第四节 复合土钉墙施工技术

一、技术原理及主要内容

1）基本概念

复合土钉墙支护具有轻型、机动灵活、支护能力强、适用范围广的特点，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。

2）技术原理

复合土钉墙是将普通土钉墙与一种或几种构件有机组合成的复合支护体系，构成要素主要有土钉（钢筋土钉或钢管土钉）、预应力锚杆（索）、截水帷幕、微型桩、挂网喷射混凝土面层、原位土体等。

3）基本构造形式

预应力锚杆、截水帷幕及微型桩或单独或组合与基本型土钉墙复合，形成了7种复合形式：

①土钉墙+预应力锚杆；

②土钉墙+截水帷幕；

③土钉墙+微型桩；

④土钉墙+微型桩+预应力锚杆；

⑤土钉墙+截水帷幕+预应力锚杆；

⑥土钉墙+截水帷幕+微型桩；

⑦土钉墙+截水帷幕+微型桩+预应力锚杆。

其中第三种在实际工程中使用最多。

二、主要技术指标

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：

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。

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

直径不大于400mm的预制钢筋混凝土网桩，边长不大于400mm的预制方桩。

水帷幕中插入型钢或钢管等劲性材料。

④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—2012）、《基坑土钉支护技术规程》（CECS96:97）等现行技术标准设计施工。

三、施工技术应用

1．技术应用范围

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。

2．设计内容及原则

1）设计内容

①确定土钉墙的平面、剖面尺寸及分段施工高度。

②确定土钉布置方式和间距。

③确定土钉的直径、长度、倾角及空间方向。

④确定钢筋类型、锚头构造。

⑤确定注浆方式、配合比、浆体强度指标。

⑥喷射混凝土面层设计及坡顶防护措施。

⑦进行整体稳定性分析及验算。

⑧土钉抗拔力验算。

⑨变形预测和可靠性分析。

⑩施工各阶段内部稳定性验算，即开挖已达作业深度，但作业面上的土钉尚未设置或注浆尚未达到强度时的施工阶段稳定验算。

2）设计原则与要求

土钉墙支护应满足强度、稳定性、变形和耐久性等要求。当土钉支护用于建筑物密集的深基坑开挖时，限制变形、保证周围建筑物设施的环境安全最为重要。

（1）施工开挖过程

控制每步的开挖深度和合理安排作业顺序，使开挖面上裸露土体保持稳定，这对于限制土钉支护变形十分重要。每步开挖深度通常为1～2m。施工过程必须与现场测试和监控相结合，通过测量数据及时反馈以便指导施工。

（2）控制支护变形的措施

根据地质情况，应在施工注意事项中提出限制每步作业开挖深度及合理挖土工序，限制边坡开挖后裸露时间，以及对加快注浆的时间和喷射混凝土等的要求。

根据地质及水文情况，在结构设计中，可以采取的方法有：加大上层土钉排的长度；增加土钉密度；如用螺帽，端头可通过拧紧螺丝施加少量预应力或在上部土钉中做一排预应力锚杆。

（3）充分考虑地下水、管道漏水情况

土钉支护必须在地下水位以上进行逐层挖土及土钉作业。地下水位高、有上层滞水的地基要降低地下水位，如遇丰水区或地下水与江河连通不易降水时，应做隔水帷幕。

设计土钉支护应进行工地现场勘察，了解管道、化粪池等地下构筑物的漏水情况，这项工作非常重要。因为在地下水的作用下，土压力将增加，土钉的内力也将增加，同时土钉的抗拔能力将减小，这样会导致土钉支护失效或者造成破坏。

（4）设计、施工和监控密切配合

土钉支护本身要求设计、施工和监控密切配合，如果是分单位负责，则必须有良好的配合，最好是设计和施工皆由施工单位负责，统一起来。

（5）设计的一般原则和要求

①用于基坑支护坑深在1.2m左右的边坡，墙面坡度不宜大于1∶0.1。

②土钉长度与开挖深度之比L/H宜为0.5～1.2，顶部土钉长度宜为0.8H以上，间距宜为1～2m，土钉水平夹角宜为5°～20°。

③土钉必须和面层有效连接，应设置承压板或加强钢筋等构造措施，承压板或加强钢筋应与土钉螺栓连接或与钢筋焊接连接。

④土钉宜用HPB300级、HRB400级直径16～32mm钢筋，钻孔（锚钉孔）注浆直径宜为70～120mm。

⑤上、下段钢筋网搭接长度应大于300mm。灌浆材料宜用水泥浆或水泥砂浆，强度等级不低于M10。

⑥喷射混凝土面层厚度宜为80～200mm。

⑦喷射混凝土强度等级不宜低于C20。

⑧喷射混凝土面层中应配钢筋网。钢筋网采用HPB300级直径6～10mm钢筋，间距150～300mm。

3．施工技术要点

1）施工程序

复合土钉墙的施工应按以下顺序进行：放线定位→截水帷幕和微型桩施工→分层开挖→修整坡面→喷射第一层混凝土→土钉及预应力锚杆钻孔安装→注浆→绑扎面层钢筋网及腰梁钢筋→挂网喷射第二层混凝土→（无预应力锚杆部位）养护48h后继续分层下挖→（布置预应力锚杆部位）浆体强度达到设计要求并张拉锁定后继续分层开挖。

2）土方开挖与喷锚支护的配合

土方开挖与土钉喷射混凝土等工艺的密切配合是确保复合土钉墙支护顺利施工的重要环节，最好由一个施工单位总包，统一安排。实际工程中，如果由两个单位分别负责，则要求二者之间必须密切配合。土方开挖必须严格遵循分层、分段、平衡、适时等原则。设计文件中，应根据上述原则提出具体要求，施工单位根据设计和规范要求做出施工组织设计。在软土和砂土地段，应特别注意掌握开挖时间和开挖顺序，并及时施作支护，尽量缩短支护时间。

3）成孔以及设置土钉

①土钉成孔直径为70～120mm，土钉宜用HRB400级钢筋，直径宜用16～32mm。

②土钉成孔采用的机具应适合土层特点，满足成孔要求，在钻进和抽出过程中不会引起塌孔。在易塌孔的土体中需采取措施，如套管成孔。

③成孔前应按设计要求定出孔位、做出标记和编号。成孔过程中做好记录，按编号逐一记录土体特征、成孔质量、事故处理等，发现较大问题时，及时反馈、修改土钉设计参数。

④孔位的允许偏差不大于100mm，钻孔倾斜度偏差不大于1°，孔深偏差不大于30mm。

⑤成孔后要进行清孔检查，对孔中出现的局部渗水、塌孔或掉落松土应立即处理，成孔后应及时穿入土钉钢筋并注浆。

⑥钢筋入孔前应先设置定位架，保证钢筋处于孔的中心部位，定位架形式同锚杆钢筋定位架。支架沿钢筋长向间距为2～3m，支架应不妨碍注浆时浆体流动。支架材料可用金属或塑料。

4）注浆

①成孔内注浆可采用重力、低压（0.4～0.6 MPa）或高压（1～2 MPa）方法注浆。

对水平孔必须采用低压或高压方法注浆。压力注浆时，应在钻孔口处设置止浆塞，注满浆后保持压力3～5min。压力注浆尚需配备排气管，注浆前送入孔内。

对于下倾斜孔，可采用重力或低压注浆。注浆采用底部注浆方式。注浆导管底端先插入孔底，在注浆的同时将导管匀速缓慢拔出，导管的出浆口应始终处在孔中浆体表面以下，保证孔中气体能全部溢出。重力注浆以满孔为止，但在初凝前需补浆1～2次。

②二次注浆。为提高土钉抗拔力采取二次注浆方法，即在首次注浆终凝后2～4h内，用高压（2～3 MPa）向钻孔中第二次灌注水泥浆，注满后保持压力5～8min。二次注浆管的边壁带孔，在首次注浆前与土钉钢筋同时放入孔内。

③向孔内注入浆体的充盈系数必须大于1。每次向孔内注浆时，宜预先计算浆体体积并根据注浆泵的冲程数，求出实际的孔内注浆体积，以确认注浆量超过孔的体积。

④注浆所用水泥砂浆的水胶比，宜在0.4～0.45之间。当用水泥净浆时宜为0.45～0.5，并宜加入适量的速凝剂、外加剂等，以促进早凝和控制泌水。施工时，当浆体工作度不能满足要求时，可外加高效减水剂，但不准任意加大用水量。

浆体应搅拌均匀立即使用。开始注浆、中途停顿或作业完毕后，须用水冲洗管路。

注浆砂浆强度试块，采用70mm×70mm×70mm立方体，经标准养护后测定，每批至少3组（每组3块）试件，给出3～28d强度。

5）土钉与面层连接

①较简单的连接方法如图1-18（c）所示，用ϕ25短钢筋头与土钉钢筋焊接牢固后，进行面层喷射混凝土。

②采用端头螺纹、螺母及垫板接头，如图1-18（a）所示。这种方法需要先将杆件端头套丝，并与土钉钢筋对焊，喷射混凝土前将螺杆用塑料布包好，待面层混凝土具有一定强度后，套入垫板及螺母后，拧紧螺母，其优点是可起预加应力作用。

6）混凝土面层施工

①面层内的钢筋网片应牢牢固定在土壁上，并符合保护层厚度要求。网片可以与土钉固定牢固，喷射混凝土时，网片不得晃动。

钢筋网片可以焊接或绑扎而成，网格允许误差10mm，网片铺设搭接长度不应小于300mm及25倍钢筋直径。

②喷射混凝土材料，水泥宜用的强度等级为42.5，干净碎石、卵石粒径不宜大于12mm，水泥与砂石质量比宜为（1∶4）～（1∶4.5），砂率45%～55%，水胶比0.4～0.45，宜掺外加剂，并应满足设计强度要求。

③喷射作业前要对机械设备，风、水管路和电线进行检查及试运转，清理喷面，埋好控制喷射混凝土厚度的标志。

④喷射混凝土射距宜在0.8～1.5m，并从底部逐渐向上部喷射。射流方向应垂直指向喷射面，但在钢筋部位，应先填充钢筋后方，然后再喷钢筋前方，防止钢筋背后出现空隙。

⑤当面层厚超过100mm时，要分两次喷射。当进行下步喷射混凝土时，应仔细清除施工缝接合面上的浮浆层和松散碎屑，并喷水使之湿润。

⑥根据现场环境条件进行喷射混凝土的养护，如浇水、织物覆盖浇水等养护方法，养护时间视温度、湿度而定，一般宜为7d。

⑦混凝土强度应用100mm×100mm×100mm立方体试块进行测定，将试模底面紧贴边壁侧向喷入混凝土，每批留3组试块。

⑧当采用干法作业时，空压机风量不宜小于9m3/min，以防止堵管，喷头水压不应小于0.15 MPa，喷前应对操作人员进行技术考核。

7）排水系统的设置

基坑边含有透水层或渗水土层时，混凝土面层上应做泄水孔，即按间距1.5～2.0m均匀布设长0.4～0.6m、直径不小于40mm的塑料排水管，外管口略向下倾斜，管壁上半部分可钻透水孔，管中填满粗砂或圆砾作为滤水材料，以防土颗粒流失。也可在喷射混凝土面层施工前预先沿土坡壁面每隔一定距离设置一条竖向排水带，即用带状皱纹滤水材料夹在土壁与面层之间形成定向导流带，使土坡中渗出的水有组织地导流到坑底后集中排除。

8）土钉现场试验

（1）试验要求

①土钉墙支护施工必须进行土钉的现场抗拔试验。一般应在专设的非工作土钉上进行抗拔试验直至破坏，用以确定破坏荷载及极限荷载，并据此估计土钉界面极限黏结强度。

②每一典型土层中至少测试3个土钉，其孔径制作工艺等应与工作土钉完全相同，但试验土钉在距孔口处保留1m长非黏结段。

（2）试验方法

①现场抗拔试验宜用穿心式液压千斤顶张拉，要求土钉、千斤顶、测力杆均在同一轴线上，千斤顶的反力支架可置于喷射混凝土面层并可垫钢板，加荷时用油压表大体控制加荷值，并由测力杆准确计量。土钉的拔出位移量用百分表量测，其精度不小于0.02mm，量程不少于50mm，百分表支架应远离混凝土面层着力点。

②试验采用分级连续加载，首先施加少量初始荷载（不大于设计荷载的10%），使加载装置保持稳定。以后的每级荷载增量不超过设计荷载的20%。在每级荷载施加完毕后，应立即记下位移读数，并在保持荷载稳定不变的情况下，继续记录1min、6min、10min的位移读数。若同级荷载下10min与1min的位移增量小于1mm，即可施加下级荷载，否则应保持荷载不变继续测试15min、30min、60min时的位移。此时若60min与6min的位移增量小于2mm，可立即施加下级荷载，否则即认为达到极限荷载。

③测试土钉的注浆体抗压强度，一般不低于6 MPa。

（3）试验结果评定

①极限荷载下的总位移，必须大于测试土钉非黏结段土钉弹性伸长理论计算值的80%，否则测试数据无效。

②根据试验得出的极限荷载，可算出界面黏结强度的实测值。试验平均值应大于设计计算所用标准值的1.25倍，否则应进行反馈修改设计。

③当由试验所加最大荷载计算出的界面黏结强度，已经大于计算用的黏结强度的1.25倍时，可以不再进行破坏试验。

9）土钉墙支护施工监测

（1）施工监测内容

①土钉墙施工监测内容。支护位移的量测；开裂状态（位置、裂宽）的观察及记录；附近建筑物和重要管线设施的变形量监测和裂缝观察及记录；基坑渗漏水和基坑内外地下水位的变化。

②支护位移的测量至少应有基坑边壁顶部的水平位移与垂直沉降。测点位置应选在变形最大或局部地质条件最为不利的地段。测点总数不宜小于3个，测点距离不宜大于30m。

在可能的情况下，宜同时测定基坑边壁不同深度位置处的水平位移，以及地表离基坑边壁不同距离处的沉降，绘出地表沉降曲线。

（2）施工监测要求

①在支护阶段，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回填结束、支护退出工作为止。

②应特别加强雨天和雨后监测。对各种可能危及土钉支护安全的水害来源，要进行仔细观察，如场地周围排水、上下水道、化粪池、储水池等漏水以及土体变形造成的管道漏水和人工降水不良等情况的观察。

③在施工过程中，基坑顶部的侧向位移与当时所挖深度之比，如黏性土超过0.3%～0.5%、砂土超过0.3%时，应加强观测，分析原因并及时对支护采取加固措施，必要时增加其他支护办法，以防止发生事故。

10）复合土钉墙施工注意事项

土钉的施工质量对土钉墙的稳定至关重要，土钉施工除遵循土钉墙已有规范外，在复合土钉墙中应特别注意以下两点：

（1）土钉选择

在普通土钉墙中，主要采用钢筋土钉，而且设计文件往往考虑和限制了其使用条件，例如，用于有一定自稳能力的土层，或经过降水的土层等。但在复合土钉墙中，由于土层种类和使用条件的扩大，钢筋土钉往往难以适应。因此，在复合土钉墙的设计和施工中应根据工程条件合理选择土钉种类。一般来说，地下水位以上，或有一定自稳能力的地层中，钢筋土钉和钢管土钉均可采用；但地下水位以下，软弱土层、砂质土层等，由于成孔困难，则应采用钢管土钉。

（2）钢管土钉施工

钢管土钉不需先成孔，它是通过专用设备直接打入土层，并通过管壁与土层的摩阻力产生锚拉力达到稳定的目的，保证较高的摩阻力是其成败的关键。钢管土钉施工应注意：一是钢管土钉在土层中禁止引孔（帷幕除外），由于设备能力不够而造成土钉不能全部被打进时，则应更换设备；二是土钉外端应有足够的自由段长度，自由段一般不小于3m，不开孔，靠其与土层之间的紧密贴合保证里段有较高的注浆压力和注浆量，提高加固和锚固效果；三是在帷幕上开孔的土钉，土钉安装后应对孔口进行封闭，防止渗水、漏水。