高层建筑深基坑支护技术及应用

高层建筑深基坑支护技术及应用摘要土钉支护是基坑和边坡加固中重要的支护形式之一，它具有经济可靠、施工简便迅速等优点，在我国建筑行业中得到了广泛的推广应用。

通过对土钉支护技术特点的分析，指出土钉支护结构的作用机理和工作性能，并结合工程实例对土钉支护的实际应用情况进行分析，表明土钉支护技术具有施工简单、结构可靠、经济效益好的优点，具有广阔的应用前景。

关键词高层建筑；深基坑；土钉支护；应用中图分类号tu97 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2013）94-0137-02建筑基坑工程是一项综合性强、风险性高的工程，从上世纪30年代开始许多学者针对基坑工程问题开展了一系列的较为系统的研究，并取得了显著的工程效果。

随着深基坑工程的增多，出现了重力式支护、深埋式支护以及其它支护类型等10多种支护形式，其中土钉支护形式具有简单、快捷、经济性好等优点，在建筑行业中受到关注和青睐[1]。

由于土钉支护技术具有很好的经济性，并且以实践工程中不断积累的经验作为基础，人们试图利用土钉支护技术来解决比较复杂的支护技术问题甚至在部分工程中取代排桩、连续墙等传统支护型式，以取得更加突出的经济效益。

因此，为了达到安全性和经济性兼得的效果，深入研究土钉支护的理论和方法是非常有必要的，具有十分重要的意义。

1深基坑支护类型及土钉支护技术1.1深基坑支护类型深基坑支护结构是一种特殊的工程构筑物，具有复杂性、可变性、临时性、高风险的特点，通常包括挡墙和支撑两部分，支护形式分为加固型支护和支挡型支护两大类[2]。

支挡型支护型结构是将支护墙排桩作为主要受力构件，目前常用的有钢板桩支护、排桩支护、地下连续墙支护等几种型式，支挡型支护钢板桩支护适于软弱场地地基和地下水位高且水量丰富的地区，具有强度、高阻水、施工简便快捷等优点，但也存在对设备要求较高，在同等条件下一般比其他支护形式工期短造价相对较高的缺点。

排桩支护能够适应各种地质条件，在我国的应用较多，其施工简单、设备投入不大，但工程造价一般较高。

地下连续墙的优越性明显，可以用于大深基坑和复杂的工程环境中，但其工程造价很高，在选用时需综合考虑。

加固型支护结构是充分利用加固土体的强度来达到稳定的目的，主要有水泥搅拌桩、高压旋喷桩、土钉墙等。

加固型支护多采用深层水泥搅拌桩，水泥土搅拌桩对工艺设备要求简单，造价低廉，工期比较适中。

高压旋喷桩施工费用要高于深层搅拌水泥土桩，但其施工设备占地小，噪音小。

土钉是在新奥法的基础上基于物理加固土体的机制，适合于成孔困难的砂层和软弱土层，具有广泛的应用前景。

目前报导的土钉墙支护的最大深度已达16米，与锚杆联合支护时开挖深度还可以更大。

1.2土钉支护技术土钉墙是近年来发展起来用于土体开挖和边坡稳定的一种新型挡土结构。

它由被加固土、放置于原位土钉中的细长金属杆件（土钉）及附着于坡面的混凝土面板组成，形成一个类似于重力式墙的挡土墙。

以抵抗墙后传来的土压力及其它作用力，从而使开挖坡面稳定。

土钉支护通常由土钉、面层和防水系统三部分组成。

根据施工方法土钉可分为：钻孔注浆型土钉、射入型土钉与打入形土钉。

其中钻孔注浆型土钉是最常用的土钉，一般是通过钻孔、插筋、注浆来设置，主要用于永久或临时性的支挡工程。

打入型土钉一般是采用专门的施工机械，如气动土钉机，直接打入较粗的钢筋或型钢形成土钉，这种形式的土钉由于长期的防腐工作难以保证，在我国主要用于临时性的支挡工程。

目前，射入型土钉在我国的应用尚不广泛。

土钉沿着通长与周围土体接触，依靠接触界面上的粘结摩阻力，与周围土体形成复合土体，土钉在土体发生变形的条件下被动受力，并主要通过其受拉工作对土体进行加固，而土钉和土体变形则通过配筋混凝土面板予以约束。

土钉支护在施工过程中对土体的扰动较小，分层、分段、小步开挖后迅速支护的施工工序对控制变形起到了重要的作用，这样就防止了土体发生难以预测的变化，进而土钉具有较高的安全性和可靠性。

2 土钉支护技术的特点及作用原理2.1 土钉支护技术的特点土钉与土体可以形成复合体，从而可以有效提高边坡的稳定性和承受坡顶超载的能力，具有结构轻、柔性大以及抗震性能好等优点，而且施工机械移动方便，占用的场地小，并可以通过调整土钉的长度和间距提高工程的安全性和可靠性。

土钉支护易受到水的影响，在施工过程中，应防止水对支护结构造成破坏。

土层在进行分段开挖时，需保证边坡的直立和稳定性，因此土钉支护技术适用于有一定粘性的杂填土、粘性土、粉土、黄土及弱胶结的砂土边坡。

土钉支护作为新的一代护坡技术，已广泛应用于建筑、水利、水电、煤炭，交通、港口等诸多领域。

2.2 土钉支护技术的作用原理一般来说，自然土体的抗剪强度均较小，而抗拉强度甚至可以忽略不计，但土体也具有一定的结构整体性，可以保证自然边坡或基坑开挖成一定的坡度和深度时不会导致失稳，但当土坡的高度或者坡面承受较大的外载较大时，若不采用加固措施则容易引起土体的失稳。

传统的边坡支挡结构基本是采用被动制约机制，通过承受土体的侧压力，从而限制边坡土体的变形发展，而土钉支护技术采用的是主动制约机制，通过在土体中按照一定的规律布置不同长度和直径的土钉，通过与与土体共同作用而形成一个复合体，从而起到土体结构强度、增加土体稳定性的目的。

土钉自身的强度和刚度均较大，通过与土体形成复合骨架结构共同承担外荷载和自重应力。

当边坡土体进入塑性变形区间后，土体中的应力会逐渐向土钉转移，利用土钉承受的弯剪、拉剪等复合应力来抵消和缓解土体的内应力[3]。

因此，土钉分担荷载的程度与土钉的布置方法及土钉自身的长度及直径等密切相关。

为充分发挥土钉的作用效能，通常需要在开挖边坡的坡面上设置与土钉相连的钢筋混凝土面板，通过面板与土钉及土的摩阻力来边坡的整体变形。

3 工程实例应用分析3.1 工程简介高层建筑作为城市发展的新标志，为促进城市的进步具有十分重要的意义，通过大量高层建筑的建设，从而促进长春市老城区的复兴。

重庆路商贸中心工程的位于长春市朝阳区的老城区，建筑高度达95m，共计33层，地表以上29层，地表以下4层，累计建筑面积超过11万平米。

场地的基坑长度为98m，宽度85m，基础埋深为18m，局部最深处达到22m，工程结构采用框支剪力墙结构，通过地质调查分析，在本工程基坑深度范围内的土层有6种，而且本工程无大面积放坡的条件，而且在土方开挖前应进行降水和支护，防止边坡的坍塌，引发工程事故。

根据本基坑工程的实际情况，重庆路商贸中心工程存在四个施工难点。

第一，本基坑工程的开挖深度基本超过18m，这对基坑边坡的稳定性和安全性提出了很高的要求。

第二，本工程地处繁华的都市区，工程施工现场的场地相对狭小，而且工程靠近城市主干道，周边的车流与人流量很大，环境较为复杂，在施工中要确保周边道路和建筑物的安全，使得本工程无法采用大放坡施工作业方法。

第三，本工程地下水位的分布也很复杂，上层土体中存在大量的滞水和承压水，这给土方及护坡施工带来很大的困难。

第四，本工程基坑的平面面积很大，需要进行加固的边坡范围也较大，需要采取合理的护坡技术，在保证基坑工程安全性和可靠性的同时，尽量降低工程成本。

3.2 土钉支护设计与施工3.2.1土钉支护设计根据重庆路商贸中心工程深基坑的实际情况，本工程拟采用土钉进行深基坑支护结构，但由于在本工程中基坑的深度较大，而且工程施工也较为困难，因此在本工程深基坑的第三排、第六排、第九排土钉施加预应力，并参考以往类似工程设计与施工经验，从而制定出本工程深基坑支护的方案，通过采用土钉支护及预应力支护措施，可以有效控制面层以及地面的沉降和水平位移，从而提高基坑支护结构的安全性。

本工程深基坑土钉支护结构体系的安全性还应利用“深基坑支护之星”软件按照圆弧滑动理论和极限平衡理论对深基坑土钉支护结构进行计算和验证，并根据两种计算方法的结果进行对比分析，从而确定最终的设计方案。

根据深基坑土钉支护工程的施工现场条件和施工经验，本工程的土钉支护设计应按照土钉抗拉强度验算、抗拔力验算、支护的内部和外部整体稳定性计算等三个步骤得出土钉支护结构的整体稳定安全系数、抗滑移安全系数、抗隆起安全系数，并使其符合规范的要求。

在设计中，地面附加荷载通常按照常规超载的按l0kpa进行计算，并按照条分法计算出土体的不平衡力矩，从而得出土钉承受的剪力和拉力，从而得出土钉的长度和直径。

3.2.2 土钉支护施工基坑土钉支护的施工主要包括成孔、清孔、置筋、注浆、挂网、混凝土面层浇筑等施工工序[4]。

预应力土钉的施工与常规土钉基本一样，只是需要进行一道预应力张拉的施工工序[5]。

本工程的土钉成孔施工时采用钻孔注浆型土钉，并利用xj-100型钻机进行钻孔，在成孔时应确保土钉平面位置、孔深、角度符合设计要求。

成孔完成后，为确保水泥浆的灌注效果应用0.5mpa～0.6mpa空气压力将孔内残留及松动的废土清除干净。

在置筋和注浆中，应在杆体上每隔2.0m焊接一道定位支架，并用水平加强筋将各排的土钉连接起来，以提高土钉结构的整体性。

待主筋放入后，用注浆泵采用二次注浆工艺从孔洞底部进行注浆，第一次注浆压力通常选中0.5mpa，第二次注浆压力可以采用1.5mpa。

在注浆时，注浆导管底端应先插入孔底，在注浆同时将导管缓慢地以匀速撤出，孔口设置止浆塞并留置排气孔。

在置筋和注浆施工完成后，在坡面上用u型短钉及t型长钉固定面层钢筋网，并保证钢筋网在每边的搭接长度至少不小于一个网格边长，最底层钢筋网应插入坑底20cm以上。

最后进行面层混凝土施工，混凝土喷射作业时应分片分段依此进行，喷射顺序自上而下，并保证喷头与受喷面垂直，从而使得混凝土表面平整，呈湿润光泽，无干斑或滑移流淌现象。

3.2.3 土钉支护施工效果在本工程的基坑施工中，根据基坑开挖和支护施工进度的安排，将对基坑工程不同施工阶段诱发基坑变形观测分为3个监测阶段，土方开挖0m～4.5m深度的基坑施工作为第一观测阶段，将土方开挖4.5m～9.2m深度的基坑施工作为第二观测阶段，基坑土方开挖和支护完成的监测作为第三阶段。

检测结果表明：采用此土钉支护方案对基坑进行加固确保了基坑工程的稳定性，在施工期间没有出现滑坡塌方现象，工程质量良好。

而且工期比原计划提前10d完成，节约资金60万元，表明土钉支护方案具有良好的工程应用价值，具有广阔的应用前景。

随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快，城市建筑逐渐向高层发展，而这对工程基础提出很高的要求，土钉支护技术的安全度高、施工期短，其成功运用必将有广阔的发展前景。

通过加强对土钉支护技术原理、设计方法、注浆技术及变形控制技术等研究，可以使深基坑土钉支护技术走上更加科学化、规范化的轨道。

参考文献[1]陶宁生.深基坑支护技术的现状分析[j].安徽建筑， 2009，16（3）：163-165.[2]易志强，齐燕祁.深基坑的支护类型设计问题探讨[j].城市建设，2009（32）：76-78.[3]潘雪桥.深基坑土钉支护技术的作用机理[j].山西建筑，2010（23）：15-16.[4]苏贞颜.深基坑土钉支护施工技术探讨[j].建材发展导向，2010，8（1）：59-60.[5]谭威海.复合土钉支护在基础工程中的施工研究[j].城市建设，2010（24）：10-12.。