土钉墙技术的新进展及前景展望
付文光 杨志银
（中国京冶工程技术有限公司 深圳市南山区后海大道后海办公楼6楼 518054）
摘 要：土钉墙技术近40年的发展史可分为三个阶段：在第一阶段诞生及基本成形，第二阶段开始理论指导实践，目前已进入第三阶段－使用与改进阶段。土钉墙在国内应用一直以基坑工程为主，在国外用于永久性工程较多，技术特点有所不同。土钉墙在国内应用中存在着变形较难控制、对周边环境扰动较大、可能会占用红线外地下空间、偷工减料现象严重等缺点，限制了其应用，在基坑技术中的使用率前几年达到高峰后，近几年已呈理性下降趋势，并将进一步降低到合理程度，但仍有广阔的应用前景。土钉墙的变形、无损检测方法、复合与组合支护、永久性及防腐技术、在各种特殊性及不良土质中的研究应用将成为今后土钉墙技术研究应用的方向与重点。
关键词：土钉墙 发展阶段 新进展 研究方向 应用前景
中图分类号：TU470 文献标识码：A 文章编号：
作者简介：付文光（1970－)，男，北京市人，注册岩土工程师，教授级高工，1992年北京科技大学毕业后在中国京冶工程技术有限公司深圳分公司从事岩土工程设计咨询、工程实践、试验研究等工作至今。
New progress and development foreground in soil nail walls technology
FU Wen-guang, YANG Zhi-yin
(China JingYe Engineering Corporation Limited Company, Houhai Road Houhai office 6 floor , Nanshan District, Shenzhen,518054)
Abstract: There are three stages in development of soil nail walls in nearly 40 years. This technology was born and almost formed in the 1st stage, the theories began to direct practicing in the 2nd stage, and now it’s in the 3rd stage, i.e. application and improvement stage. The technical features are any different between home and foreign country since which is mainly applied to the foundation pit engineering at home and mainly to the permanent engineering foreign. It is under reasonable restrictions these years because of some disadvantage and will be more reduced later, but it still has the wide development prospect. Deformation, non-destructive testing method, combined support technology, permanency proofing technology, use in the all kinds of bad ground, etc. are the study direction and keys of the soil nail walls technology in the future.
Key words: soil nail walls; development stage; new progress; study direction; development prospect
1 土钉墙技术的发展过程及新进展
土钉墙近40年的发展史大体可分为三个阶段：前20年为第一阶段，之后的10~15年为第二阶段，目前已进入第三阶段。
第一阶段为土钉墙技术的“幼儿及青少年期”－技术诞生及形成阶段。20世纪70年代，欧洲及北美洲一些国家几乎同时各自独立地开始了土钉墙技术的研究和应用，其中法国、德国及美国是主要力量。这一阶段除了工程实践外，先后完成了一些重要的室内外试验及现场实测，进行了作用机理及使用性能的研究分析，创建了设计及施工方法，编制了设计计算程序。第一阶段土钉墙技术基础研究工作基本完成，技术初具轮廓。法国1986~1990年完成现场工作、1991年完成总报告的著名的Clouterre实验研究项目标志着这一阶段的结束。
第二阶段为“青年期”－成熟阶段。进入90年代之后，土钉墙在国内深基坑领域的成功的、大量的应用为该技术注入了新的、强大的动力。这一阶段的特点是一些国家及地区纷纷编制了技术标准，土钉墙技术进入了理论指导实践阶段。国外的主要技术标准有美国联邦公路总局1996年完成的《Design & Construction Monitoring of Soil Nail Walls（FHWA-SA-96-069R）》、JH日本道路公団1994年完成的《切土補強土工法設計施工要領》及1995年的《切土補強土工法設計施工指針》、欧洲标准化技术委员会2002年发布的欧盟标准《Execution of special geotechnical works - Soil nailing（prEN 14490-2002）》等，其中有的规范已经出过一次甚至两、三次局部修订版。
土钉墙技术在国内起步较晚。王步云1980年开始在边坡支护中应用土钉墙（当时称为锚杆），之后数年该技术的工程应用不多且基本上用于边坡支护，没有引起太多关注。90年代初国内基坑大量出现，土钉墙技术开始用于基坑工程。此时国外土钉墙技术已基本定型，国内直接引用并加以消化，走的弯路少，发展迅猛（顺便说一句，有学者认为土钉墙技术是国内技术人员在基坑工程中的创造性应用，这种说法过于爱国化了）。继1991年王步云用于太原地下停车场主楼基坑及胡建林用于深圳市金安大厦基坑（当时图纸上已注明为“土钉”）后，1992年工程兵总参三所在深圳文锦广场大厦基坑采用锚杆复合土钉墙（当时称为喷锚网支护）获得成功，极大地促进了土钉墙技术在全国内的推广应用，土钉墙技术短短几年之内就在各种基坑支护技术中独占鳌头，迎头赶上了国际水平。国内技术标准纷纷出台，如深圳市建设局1996年发布的地区标准《深圳地区建筑深基坑支护技术规范（SJG05-96）》、中国工程建设标准化协会1996年发布的行业标准《基坑土钉支护技术规程（CECS 96：97）》、中国建筑科学研究院1999年主编的建设部行业标准《建筑基坑支护技术规程（JGJ 120-99）》等。
鉴于Clouterre取得的巨大成功，多个国家加入了1992~1999年进行的Clouterre II项目，研究重点包括土钉墙的变形、抗冻性、抗震性、数值分析与模拟、三维分析等，成果汇集在《Additif 2002 Aux Recommandations Clouterre 1991》（法文版）一书中。除此外，第二阶段其它大型室内外试验研究项目已经很少，对土钉墙的性能已基本了解。
土钉墙的第三阶段为“青壮年期”－使用与改进阶段，与第二阶段没有明显的分期标志，大致可以认为2005年开始进入第三阶段。经过多年的发展，土钉墙技术已基本完善，大型的试验研究项目几乎不会再有。经过多年工程实践的检验，多个国家及地区开始纷纷对第一代技术标准进行较大规模的修编，及编制了更多、应用范围更广的新标准。目前国外较新的规范有美国联邦公路总局修编的《GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR NO. 7 ：Soil Nail Walls（FHWA0-IF-03-017）》、英国标准协会转化的欧盟标准《Execution of special geotechnical works-Soil nailing（2005）（BS EN 14490）》、日本補強筋法枠工協会编制的《補強筋法枠工設計施工マニュアル》（2004）、日本高速道路株式会社修编的《切土補強土工法設計施工要領》（2007）、日本斜面安定協会编制的《斜面安定工法設計施工指針2008》、香港土木工程署编制的《Geoguide 7:Guide to Soil Nail Design and Construction （2008）》等。国内土钉墙技术标准大量涌现，专项的、综合的、行业的、地区的，计有二十余本，不一一列举。预计在3年内，国内外修编及新编的第二代技术标准数量将达到一个小高潮，国内将达到三十余本。第三阶段，国内土钉墙在基坑支护技术中的应用比例有所下降。
经过多年发展，土钉墙现在已不宜再称之为新技术，已经成为了一门成熟的、常规的、通用的岩土工程技术，在基坑支护及边坡加固等领域居十分重要地位，应用非常广泛，应用范围已遍布亚洲、欧洲、北美洲、南美洲、大洋洲、非洲等全世界。目前，国内外土钉墙支护面积达1万m2以上的基坑或边坡屡见不鲜，支护的基坑深度已达到21~25m（但作者并不鼓励土钉墙用于深度超过18m的基坑支护），边坡高度达50m以上[1]。
2 国内外土钉墙技术特点比较
国外（主要指美欧日，下同）土钉墙大量应用于永久性工程，尤其是道路边坡、桥台等。近些年国内每年基坑出现的数量估计比其它国家总和还要多，土钉墙主要应用于临时性的基坑支护工程，故国内外的土钉墙技术存在着一定差别，各有所长。主要不同之处有：
（1）国外对土钉墙结构的耐久性－如抗腐蚀、抗老化、抗震、抗冻、蠕变等性能研究较多且防护措施成熟。国内对这些性能的研究很少，尽管近3年新编制的某些技术标准有所涉及，但几乎都是直接吸取的国外研究成果。
（2）国外土钉墙面层的作法较多。如欧美国家，面层多为两层，喷射混凝土作内层、现浇混凝土作外层；只有一层喷射混凝土时多采用表面抹光、压光、挂灰或彩色混凝土等措施。日本较注重于外观效果，面层较多采用钢筋混凝土格构梁、土工材料网或中空砌块，其间植花草绿化。国内面层几乎只有喷射混凝土一种作法，包括很多永久性边坡都是如此，外表灰蒙蒙一片，感观较差。
（3）国外很注重坡体泄水措施，多要求在面层下设置土工材料作为排水体，以保证土钉墙在无水条件下工作及防止地下水对土钉墙的侵蚀或渗流破坏。国内一般仅设置简单的泄水孔。虽然近几年有新编规范要求永久性土钉墙坡体泄水仿照国外作法，但从几乎没有公开文献（如公开发表的论文等）这点判断，这么做的显然非常少。
（4）国内外设计分析计算方法有所不同，各有所长，但都以极限平衡分析方法为主。这个问题较复杂，这里不加讨论。
（5）国外设计时，完成稳定性及钉长验算后，往往将边坡下部短钉加长，使上下土钉等长或分批等长，以利于机械化作业施工。国内无此作法。
（6）国外土钉墙几乎只用于较好土层，国内土钉墙应用十分广泛，在淤泥等各种不良土层中都得到了应用。
（7）国外没有强调“复合土钉墙”或“复合土钉支护”概念。国内复合土钉墙已是土钉墙技术主流，对其研究与广泛应用是国内学者对土钉墙技术发展的重要贡献，目前正在编制、预计两年后发布的国标《复合土钉墙基坑支护技术规范》将会是中国在土钉墙技术上对国际的独特贡献。
3 国内土钉墙技术的应用情况
笔者对土钉墙在基坑工程中的应用情况进行了粗略统计，结果如表1及图1所示。样本基坑来自3方面：①笔者公司在深圳地区设计或施工过的部分工程，计330个；②会议论文集，包括第一~五届全国基坑会议、第三~九届全国地基处理学术会议（第一、二、十届没有收录基坑论文）、1996年某高层建筑深基坑工程经验交流学术研讨会议（北京）等，计203个；③几本基坑工程实例集，包括1996年杭州市建筑业管理局主编的《深基坑支护工程实例》，黄强、惠永宁1997年主编的《深基坑支护工程实例集》，龚晓南2006年主编的《基坑工程实例1》及2008年主编的《基坑工程实例2》，计159个。以上基坑数量合计692个，有些工程采用了分段支护，同一基坑支护形式有多种，故实际样本712个。统计时：① 1993年以前土钉墙案例极少，没有统计；②近几年新出现的组合支护（包括上下组合支护，如上半部分土钉墙、下半部分桩撑，及左右组合支护，如疏排桩土钉墙）中，土钉墙不是最主要受力结构，没有计入土钉墙样本内；③样本具有局限性，如：样本中收录了90年代中期的几本基坑工程实例专集，故该时期样本比例偏高；之后基坑数量持续增加，但因常规设计较多、有一定特色的相对较少，故收录在论文集等公开文献中的样本比例反而降低；样本集中在经济发达地区，老少边山穷地区很少；2008、2009年样本较少，基本上以上述来源1为主、地区覆盖面窄，等等。故样本并不能完全代表国内的全面及最新情况。
表1 总样本及土钉墙样本统计表
Table 1 The statistics of total samples and soil nail walls samples
施工时间 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 合计 98年后合计
总样本/个 48 59 60 41 20 31 35 17 35 37 60 58 63 48 48 23 29 712 484
土钉墙/个 4 8 7 8 3 21 18 13 24 20 34 32 20 19 19 11 12 273 243
比例/% 8.3 13.6 11.7 19.5 15.0 67.7 51.4 76.4 68.6 54.1 56.7 55.2 31.7 39.6 39.6 43.4 41.3 38.2 50.2
图1 历年来土钉墙样本比例
Fig.1 The rate of soil nail walls samples in recent year
从图表中可以看出：①1998年以后（样本统计的是施工时间）土钉墙应用比例大幅攀升，占到了基坑总数一半以上。这与前述96年发布的两本技术规范的促进作用有关。②1998~2004年是土钉墙应用的高峰期，土钉墙似乎无所不能，被应用于各种条件下的基坑。这段时期土钉墙工程事故或险情较多。③2005年开始，土钉墙使用比例呈下降趋势。经过多年的发展应用，业界对土钉墙的认识日趋全面，对其缺点及使用方法基本掌握，应用趋于理性，土钉墙技术发展到了第三阶段。
4 土钉墙的主要缺点
（1）土钉墙技术的重要缺点之一是变形较难控制。基坑支护结构的刚度越大，受力后变形越小，土钉墙是一种以受拉土钉为主要构件的柔性支挡结构，整体刚度小，基坑较深时变形较大，相对桩锚、墙撑等刚性较大的支护结构而言，在较深的基坑中，土钉墙很难把支护结构及土体变形约束在较小范围内。可以通过增加土钉长度、密度及采用复合支护（如增加微型桩或搅拌桩等超前支护措施、增加预应力锚索等）方法减少土钉墙的变形，但这样会造成工程造价的大幅上升，丧失价格优势，可能会导致土钉墙性价比不好而被弃用。
（2）土钉墙另一个重大缺点是在地下水位较高的场地，不可避免地会造成基坑外的水土流失，对周边环境的扰动较大，可能会造成周边地下水位下降过多从而引发建筑物下沉开裂。不少人认为采用搅拌桩等止水帷幕后，就应该能完全阻隔住坑外地下水向坑内的渗流及坑外地下水位的下降。实际上做不到[2]。止水帷幕阻止了地下水向坑内的自由渗流，改变了流线轨迹，减缓了地下水的渗流速度，减少了渗流量，同时防止了地下水从坡脚逸出，提高了地下水位，缩短了浸润线，缩小了降水漏斗半径，从而缩小、减轻了对周边环境的影响，但并不能完全防治。土钉施工时的水土流失及完工的钉头渗水很难防治。
（3）需要一定的置放宽度也越来越成为土钉墙的重要缺点，因为大部分基坑侧壁离红线很近甚至基本沿红线开挖，土钉的中、尾部往往会超出用地红线，进入他人的用地范围。随着物权法2007年开始实施、人们维权意识的日益增强，基坑支护结构物侵入别人地下空间而引起的纠纷越来越多，给开发商及承建商带来较大的经济及工期损失风险。故锚杆、土钉、拉锚等受拉横向构件的使用将进一步受到限制，内支撑、逆作及半逆作、双排桩等不占用红线外空间及对周边环境扰动较小的支护方法将得到越来越多的应用，一些境外较为常用的工法[3]，如地中壁法、扶壁法将会被引入研究使用。
（4）不得不说的是另一类缺点。较其它支护结构而言，土钉数量多、单钉施工迅速、检测方法不完善，偷工减料行为比较容易实现，监管及加以制止的难度很大，这形成了国内目前工程环境下土钉墙的一个主要“缺点”。笔者长期工作在一线，通过对数十个土钉墙工程事故或险情的深入调查及分析后认为，在深圳、北京、广州等土钉墙技术发达、专家审图制度比较完善的城市，勘察、设计、监测等都已经不再构成土钉墙工程发生质量或安全事故的主要原因，主要乃至唯一原因是严重的偷工减料行为。偷工减料行为主要体现在土钉长度减短、数量减少、钢管注浆钉注浆量不足等三方面，很多工程都可用“触目惊心”一词来描述其严重程度。遗憾的是很多专家学者对此并不了解或无可奈何，故往往通过提高设计安全系数的办法以期提高安全性，其效果可想而知。
正是土钉墙的这种缺点导致了其声誉的降低。土钉墙曾经以造价低、施工快的优点风光无限，例如广州，估算几年前高峰时使用率超过70％，远远超过其它基坑支护方法，当年普遍“有条件要用，没有条件创造条件也要用”。过度迷信与不当使用，导致工程事故或险情屡出不穷，广州于是走向了另一个极端，就是严格限制其工程应用，使得近几年土钉墙技术在广州的深基坑工程中芳踪难觅。曾宪明研究员指出[4]：“采用某项技术发生工程事故后，人们常把事故归罪于该技术方法本身。这有失公道，且于事无补”。诚哉斯言。
5 土钉墙技术的应用前景
（1）土钉墙技术的优点较多、较强、较独特，已有工程应用极多且未来市场仍将极为庞大。国内已成为且未来的数十年内仍将是国内外土钉墙技术发展的最主要市场及力量。
（2）随着国内中西部地区建设热潮的掀起，土钉墙在目前经济欠发达地区将得到进一步普及应用，应用热点地区将从东南沿海向中西部转移。在此过程中，土钉墙的应用范围将进一步扩大，在冻土、膨胀土、湿陷性黄土、盐渍土、污梁土等特殊性岩土及岩溶等不良地质条件下的应用将增多，永久性工程将增多。
（3）土钉墙的应用日趋理智、成熟、规范，使用条件将进一步受到限制，使用率也将进一步下调到合理程度。工程造价将不再是决定基坑支护方法的最主要因素，基坑支护设计从承载能力极限状态设计正在逐渐向兼顾正常使用极限状态设计发展。由于土钉墙上述固有的缺点，其应用必将受到进一步限制，尤其当基坑深度很大或淤泥层很厚时。认为土钉墙“万能”的狂热时代已经过去，但对这种技术的过度疑虑也形不成主流。
6 今后的技术研究方向与重点
（1）土钉墙变形。变形问题一直是基坑技术中的难点，土钉墙的变形预测目前国内外仍以经验为主，尚未进步到半经验半理论阶段。基坑变形问题越来越受到重视，这将促使设计计算理论及方法得到进一步完善与发展，有限元法及有限差分法等数值分析方法将得到越来越多的应用。
（2）土钉质量的无损检测，尤其是钉长的检测。目前土钉质量检验几乎只有抗拔力检验一种，如果能通过非拔出破坏方法检测出土钉的长度，偷工减料行为必定会在一定程度上受到遏制。
（3）复合支护理论。单一的土钉墙的受力机理与工作性能大体已了解，但与止水帷幕、微型桩及预应力锚杆复合作用的机理研究目前还较肤浅（尤其是微型桩参与复合作用时），设计理论与计算方法尚不成熟，尽管工程应用已十分广泛。
（4）组合支护技术。土钉墙与桩锚、墙撑等支护技术的组合应用可取长补短，有些情况下较单一支护更具优势，应用将越来越多。但是，同复合支护一样，这些组合支护的作用机理尚不明确，设计理论尚不成熟。
（5）永久性土钉墙的施工技术，主要指防腐蚀及防治地下水的技术及工艺。随着公路铁路建设规模的继续增加，山地建设项目的日益增多，对土钉墙永久性工作性能的要求渐渐变得迫切和重要。
（6）在冻土、膨胀土、湿陷性黄土、盐渍土、污梁土等特殊性岩土及岩溶等不良地质条件下的应用研究。
参考文献：
[1] 长沙理工大学主编．公路土钉支护技术指南[S]．北京：人民交通出版社，2006(Changsha University of Science & Technology. Guidelines for Soil Nailing in Highway Engineering[S].Beijing: China Communication Press,2006)
[2] 刘国彬，王卫东主编．基坑工程手册（第二版）[M]．北京：中国建筑工业出版社，2009(LIU Guo-bin, WANG Wei-dong. Excavation engineering handbook(Second Edition)[M]. Beijing: China Architecture & Building Press. 2009 )
[3] 欧章煜，谢百钩．深开挖邻产保护之探讨[J] ．岩土工程学报增刊．2008(30)：509－517(OU Chang-yu, HSIEH Pio-go. Building protection measures in deep excavations[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008(30)：509－517)
[4] 曾宪明，郑志辉，戴瑞奇等编著．复合土钉支护设计与施工[M] ．北京：中国建筑工业出版社，2009(ZENG Xian-ming, ZHENG Zhi-hui, DAI Rui-qi, etc. Design and Construct of the Composite Soil Nail Walls. Beijing: China Architecture & Building Press. 2009)
