可能引起这种情况。
    (2) 支护施工 
    a) 由于锚杆较长（22 m），其长度超过了降水的有效范围，在锚杆施工过程中，当锚杆长度超过9m以后即有稀泥流出。为了保证施工质量，确保锚杆的锁定荷载，为此采取了一定措施：对设计方案作了适当修改，由原来的两桩一锚改为一桩一锚，把锚杆的锁定荷载相应降低；确保从孔底注浆，注浆时用清水把泥浆从孔底顶出，并把孔壁泥浆破坏，然后从孔底注入素水泥浆；在素水泥浆中加入适量膨胀剂，以充分破坏孔壁泥浆，确保施工锚杆能满足张拉锁定荷载的要求。
    b) 在土钉墙施工时，一定要把钢筋网片位于喷射混凝土的中间，特别对于第二、第三锚杆来说更为重要，因为锚杆需要施加预应力，如果不把钢筋网片居中，锚杆张拉锁定时，喷射混凝土面层会被压裂。
    c) 在土钉和锚杆的施工时应做好保护架的绑接、焊接工作。在降水后的土钉墙支护施工中，由于降水效果及降水有效范围的影响，土钉（锚杆）孔中往往有水及泥浆，如果土钉（锚杆）的保护架间距太大或制作不合理，往往会造成土钉（锚杆）的保护层不够，甚至根本没有保护层，土钉直接放在泥浆中，对土钉墙施工质量造成严重不良影响。
    4、出现问题的解决 
    (1) 施工过程中出现的问题 
    在主楼西南角的护坡桩施工完成以后，即开挖土方，开始土钉墙支护施工。按设计方案及施工要求，一切均顺利进行，至5月31日裙楼的第四排土钉已经完成，主楼的第五排土钉也已施工完成，经过变形观测没有发现明显的变形。在主楼第五排土钉墙施工时，由于土体的裂隙很发育，清土锚喷时出现了一定的坍塌，对此采取了一定的措施，通过减少开挖工作面，加快锚喷施工速度，使坍塌的地方及时得到了处理，并保证喷射面层的后面没有空洞存在。这时候的变形观测结果表明西侧边坡只有5mm的变形，南侧的变形较大，约有13 mm。
    1998年6月1日下了一场大雨，雨量太大，工地四周的雨水管道都满了。由于现场雨水较多，土方无法开挖，到6月3日才开挖西侧下一步土方，施工主楼第6 步土钉墙。为了防止土方开挖以后土体坍塌，连夜进行喷射施工，到凌晨 2 时才完毕。6月4日早晨6时，基坑西侧边坡外1.5 m处出现裂缝，和西侧边坡平行，从护坡桩附近一直到裙楼处，而且发展速度较快，到8时裂缝已很明显，经过经纬仪器测量发现，这时候西侧变形已有30mm左右，但沉降量更大，最大处约有100 mm左右，距离护坡桩约1.5 m的部位沉降和变形最大，向裙楼方向逐渐减少，且以4 mm/h的速度发展。经过8个小时左右的观测，发现变形速度减少了，但变形并没有稳定，最后于6月4日下午3时用挖掘机把这部分回填至地面以下6m的位置。 
    (2) 处理措施 
    事情发生后有关单位的专家对工程进行了分析讨论，认为应采取以下措施：用挖掘机把这部分进行回填，确保不出现恶性安全事故；对西侧两排锚杆重新进行锁定，以检验在如此大的变形情况下锚杆是否破坏。经过重新张拉锁定，发现西侧两排锚杆完好如初，没有发生破坏。 
    根据现场破坏情况及锚杆的检验情况，认为破坏是由于某种原因造成土钉墙局部下座、土钉墙体刚度不足以抵抗下挫力造成的。故采取了如下加固措施： 
    a) 在第二排锚杆与第三排锚杆之间及第三排锚杆下40cm，增加两排9m的土钉，土钉间距为1.2m。在护坡桩附近沉降变形最大的部位，在第二排锚杆上部40cm处增加15根土钉，并用加强筋将其连接。土钉钢筋用Φ32，加强钢筋用Φ22。 
    b) 上述两排土钉施工结束后，在原第五排每两个土钉孔的中间加一个长6 m、直径2英寸的钢管型土钉。
    c) 在施工完上述钢管型土钉后，用加强筋将其连接。然后分段向下开挖，剪开先前所挂钢筋网，清除浮土，并填实，重新挂网喷射混凝土。
    d) 在原第六排土钉与第七排土钉之间加打一排6 m长的土钉，土钉水平间距为1.2 m。土钉钢筋用Φ22。
    加固方案施工完毕以后，6月14日开挖最后一步土钉，经过变形观测发现，土方开挖完毕以后又有10mm左右的变形。但支护施工完成以后，观测没有发现明显的变形，这和预先分析的结果比较一致。 
    (3) 原因分析 
    一般情况下土钉墙支护结构的变形及破坏有以下几种：①在非预应力土钉墙支护结构中，在预定的滑裂面附近出现裂缝，这是土钉墙施工中的正常情况；②土钉墙局部发生破坏，这可能是由于喷射混凝土面层滑落造成的，也可能是由于加强钢筋焊接不牢引起的；③土钉墙整体破坏，这可能是由于土钉设计过短或别的原因引起的。但象本工程发生的破坏形式还很少见。在分析事情发生的原因时，存在着很大的争议，矛盾的焦点集中在支护模式上：一种意见认为土钉和锚杆相结合的模式在理论上行不通，土钉是非预应力的，锚杆是通过施加预应力来限制其变形的，两者是矛盾的；而且土钉（Φ22钢筋）是刚性的，锚杆（钢绞线）是揉性的。这些是引起事故的主要原因。 
    笔者认为岩土工程特别是基坑支护是一门实践性很强的学科，经验对工程设计和施工很重要。实践是检验真理的唯一标准，模式的正确与否应由实践来检验。笔者也考虑到土钉和锚杆受力原理的差异，在施工中尽可能把锚杆张拉的时间向后放，以便土体有一定的变形，土钉有一定的受力后，再进行张拉，而且第二排锚杆张拉的荷载较小，第三排锚杆张拉的荷载较大，当施工到地面以下 6.0 m时才进行了两排锚杆的张拉锁定。在同一工地，使用同一设计方案、同一施工工艺，南侧边坡完整良好，西侧边坡出现了这种破坏，笔者认为土钉和锚杆相结合的模式不是造成基坑西侧边坡下座的主要原因，在以后的施工中也证实了笔者的观点。基坑支护完成以后，施工单位在硬化基坑四周的环形路面时发现，在基坑西侧沉降变形最大的地方附近有一个雨水井，主管道一侧是通的，和别的雨水井相连，另一侧堵死了，有一个小管道直接通向基坑边坡。这种情况发现后，笔者作了认真分析，认为雨水的大量灌入是造成事情发生的主要原因。在基坑西侧1.5m以外地下有一道砖墙，可能是原先某一结构的外墙，其走向和基坑西侧边坡平行，6月1日下雨以后，雨水太大，不断有雨水经管道沿砖墙渗入地下土体之中，在雨水的浸泡之下，土体被软化，土体的凝聚力不断减小，土体强度减小到一定程度，即发生这种情况。
    5、结论 
    (1) 土钉墙支护的构造方法能最为有效的发挥现场监控和信息化施工的优点，可以根据现场挖掘和成孔过程中发现的土体实际情况与监控量测数据及时进行反馈设计并调整支护的参数和施工方案。由于土体状况多变并难以准确预测，土钉墙支护的这一优势使其具有相当高的安全可靠性。
    (2) 在有降水的基坑支护中，降水虽然能够保证基槽底部土层干燥、结构防水层顺利施工，但不能把所有的滞水全部蔬干。故在土钉墙支护设计时，应考虑降水效果，留有足够的安全系数。
    (3) 在土钉墙基坑支护施工中，水的影响因素是很大的，对基坑支护结构的安全性有重大影响。支护施工时应对基坑四周各种管道进行详细了解，切实较少各种水源对基坑支护结构的影响。
    (4) 本工程虽然出现了一些事情，但这不能否定土钉墙与锚杆相结合的模式在土钉墙基坑支护中的应用。基坑支护完成以后，经过重载及雨季的考验，南侧边坡及西侧边坡都没有明显的变形，工作状态良好，这说明设计方案及所采用的加固方案是合理的、可行的。