土钉支护结构在深圳地铁竹子林站的应用
【摘 要】 本文通过土钉支护结构在深圳地铁竹子林站的实际应用，介绍了素土钉、复合土钉支护的原理、使用方法及一些应用要点。
【关键词】 地铁基坑土钉 微型钢管桩
1 工程概况与地质条件
深圳地铁一期工程竹子林站位于深南大道南侧的绿地外缘，距深南大道道路边约10～20m，车站东端靠近上下广深高速公路的匝道，车站南侧有福田汽车站大楼和规划中的客运中心。基坑长214．3m，宽约30m，深约8m(南侧放坡后)，11～13(北侧)m。
站区地处海积平原及台地，地形开阔。站区范围内上覆第四系全新统人工堆积层、海相沉积层及第四系残积层，下伏燕山期花岗岩。车站结构主要穿越地质条件较好的砾质粘性土、砂质粘性土地层，其主要物理参数见表1：
表1 主要地层物理参数表
2 土钉墙设计
土钉墙支护的作用机理是通过土钉对土体的加固作用，使土钉与土体共同工作，形成了能大大提高原状土强度和刚度的复合土体，提高土坡的整体稳定性，以达到支护目的，土钉与土体作用机理并不是十分明晰，因此设计时以主要参数以工程类比为主。
2.1支护方案
经过反复比选，未采用降水措施，土钉墙支护典型剖面如图1、2所示。土钉竖向间距在1．2m左右，水平间距为1～1．2m，土钉钻孔孔径110mm，溜注水泥砂浆全长粘接，注浆压力0．8MPa；土钉面层采用C20网喷混凝土，厚120mm；在北侧基坑没置了微型桩，桩位于面层背部，间距1m，采用ф108注浆钢管做成，钴孔孔径130mm，灌注水泥砂浆，注浆压力o．8MPa。采用泄水管浅层排除面层后渗水，泄水管长1m，每2～3m：设置一个。
2．2 计算分析
土钉墙的支护参数的确定主要根据工程类比确定，其L(土钉长度)／H(基坑深度)不小于1．0，初拟土钉长度后，再进行检算。检算采用总安全系数法进行，设计时考虑其局部抗拉安全系数不小于1．5，整体稳定的安全系数不小于1．3，整体稳定性分析根据施工期间不同开挖深度及基坑底面以下可能滑动面采用圆弧滑动简单条分法进行，计算时不考虑微型桩的支护作用。经验算本断面的稳定性安全系数及局部抗拉安全系数在不同开挖状态下均满足要求。
3 施工概况及监测结果
土钉墙支护强调动态设计，信息化施工，由于地质条件的复杂性，根据有限个地质钻孔得到的地质资料做的设计不会是最优，所以必须在实践过程中根据现场反馈的地质及土体变形数据对设计进行必要的调整，从而保证支护安全。
3．1 土钉抗拔试验
土钉抗拔试验，用于验证设计选用的注浆材料、锚固体与土体的粘结强度、施工工艺是否合适。试验分别选用了注浆材料为纯水泥浆、水泥砂浆的试验土钉各三组，通过抗拔试验，注浆材料为纯水泥浆的土钉锚固体界面粘结强度均能满足要求，而水泥砂浆土钉除一组可以满足要求外，其余两组均在加载过程中失效。根据试验结果，我们确定采用现有施工工艺，使用纯水泥浆作为注浆材料。
3．2 施工过程
在土钉前期施工过程出现过一次异常情况：(1)在南侧素土钉施工至下三层土钉时，由于开挖面潮湿及初喷不及时，开挖面出现了两次大规模的剥离坍塌，引起坡体位移较大，最大一天坡顶水平变形达到11mm。根据现场情况，要求在坍塌地段采用砂袋堆压坡面，停止开挖，加强监测，待边坡位移稳定后方可继续向下施工；根据监测，边坡变形在三天内恢复稳定，在其后的开挖中缩短开挖段长度，及时初喷，防止了类似情况的发生。(2)北侧边坡(G123断面处)在开挖到直坡段下7、8m时，监测结果表明支护变形速率较大，达到2．55mm／d，而正常速率为应为1mm／d。经调查，是施工速度过快引发的，在上层土钉锚固体还未达到设计要求强度时就进行下一步开挖，上层土钉发挥不了作用，边坡变形速率必然增大。我们要求承包商严格按设计要求必须在上层土钉锚固体强度达到75％后方可施工下层土钉。其后的监测表明，变形速率回归正常。在后期的土钉施工中则比较顺利。
3．3施工监测
3．3．1监测内容
土钉监测内容如表2
表2 土钉监测内容
3．3．2结果分析
(1)坡体水平位移及沉降。根据监测结果，典型断面的坡体的变形如图3、4。从总的结果来说，沉降值小于坡顶水平位移值，坡体水平位移及沉降值郎较大。复合土钉处的水平位移虽然远小于素土钉，但与相邻区间的挖孔桩+锚索相比(水平位移最大值<5mm)，还是高出不少。从形成因素看来，主要是随着基坑开挖累积而成。
(2)土钉应力。从测试结果看，如图5(括号内为理论计算数值)，土钉内力普遍较小，除G排土钉(中下部)受力较大，与理论计算近似外，其它具体数值与理论计算均无可比性。土钉应力一般在开挖下二排土钉(7d内)时变化较为剧烈(见土钉应力曲线)，其后变化较为平缓。从监测结果看来，土钉直径采用+25足够了，设计时下部采用的φ28土钉偏大偏长。其应力变化如下图6。
4 设计中的一些问题的处理与探讨
4．1设计对地下水的考虑
根据深圳市的规定，土钉墙适用于地下水位以上或人工降水后地层中。本工点的设计并未采用降水措施，主要是出于以下考虑：
(1)本工点的地层主要是砾(砂)质粘性土，根据现场踏勘及调查：该类土在硬结状态下具有较大的无侧限抗压强度、自立性好，往往可垂直开挖4～5m而不需支护，在晴好天气下，基坑坡面初期有少量水渗出，基坑略显潮湿，无需降水。本基坑施工过程跨越深圳雨季，降水井在连绵的雨季中实际上很难起到作用；(2)降水持续时间长，降水井的费用也较高(约40万元)。从实测结果看，在旱、雨季中土钉应力并无明显变化，因此在该类土中采用水土合算是合适的。
4．2微型桩的作用
根据监测结果，我们认为微型桩的作用主要体现在如下两个方面：
(1)超前支护，保护开挖面的稳定，减少开挖中的土体侧向变形。随着开挖，开挖面应力释放，由于土体中软弱节理面的存在，开挖面在初喷不及时或在水量较大地段易出现剥离坍塌，逐渐加大形成空洞，对边坡稳定极为不利，在素土钉支护所遇情况，该种坍塌较为常见。而在北侧边坡，微型桩起到了很好的超前支护作用，整个变形过程随着基坑的开挖平稳发展，虽然边坡高，其变形绝对值却小于南侧。
(2)改变了支护的变形形态，改善了支护的整体稳定性。从本工点的监测结果来看，南侧素土钉断面中，支护的位移沿高度大体呈线性变化，类似绕趾部向外转动，最大水平位移发生在顶部，类似于重力式挡土墙。北侧复合土钉断面中，坡体的水平变形最大点均发生在中部。这说明微型桩改变了支护的变形状态，不再类似于重力式挡土墙，而与土钉一起具有拉锚式支护结构的变形特征。
(3)微型桩的计算分析。如上所述，设置了微型桩的土钉结构具有拉锚式支护结构的变形特征，从监测结果上看，土钉应力主要在施工下两排土钉时形成，与按“增量法”计算拉锚结构时的特征类似，但由于土钉与锚索在工作原理上不一样；土钉的端头也并未设置也不需要设置与钢管桩联接的传力体系(腰梁与锚具)，两者之间的共同承载作用很弱，故不宜按拉锚结构来进行简化计算。《建筑基坑支护技术规程》，JGJ120-99中将钢管桩作为超前花管来进行计算，但如本设计中设置的微型桩，采用上述方法计算时对整体稳定性的帮助很小，笔者建议在此种情况下分析时不考虑微型桩的作用，而直接将选用的整体安全系数下调0．1～0．2。如本设计，根据习惯作法，在末考虑降水措施的情况下，其安全系数应上调0．1～0．3，在考虑了钢管桩作用后，安全系数未予调整。
4．3 设计对施工的要求
一般来说，采用土钉墙结构的前提之一是基坑周边环境对变形要求不太严格，因为土钉支护位移量较大，并且极易受施工因素的影响。为减少施工因素对边坡稳定的影响，在设计中对施工过程的控制应细化，如每小块土钉支护的初喷时间、土钉支护完成时间及上下层土钉的施工间隔等，并通过监测结果对具体参数进行调整。在设定土钉监测指标时，应以土钉的变化速率为主控目标，防止突变，对于其累积值则可适当放宽。
5 土钉结构在地铁中的应用前景
目前广东地区的地铁基坑中，较多的采用密排桩(人工挖孔桩、钻孔桩)作为基坑的支护结构，桩与主体结构密贴作为复合或重合结构进行设计，以充分利用排桩的挡土能力。
土钉支护结构与桩墙支护结构相比，除了造价低、施工速度快等固有优势外，还具有防水性能好的特点。因为无论是重合墙还是复合墙，后期施工的侦t墙受刚度较大的桩的约束，易产生开裂，并且裂缝的发现与修补也只能在背水面进行，侧墙的防水效果较差。土钉墙采用离壁式设计，留有防水层施工空间，防水层施工在主体结构施工完成后进行，防水施工质量的可控性及效果明显好于排桩支护。
而土钉支护与桩墙支护相比不足之处在于：软弱土层、对基坑边土体变形有严格要求的工程其使用受到限制；基坑周边要有土钉穿越空间；对主体结构的抗浮无帮助，如主体抗浮能力不够则需另加抗浮措施。
深圳地铁一期工程中的竹子林站、水晶岛站(土钉+预应力锚索)已在车站主体、附属结构支护中已采用了土钉支护，后期地铁公司大力推荐在出人口、风道等附属结构中使用土钉支护，取得了很好的社会及经济效益。土钉支护作为一种新型的、低能耗的挡土技术，在地铁领域非常具有推广价值。
参考文献
【1】 曾宪明，黄久松，王作民等编著.土钉支护设计与施工手册.北京：中国建筑工业出版社，2000
