劉海兵

(華北地質(zhì)勘查局第四地質(zhì)大隊，河北 秦皇島 066000)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的高速發(fā)展，高層建筑或超高層建筑越來越多的興建，基坑也隨之相應(yīng)的越來越深，施工環(huán)境及施工難度也越來越大。因此，對基坑設(shè)計來說，既要保證基坑施工安全性，又要保證經(jīng)濟合理性，這就需要在基坑設(shè)計時，綜合考慮基坑開挖深度、周邊環(huán)境條件、巖土工程條件的復(fù)雜程度、施工作業(yè)設(shè)備和施工季節(jié)等條件，合理選取支護型式，達到既設(shè)計合理，又經(jīng)濟適用。

支護結(jié)構(gòu)型式主要有：排樁、地下連續(xù)墻、水泥土墻、逆作拱墻、土釘墻、原狀土放坡或采用上述型式的組合，每種支護結(jié)構(gòu)型式都有其適用條件。

樁錨支護體系其主要特點是采用錨桿取代基坑支護內(nèi)支撐，給支護排樁提供錨拉力，以減小支護排樁的位移與內(nèi)力，并將基坑的變形控制在允許的范圍內(nèi)。樁錨支護體系主要由護坡樁,土層錨桿，圍檁和鎖口梁4部分組成，在基坑地下水位較高的地方，支護樁后還有防滲堵漏的水泥土墻等，它們之間相互聯(lián)系，相互影響，相互作用，形成一個有機整體[1-2]。樁錨支護結(jié)構(gòu)體系是將護坡樁與土層錨桿相結(jié)合的一種支護方法,安全經(jīng)濟的特點使它廣泛應(yīng)用于邊坡和深基坑支護工程中，但在超深基坑中的應(yīng)用仍在探索中。

1 工程概況

鳳城國貿(mào)由住宅樓、辦公樓、商業(yè)、公寓及地下車庫等組成，凈用地面積32488.98 m2，總建筑面積356335.23 m2，地下4層，開挖深度19.45～20.25 m，基底標高相當于黃海高程5.55～6.35 m?！?.000=26.30 m，整平后地面絕對標高為25.80 m。該基坑西側(cè)為某大廈，地下2層，地上13～28層，距離本基坑15～17 m；基坑北側(cè)、東側(cè)、南側(cè)均為市政道路，道路下埋有市政給水、污水、配電、通訊、雨水和燃氣管線。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

根據(jù)本工程巖土工程勘察報告[3-4]，按地層巖性及其物理性質(zhì)，將支護相關(guān)地層自上而下分述如表1。

表1 地層巖性及其物理性質(zhì)Table 1 Lithology and physical properties of strata

根據(jù)工勘報告，現(xiàn)場地下水埋深為9.30～12.50 m(黃海高程13.30～16.50 m)，地下水類型為潛水，該層水動態(tài)主要受大氣降水及人工開采影響，年最低水位一般出現(xiàn)在5月底6月初，最高水位出現(xiàn)在9月底或翌年1-2月，地下水年變幅2 m左右，水位總體呈逐年下降趨勢。

3 超深基坑支護設(shè)計方案選擇

基坑開挖深度為19.45～20.25 m，屬超深基坑，基坑設(shè)計安全等級為一級，基坑水平及豎向位移按二級控制[5]。對圍護結(jié)構(gòu)來說，方案選擇本著安全第一，技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理的原則，考慮到基坑開挖深，基坑周圍施工場地狹小，鄰近基坑邊有建筑物和地下管線需要保護，鄰近基坑邊有深基礎(chǔ)建筑物等條件，經(jīng)過多個方案的比較分析：雖然地下連續(xù)墻具有墻體剛度大、防滲性能好、可以貼近施工、占地少等優(yōu)點[6]，但如果施工方法不當或地質(zhì)條件特殊，可能出現(xiàn)相鄰墻段不能對齊和漏水的問題，而且地下連續(xù)墻如果用作臨時的擋土結(jié)構(gòu)，比其他方法的費用要高很多；采用灌注樁作為圍護體系，支撐體系如果采用內(nèi)支撐則工作量太大極不經(jīng)濟，同時如果支撐拆除考慮在內(nèi)工期過長，且拆除過程中難以保持原力系的平衡。

單一支護結(jié)構(gòu)型式難以滿足工程和經(jīng)濟要求，為節(jié)約施工空間，保護鄰近建筑物和地下設(shè)施，減少基底回彈，利用支護結(jié)構(gòu)進行地下水控制，保證基坑開挖安全，防止基坑變形對周邊建筑物和市政道路造成不良影響，綜合考慮采用組合式支護結(jié)構(gòu)[7]，采用樁錨支護方案。

樁錨支護方案優(yōu)點：

(1)現(xiàn)場澆筑、無擠土效應(yīng)、對周邊環(huán)境影響??；

(2)與地下連續(xù)墻比較設(shè)備簡單造價低、速度快；

(3)平面布置靈活。

樁錨支護體系樁頂用鋼筋混凝土冠梁連結(jié)，起到遏制樁頂變形的作用，樁體自上而下按照一定的網(wǎng)度布設(shè)多道預(yù)應(yīng)力錨桿(索)，并通過橫梁背拉樁體，共同約束基坑邊坡變形，為確保邊坡的整體穩(wěn)定起到了主動支護的作用。

4 支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算

基坑支護結(jié)構(gòu)計算包括土壓力計算、灌注樁設(shè)計、錨桿設(shè)計、穩(wěn)定性的驗算。按照《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)[8]的要求，土壓力計算采用朗肯土壓力理論，所有土層采用水土合算。

4.1 原始數(shù)據(jù)(見表2)

表2 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計原始數(shù)據(jù)Table 2 Original data of the supporting structure design

4.2 計算結(jié)果

基坑分6步開挖，分別為基坑深度5.5、9.0、12.5、15.5、18.5、20.25 m，計算結(jié)果見表3。第6步開挖，設(shè)計最大彎矩805.86 kN·m；樁徑800 mm，樁距1.42 m；按圓形截面配筋，壓縮區(qū)角度100.08°，受拉區(qū)角度249.84°，受拉面配筋面積47.99 cm2，配筋數(shù)11Φ25 mm，受壓面配筋面積21.16 cm2，配筋數(shù)7Φ25 mm，總配筋面積69.14 cm2，箍筋Φ8 mm,間距200 mm，加強筋Φ18 mm,間距2000 mm；抗管涌安全系數(shù)2.38，底部隆起值0.18 cm；地基承載力安全系數(shù)2.01。

錨撐設(shè)計[9]見表4。土壓力、彎矩、剪力及位移計算結(jié)果見圖1～5，樁錨支護結(jié)構(gòu)體系見圖6。

表3 基坑支護計算結(jié)果Table 3 Calculation results of the foundation pit support

表4 錨撐設(shè)計Table 4 Anchor supporting design

*計算錨桿自由段長3.27 m，根據(jù)規(guī)范要求，若錨桿自由段長度<5 m，設(shè)計自由段長度取5 m。

5 樁錨施工方案

進場后首先進行測量放線及場地平整，待條件具備后，布置6臺套反循環(huán)鉆機進行護坡樁施工，布置1臺套高壓旋噴鉆機進行西側(cè)樁間帷幕的施工，并隨著護坡樁進度，采用2臺套反循環(huán)鉆機進行降水井的施工。隨著開挖進度，及時進行護坡樁樁頂冠梁及擋墻施工。待開挖至-5 m時，降水井聯(lián)網(wǎng)抽水。隨著土方工作的進行，分別進行每一步的錨桿、腰梁、樁間土支護等項目。

5.1 反循環(huán)成孔灌注樁施工[10]

根據(jù)該工程所在地區(qū)工程地質(zhì)條件和設(shè)計特點，選用GPS-15型反循環(huán)成孔鉆機，原土自然造漿護壁，泥漿循環(huán)系統(tǒng)由泥漿池、泥漿溝等組成。鉆孔和混凝土澆灌中所排出的廢泥漿輸入泥漿儲存池清渣由挖掘機挖出，用裝載機車運至場地指定地點。鋼筋籠在現(xiàn)場制作，然后安放鋼筋籠和砼導管，如果沉渣過大，進行第二次清孔。樁體采用商品混凝土。

圖1 主動土壓力Fig.1 Ative soil pressure

圖2 被動土壓力Fig.2 Passive soil pressure

圖3 彎矩圖Fig.3 Bending moment diagram

護坡樁作為一種隱蔽工程，在施工過程中，從鉆機對位到成孔，每一道施工工序都需要有甲方質(zhì)檢員及現(xiàn)場監(jiān)理工程師按照國家有關(guān)規(guī)范和技術(shù)要求進行驗證、確認，經(jīng)過甲方質(zhì)檢員及現(xiàn)場監(jiān)理工程師驗收合格并同意后，方能進入下一道施工工序。

圖4 剪力圖Fig.4 Shear diagram

圖5 有限元位移圖Fig.5 Finite element displacement diagram

5.2 樁間止水帷幕施工

護坡樁間止水帷幕采用雙管高壓旋噴樁機施工。

5.3 樁頂冠梁施工

工藝流程：挖槽→綁鋼筋→支模→澆筑混凝土→養(yǎng)護。

5.4 磚砌擋墻施工

除部分剖面外，護坡樁頂均低于地面2.3 m，護坡樁頂冠梁以上區(qū)域采用砌磚墻加構(gòu)造柱的擋土方式。

(1)樁冠梁頂至地面范圍砌筑370磚擋墻，磚墻的標號為Mu10，砂漿標號為M10。確定磚墻的砌筑高度2.4 m。在磚墻頂上設(shè)一道鋼筋混凝土壓頂梁；圈梁斷面尺寸200 mm×370 mm，圈梁主筋6Φ14 mm，箍筋?6 mm@250 mm。

(2)磚墻視冠梁距地面的高度不同，間隔2.4 m設(shè)置一個構(gòu)造柱，柱斷面尺寸370mm×370mm，柱主筋8Φ14 mm，箍筋?6 mm@250 mm。沿磚墻高度方向自下而上每間隔0.5 m設(shè)置2?6 mm拉結(jié)筋，每側(cè)錨入磚墻內(nèi)長度≮0.6 m。

圖6樁錨支護結(jié)構(gòu)體系
Fig.6Pile-anchor supporting structure system

5.5 降水井施工

工藝流程：放線定點→鉆機就位→泥漿護壁→鉆孔→驗井→下井管→填礫料→洗井。

5.6 樁間土護壁施工

為防止樁間土的坍塌流失，進行掛網(wǎng)抹漿處理，用2.5 mm厚鋼板網(wǎng)，規(guī)格為20 mm×80 mm×3.26 mm,其外側(cè)加Φ14 mm@1000 mm鋼筋，鋼筋與鑲嵌護坡樁內(nèi)的膨脹螺栓焊接，膨脹螺栓規(guī)格為M12×105，噴50 mm厚C20豆石混凝土。為保證樁壁面的平整度、垂直度，護坡樁施工時，必須嚴格控制樁孔的位置、垂直度，隨時檢查鉆機的平穩(wěn)及鉆桿的垂直度；在土方開挖時，樁壁面禁止機械挖方，應(yīng)用人工清除，以避免樁間土因機械開挖，而造成過度坍塌及超挖；在掛網(wǎng)噴漿處理時，用經(jīng)緯儀測出壁面，在樁間土中插入細鋼筋，拉橫線和吊垂線控制噴漿厚度及垂直度、平整度。從基坑樁頂至坑底全面控制，保證壁面的垂直度及平整度。為保證護壁效果，要求坑內(nèi)土方開挖時，在坑內(nèi)周邊預(yù)留5.0 m寬工作臺，待上層壁面處理完畢后，再用機械和人工清土。

5.7 預(yù)應(yīng)力錨桿施工

因本工程基坑較深，深基坑樁錨支護的錨桿設(shè)計拉力較大，為最大程度降低對土體的擾動和減少沉降量，每層錨桿施工前期根據(jù)設(shè)計要求進行拉拔力試驗，以檢測錨桿抗拉強度能否達到設(shè)計要求。

主要施工工藝流程：鉆機就位→校正孔位調(diào)整角度→鉆孔至設(shè)計孔深→安放錨索→灌漿→二次注漿→養(yǎng)護→安裝腰梁、錨頭→張拉鎖定。

本工程基底以上有一層地下水為潛水。根據(jù)本地施工經(jīng)驗，對地下水采用管井圍降的方式進行基坑降水，同時考慮降水會對周邊道路及鄰近建筑物產(chǎn)生沉降變形的影響，故局部增加止水帷幕確保周邊建筑無沉降變形。

6 支護結(jié)果評述

通過對超深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)頂部沉降觀測、水平位移及深層水平位移的觀測發(fā)現(xiàn)[11]，土體開挖對基坑支護結(jié)構(gòu)變形有較大影響，在開挖過程中及時支撐錨桿能有效控制變形[12]；同一測點隨著深度的增加，水平位移值逐漸減小，土體最大的水平位移位置發(fā)生在地表附近，隨著空間位置的變化，各測點的樁身水平位移表現(xiàn)出明顯的空間效應(yīng)，基坑各測點深層水平位移值由大到小，在監(jiān)測過程中，支護的沉降、位移量均控制在預(yù)定的范圍內(nèi)，基坑施工始終是安全、穩(wěn)定的，鄰近道路、建構(gòu)筑物未發(fā)生實質(zhì)性沉降，證明基坑支護總體方案是比較成功的。

7 結(jié)語

基坑工程是建筑工程尤其是高層建筑的重要部分，基坑支護設(shè)計及施工方案的合理與否關(guān)系到基坑施工的經(jīng)濟性以及整個建筑施工的安全。樁錨支護結(jié)構(gòu)體系是一種超靜定結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好，安全性能高，適用于深基坑及超深基坑工程，以及地層土質(zhì)條件差、周邊環(huán)境條件需要嚴格控制下的基坑支護工程，在各地區(qū)各種地層中都有成功應(yīng)用的實例，對于超深基坑采用樁錨支護結(jié)構(gòu)在基坑開挖后應(yīng)加強實時監(jiān)測，掌握施工動態(tài)，分析變形，指導后續(xù)施工。