文/薛家蓬 中铁工程设计咨询集团济南院　山东济南　250022

土钉墙支护在地铁明挖基坑中的应用

文/薛家蓬 中铁工程设计咨询集团济南院山东济南250022

土钉墙支护适用于场地条件比较开阔、土质较好、周边对变形要求不严的明挖车站，相对于其他明挖围护形式，具有施工进度快，工程造价低等显著优势，具有良好的社会和经济效益。

土钉墙；土钉承载力；拓展应用

一、土钉墙的概念

土钉墙（Soil Nail Wall）是一种原位土体加筋技术。它是由钢筋制成的土钉置于地层之中，并通过全长注浆的方式使土钉与地层结合成整体，并在表面铺设一层钢筋网，再喷射一层混凝土面层和土方边坡相结合的加固型支护施工方法，以起到约束土层变形、加固边坡的作用。

二、土钉墙的优缺点

（一）优点

1.土钉墙充分利用自身的强度及自稳能力，和土体形成复合体，显著提高边坡整体稳定性。

2.施工设备简单，施工所需的场地小，在基坑工程中已经应用多年，累积了丰富的工程经验，工艺成熟。

3.土钉墙可在无构件超前支护的情况下直接开挖的坑底，施工工作面开阔。

4.土钉墙成本费较其他支护结构显著降低，根据资料分析，土钉墙的造价比其他类型的围护结构低20%～30%。

5.施工速度快，效率高，施工噪音及振动小，不影响环境。

（二）缺点

1.变形较大，土钉墙属于柔性支护，需要在土体发生一定变形后，才能充分发挥其抗力，当基坑变形要求严格时，不适宜使用土钉支护。

2.土钉支护一般作为临时支护使用，若作为永久支护使用，需考虑腐蚀等耐久性问题。

3.土钉支护对开挖深度有一定的要求，当开挖深度大于10米时，可考虑放坡开挖或和其他支护形式相结合，形成复合型土钉墙支护方式。

4.土钉墙的设置应充分考虑地下水对土体自稳性的影响，必要时采取降水措施，或采用止水帷幕等辅助措施。

三、土钉承载力计算

目前国内用于工程实践的土钉拉力计算方法主要是采用土压力法，使用的规范分别是：《建筑基坑支护技术规程》JGJ 120-2012、《基坑土钉支护技术规程》CECS 96：97、《土钉支护技术规范》GJB 5055-2006。

以《建筑基坑支护技术规程》JGJ 120-2012为例简要，介绍土钉承载力计算方法：

1.土钉的抗拔承载力满足一下规定

≥

2.土钉的轴向拉力标准值公式如下：

=ζ

3.坡面倾斜时的主动土压力折减系数ζ公式如下：

4.土钉的轴向拉力调整系数，可按下式计算：

5.单根土钉的极限抗拔承载力应满足以下规定：

1）单根土钉的极限抗拔承载力应通过抗拔实验确定。

2）单根土钉的极限抗拔承载力标准值可按下式估算（见图5.1），但应通过抗拔实验进行验证：=π

图5.1　土钉抗拔承载力计算

1─土钉；2─喷射混凝土面层；3─滑动面

6.土钉杆体的受拉承载力应符合下列规定：

≤

以上为土钉杆体受拉承载力计算方法，公式中各参数详细取值及规定见《建筑基坑支护技术规程》JGJ 120-2012中的5.2章节中内容，土钉墙整体稳定性验算这里不做介绍。

四、土钉墙支护在地铁明挖基坑中的应用及注意事项

以大连地区为例，大连地质情况复杂，上部土层承载力较差，全风化、强风化板岩节理裂隙发育，下部为中风化板岩、辉绿岩、石灰岩，属于上软下硬地层。针对土质较好、场地开阔、周边对变形要求不严的明挖车站及附属结构基坑多采用土钉墙支护。

土钉墙设计工程中需要注意以下几点：

1.土钉墙的坡比不宜大于1:0，当基坑深度较深、土的抗剪强度较低时，宜采取较小坡比；

2.土钉水平及竖向间距宜为1m～2m；当基坑深度较深、土的抗剪强度较低时，土钉间距应取较小值；

3.土钉打设的倾角宜为5°～20°，多采用15°。土钉长度按各层土钉受力均匀、各土钉拉力与相应土钉极限承载力的比值相近的原则确定；

4.土钉成孔直径宜取70mm～120mm，宜选用HRB400、HRB500钢筋，钢筋直径宜取16mm～32mm，注浆材料可采用水泥浆或水泥砂浆，其强度不宜低于20MPa；

5.土钉拉力是与土钉的设置过程有关的，先设置的土钉相应会承担较多的荷载，而后设置的土钉会承担较小的荷载，图4.1所示在施工过程中土钉最大拉力分布包络线，这种中间长，上下短的土钉布置形式目前工程中应用较多。

图4.1　最大土钉力沿基坑深度分布示意图

图4.2　土钉支护位移示意图

6.土钉墙支护在开挖后会产生水平位移和地面沉降，当上部土钉设置较强时，水平位移可能会下移，地面沉降一般靠近基坑边较大，见图4.2。当基坑周边环境对变形控制要求较高时，可采用复合型土钉墙支护。

五、土钉墙支护的拓宽应用

单一的土钉墙支护应用范围有限，当增加微型桩、搅拌桩、预应力锚杆等形式成为复合土钉墙后，可满足不同的地质条件和工程要求。

对于自稳能力差的，在基坑开挖前设置垂直的超前支护结构，常用的超前支护有搅拌桩、微型钢管桩等（图5.2、图5.3、图5.5）；当土钉墙支护在地下水丰富的底层使用时，可增加止水帷幕的方法加以解决（图5.4、图5.5），以下为常见复合土钉墙的应用形式简图。

图5.1　预应力锚杆+土钉支护简图

图5.2　微型桩+土钉支护简图

图5.3　预应力锚杆+微型桩+土钉支护简图

图5.4　预应力锚杆+止水帷幕+土钉支护简图

图5.5　预应力锚杆+微型桩+止水帷幕+土钉支护简图

结语：

在基坑工程中，土钉墙支护已经应用多年，积累了丰富的工程经验，与其他围护形式相比，有施工进度快，工程造价低等显著优势，从而使社会和经济效益最大化。

【1】深基坑支护技术指南.北京：中国建筑工业出版社2012

【2】深基坑围护设计与实例解析.北京：机械工业出版社 2013

【3】地下工程设计施工手册.北京：中国建筑工业出版社 1999

【4】JGJ 120-2012建筑基坑支护技术规程.北京：中国建筑工业出版社2012

【5】GB 50330-2013建筑边坡工程技术规范.北京：中国建筑工业出版社2012