复合式土钉墙工作机理及适用范围

土钉墙由原位土体、设置在土中的土钉和喷射混凝土面层组成。通过土钉、墙面与原状土体的共同作用，形成以主动制约机制为基础的复合体，具有明显提高边坡土体的结构强度和抗变形能力，减小土体侧向变形，增强整体稳定性的特点。因此其支护效果主要由土钉的长度、设置密度、土钉的抗拉抗弯和抗剪强度、土钉与土体的粘结强度、面墙刚度、土钉与面墙结合程度、原状土体性状、坡顶荷载、开挖深度等因素综合决定。

土钉墙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的基坑支护或边坡加固。土钉墙宜用于深度不大于18 m的基坑支护或边坡加固,当土钉墙与有限放坡、预应力锚杆联合使用时, 深度可增加。土钉墙不宜用于含水丰富的粉细砂层、砂砾卵石层和淤泥质土, 不宜用于没有自稳能力的淤泥和饱和软弱土层。若在软土中应用土钉墙需特别谨慎,在国内已有土钉墙用于软土的一些成功实例,且造价便宜。但是,在软土中土钉墙也出现了由于设计不当而失败的例子, 因此, 不能只考虑经济而忽视安全问题,要根据具体情况决定。可以结合使用其他支护形式(如水泥土搅拌桩、钻孔灌注桩) , 这样既可以降低造价,也可以保证基坑开挖围护结构的安全。

(1)开挖深度不超过15m的各种基坑。

(2)淤泥质土、人工填土、砂性土、粉土、黏性土等土层。

(3)多个工程领域的基坑及边坡工程。

已应用的典型工程

北京奥运媒体村、深圳的长城盛世家园二期(深14.2~21.7m)、赛格群星广场基坑(深13m)、捷美中心(深16.0m)、广州地铁新港站(深9~14.1m)、上海西门广场、华敏世纪广场等一批深8~10m处于厚层软土中的基坑等。

(1)复合土钉墙中的预应力锚杆指:锚索、锚杆机锚管等。

(2)复合土钉墙中的止水帷幕形成方法有:水泥土搅拌法、高压喷射注浆法、灌浆法、地下连续墙法、微型桩法、钻孔咬合桩法、冲孔水泥土咬合桩法等。

(3)复合土钉墙中的微型桩是一种广义上的概念，构件或做法如下:

①直径不大于400mm的混凝土灌注桩，受力筋可为钢筋笼或型钢、钢管等。

②作为超前支护构件直接打入土中的角钢、工字钢、H形钢等各种型钢、钢管、木桩等。

③直径不大于400mm的预制钢筋混凝土圆桩，边长不大于400mm的预制方桩。

④在止水帷幕中插入型钢或钢管等劲性材料等。

(3)土钉墙、水泥土搅拌桩、预应力锚杆、微型桩等按《建筑基坑支护技术规程》JGJ120、《基坑土钉支护技术规程》CECS96等现行技术标准设计施工。

土钉墙支护技术是由被加固土体、设置在土体中的土钉和喷射砼面层组成，主要用于基坑支护工程;新型复合土钉墙技术是将土钉墙与深层搅拌桩、旋喷桩、树根桩、钢管土钉及预应力锚杆结合起来，通过多种组合，形成复合基坑支护技术，大大扩展了土钉墙支护的应用范围。

复合土钉墙支护具有轻型，机动灵活，适用范围广、造价低、工期短、安全可靠等特点，支护能力强，可作超前支护，并兼备支护、截水等效果。在实际工程中，组成复合土钉墙的各项技术可根据工程需要进行灵活的有机结合，形式多样，复合土钉墙是一项技术先进、施工简便、经济合理、综合性能突出的基坑支护技术。

复合土钉墙是将土钉墙与一种或几种单项支护技术或截水技术有机组合成的复合支护体系，它的构成要素主要有土钉、预应力锚杆、截水帷幕、微型桩、挂网喷射混凝土面层、原位土体等。

原材料质量的优劣，对土钉墙质量的影响极大。为了保证原材料的质量合格，对每批进场的原材料(钢筋、水泥、砂、石等)，要按规定进行取样检测，检测合格后方可使用。

土钉钢筋和面层网筋的强度必须满足规范要求。为增强土钉钢筋与砂浆(细石混凝土)的握裹力，土钉钢筋采用HRB335级或HRB400级热轧变形钢筋，直径在18-32mm的范围内。钢筋网宜采用HPB235级钢筋，钢筋直径宜为6-1Omm，钢筋网间距宜为150-300mm。

水泥品种和标号的选择主要应满足工程使用要求。当加入速凝剂时，还应考虑水泥与速凝剂的相容性。喷射混凝土应优先选用强度等级不低于32.5 的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，因为这两种水泥的C3S和C3A含量较高，同速凝剂的相容性好，能速凝、快硬，后期强度也较高。

砂、石子:采用细度模数不小于2.3的中砂和粒径不大于12 mm的细石。砂含泥量不大于3%，石子含泥量不大于2%。石子采用卵石或碎石均可，但以卵石为好。骨料级配对喷射混凝土拌合物的可泵性、通过管道的流动性、在喷嘴处的水化和对受喷面的粘附，以及最终产品的表观密度都有重要影响，为取得最大的表观密度，应避免使用间断级配的骨料。

编制施工方案及施工准备--工作面开挖-清理边坡-孔位布点-成孔-安设土钉钢筋-注浆-铺设钢筋网-喷射混凝土面层-开挖下一步。

根据不同土性特点和支护构造方法，上述个别顺序可以变化。

土钉支护应按设计规定的分层开挖深度按作业顺序施工，在完成上层作业面的土钉与喷混凝土以前，不得进行下一层深度的开挖。当基坑面积较大时允许在距离四周边坡8-10m的基坑中部自由开挖，但应注意与分层作业区的开挖相协调。支护分层开挖深度和施工的作业顺序应保证修整后的裸露边坡能在规定的时间内保持自立并在限定的时间内完成支护，即及时设置土钉和喷射混凝土。基坑在水平方向的开挖也应分段进行，可按10-20m分段。

基坑开挖后，基坑的边壁宜采用小型机具或铲锹进行切削清坡，以达到设计规定的坡度。

土钉成孔前，应按设计要求定出孔位并作出标记和编号。

根据设计要求的平面位置，孔深，下倾角，孔径，选择合理的钻孔设备，人工成孔常采用洛阳铲成孔。孔径、孔深、孔距、倾角必须满足设计要求，其偏差值不大于《基坑土钉支护技术规程》CECS96:97中的规定。

成孔过程中应做好成孔记录，按土钉编号逐一记载取出的土体特征、成孔质量、事故处理等。应将取出的土体与初步设计时所认定的加以对比，有偏差时应及时修改土钉的设计参数。

钻孔后应进行清孔检查，对孔中出现的局部渗水塌孔或掉落松土应立即处理。成孔后应及时安设土钉钢筋并注浆。

钢筋使用前应调直，除锈，涂油。为保证钢筋处于钻孔的中心部位，土钉钢筋置入孔中前应先设置定位支架，支架沿钉长的间距为2-3m，可为金属或塑料件，其构造应不妨碍注浆时浆液的自由流动。

土钉钢筋置入孔中后，可采用重力、低压(0.4-0.6MPa)或高压(1-2MPa)方法注浆填孔。

水平孔应采用低压或高压方法注浆，压力注浆时应在钻孔口部设置止浆塞(如为分段注浆，止浆塞置于钻孔内规定的中间位置)，注满后保持压力3-5min。

对于下倾的斜孔采用重力或低压注浆时宜采用底部注浆方式，注浆导管底端应先插入孔底，在注浆同时将导管以匀速缓慢撤出，导管的出浆口应始终处在孔中浆体的表面以下，保证孔中气体能全部逸出。

注浆时需加入早强剂和膨胀剂，以提高注浆体早期强度和增大土钉与孔壁土体的摩擦力。

在喷射混凝土前，面层内的钢筋网片应牢固固定在边壁上并符合规定的保护层厚度要求。钢筋网片可用插入土中的钢筋固定，在混凝土喷射下应不出现振动。

钢筋网片可用焊接或绑扎而成，网格允许偏差为±10mm。钢筋网铺设时每边的搭接长度应不小于一个网格边长或200mm，如为搭焊则焊长不小于网筋直径的10倍。

喷射混凝土时喷射顺序应自下而上，喷头与受喷面距离宜控制在0.8-1.5m范围内，射流方向垂直指向喷射面，在钢筋部位应先喷钢筋后方，然后再喷填钢筋前方，防止在钢筋背面出现空隙。也可在铺设钢筋网片之前初喷一次，铺设网片之后再进行复喷，一次喷射厚度不宜小于40mm。喷射混凝土前应先向边壁土层喷水润湿，喷射时应加入速凝剂以提高混凝土的凝结速度，防止混凝土塌落。

为保证喷射混凝土的厚度，可用插入土内用以固定钢筋网片的钢筋作为标志加以控制。当面层厚度超过100mm时应分二次喷射，每次喷射厚度宜为50-70mm。

喷射混凝土终凝后2h，应根据当地条件，采取连续喷水养护5-7d天，或喷涂养护剂。

土钉墙支护最下一步的混凝土面层宜插入基坑底部以下，深度不小于0.2m，在基坑顶部也宜设置宽度为1-2m的喷混凝土护顶。

土钉墙支护宜在排除地下水的条件下施工，应采取的排水措施包括地表排水、支护内部排水以及基坑排水，以避免土体处于饱和状态并减轻作用于面层上的静水压力。基坑顶部四周可做散水和排水沟，坑内应设置排水沟和集水坑，并与边壁保留0.5-1m的距离，集水坑内积水应及时抽出。

如基坑侧壁水压较大时可在支护面层背部插入长度400-600mm、直径不小于40mm的水平导水管，外端伸出支护面层，间距1.5-2m，以便将混凝土面层后的积水排出。

用于注浆的水泥砂浆强度用70.7mm×70.7mm×70.7mm立方体试件经标准养护后测定。每批至少留取3组(每组3块)试件，检测3d和28d强度。

喷射混凝土厚度，可采用凿孔法作为检查依据，也可以用混凝土厚度标志或其它方法检查，有争议时以凿孔法为准。检查数量为每100m取1组，每组不少于3个点，其合格条件可定为:全部检查处厚度平均值应大于设计厚度，最小厚度不应小于设计厚度的80%。

喷射混凝土强度可用边长100mm立方试块进行测定，制作试块时应将试模底面紧贴边壁，从侧向喷入混凝土，每批至少留取3组(每组3块)试件。

土钉支护施工必须进行土钉的现场抗拔试验，应在专门设置的非工作钉上进行抗拔试验直至破坏，用来确定极限荷载，并据此估计土钉的界面极限粘结强度。

每一典型土层中至少应有3个专门用于测试的非工作钉。测试钉除其总长度和粘结长度可与工作钉有区别外，应与工作钉采用相同的施工工艺同时制作，其孔径、注浆材料等参数以及施工方法等应与工作钉完全相同。测试钉的注浆粘结长度不小于工作钉的二分之一且不短于5m，在满足钢筋不发生屈服并最终发生拔出破坏的前提下宜取较长的粘结段，必要时适当加大土钉钢筋直径。为消除加载试验时支护面层变形对粘结界面强度的影响，测试钉在距孔口处应保留不小于1m长的非粘结段。在试验结束后非粘结段再用浆体回填。

土钉墙支护的施工监测至少应包括下列内容:

(1)支护位移的测量。

(2)地表开裂状态(位置、裂缝宽度)观察。

(3)附近建筑物和重要管线等设施的变形测量和裂缝观察。

(4)基坑渗漏水和基坑内外的地下水位变化。

监测过程中应特别加强雨天和雨后的监测，以及对各种可能危及支护安全的水源进行仔细观察。在支护施工阶段，每天监测不少于1-2次。在完成基坑开挖，变形趋于稳定的情况下可适当减少监测次数。施工监测过程应持续至整个基坑回填结束，支护退出工作为止。