孟憲偉，劉玉峰，劉勝梅，齊閣，李小倩

(1.青島瑞源工程集團有限公司，山東 青島 266555；2.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590；3.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032)

0 引言

濱海地區(qū)地下水位較高，工程性狀較差的軟土、粉細砂等分布較廣，給基坑支護帶來很大不利影響。特別是在建成區(qū)進行基坑施工，周邊環(huán)境條件比較復雜，如果基坑支護措施不當，往往會造成不可估量的損失。

樁錨支護是常用的一種支護形式，該支護形式能夠有效地控制基坑變形。其原理是鉆孔灌注樁和錨桿共同作用，共同抵擋樁后土體的壓力。此支護形式受力明確，施工方便，但在濱海地區(qū)高水位地層中施工錨桿時存在如下問題：①淤泥等軟弱土抗剪強度較低，提供的抗拔力較小，計算得出的錨桿錨固段非常長。但大量試驗結果表明，錨固段長度超過某個數(shù)值后，抗拔力并不能得到相應明顯提高[1-2]，即單純依靠增加錨固段長度提高的抗拔力是有限的。②飽水砂土中錨桿施工極易造成涌砂冒水現(xiàn)象。隨著砂土的流出，支護體系外側出現(xiàn)空洞，導致基坑周邊地面塌陷，危及周邊建(構)筑物的安全。③錨桿施工不可避免地破壞止水帷幕，影響帷幕止水效果。

為了克服傳統(tǒng)錨桿在支護施工中存在的缺陷，國內外學者進行了大量研究。Mickovski 等[3]通過對洋蔥等植物根系對砂土的錨固機理進行了系統(tǒng)的試驗研究，得到了其抗拔力與深度和直徑成正比的規(guī)律。胡建林等[4]、陳維華、季樹凱[5]、孫濤等[6]對擴大頭錨桿的抗拔承載力進行了現(xiàn)場試驗，得出擴大頭錨桿較普通錨桿的承載力平均提高20%～30%，最大為66%。

采用擴大頭錨桿可以顯著提高錨桿的抗拔力，減小錨固段長度，減少錨桿道數(shù)，較好地解決了濱海高水位砂土地層中基坑支護施工時出現(xiàn)的涌砂冒水問題。但由于一般只在水位以上設置一道擴大頭錨桿，在水土壓力作用下，與之相匹配的樁的彎矩比較大，配筋也比較大。為了解決這一問題，本文提出了結合控制性降水措施的擴大頭錨桿樁錨支護技術，將基坑外的水位控制在某一深度，在確?；又苓吔ㄖ锇踩那疤嵯驴梢杂行Ы档椭ёo樁的彎矩。

近幾年來，工程技術人員對周邊存在位移敏感建筑物條件下的控制性降水進行了大量試驗研究，目的是既要保證降水效果，又能有效控制降水引起的周邊環(huán)境變形?？娍“l(fā)等[7-8]、劉軍等[9]、姚天強等[10]對降水和由此引起的地面沉降作了大量研究。研究表明，合理、可行的降水方案能夠兼顧降水效果與周邊環(huán)境變形要求。下面將結合工程實例對結合控制性降水措施的擴大頭錨桿樁錨支護技術進行介紹。

1 工程概況

擬建污水泵站主要包括一座污水泵站及進水轉折井、進(出)水閘門等配套設施。污水泵站基坑周長約100 m，開挖深度約10.7 m。

1.1 基坑周邊環(huán)境

擬建地下室外墻距基坑北側原有泵站約8.8 m；東、西兩側距現(xiàn)有建筑物距離均大于10 m，但1 倍基坑深度范圍內有多條暗渠、污水管道等，南側緊臨東海路，管線較多(見圖1)。

1.2 工程地質條件

工程場區(qū)地形平緩，地貌類型屬濱海淺灘，后經(jīng)人工改造。場區(qū)第四系厚度約12.6 m，第四系由全新統(tǒng)人工填土層、海相-海相沼澤化沉積層、洪沖積層及上更新統(tǒng)洪沖積層構成。場區(qū)基巖為燕山晚期花崗巖，局部穿插后期侵入的細粒花崗巖巖脈。巖土層的物理力學性質如表1 所示。

場區(qū)地下水穩(wěn)定水位埋深約2.5 m，地下水類型主要為第四系孔隙潛水-弱承壓水。

2 基坑支護設計

2.1 方案比選

2.1.1 傳統(tǒng)樁錨支護體系與擴大頭錨桿樁錨支護體系

兩種支護體系均設計鉆孔灌注樁樁徑1000 mm，樁心距1500 mm，樁頂標高-1.50 m；錨桿水平間距1500 mm。計算采用理正深基坑支護結構設計軟件Fspw6.0，計算結果見表2。

圖1 基坑周邊環(huán)境平面圖

表1 各巖土層物理力學指標匯總表

由表2 可以看出，①經(jīng)濟性：普通錨桿需要4道，錨桿總長為82 m；而擴大頭錨桿只需1 道，長度為20 m。雖然方案2 比方案1 的灌注樁配筋要大，但由于錨桿的總長度大大減少，綜合測算工程造價方案2 比方案1 降低了約25%。②工期：由于減少了錨桿道數(shù)，方案1 錨桿施工需要的時間是方案2 的4 倍，且方案2 對土方的分層開挖要求大大降低?？梢?，采用擴大頭樁錨支護技術可以大幅度縮短工期。③施工：方案1 的第2、3、4 道錨桿的施工均在水位以下，錨桿施工難度較大，成孔時易引起塌孔、涌砂、冒水等現(xiàn)象，容易造成基坑周邊地面、建(構)筑物、地下管線的開裂、坍塌、沉陷，嚴重時甚至會導致支護體系失穩(wěn)。方案2 的錨桿在水位以上施工，而且擴大頭錨桿采用跟管鉆進工藝，降低了上述問題發(fā)生的可能性。因此，在本工程中采用擴大頭錨桿樁錨支護技術具有造價低、工期省、施工方便的優(yōu)點，故最終選用方案2。

2.1.2 不降水方案與控制性降水方案

降低地下水位可以有效降低水土壓力，提高土體黏聚力和內摩擦角，降低支護結構的最大剪力和彎矩，利于基坑穩(wěn)定；但降水會引起周邊環(huán)境的附加沉降，對基坑周邊的建(構)筑物及管線帶來不利影響。故設計計算時必須綜合考慮上述兩方面因素，對水位降深和周邊沉降進行計算，通過優(yōu)化設計選擇最優(yōu)水位降深。

(1)降水沉降計算：計算參數(shù)如表3 所示，考慮降低鉆孔灌注樁的彎矩和剪力的同時保證降水時基坑周邊建筑物、地下管線的安全，按照《建筑地基基礎設計規(guī)范》方法，采用《基坑工程手冊》公式，使用理正降水沉降分析軟件進行驗算，得出降深與辦公用房和地表的最大沉降量關系曲線(如圖2)。

圖2 降水與建筑物、地表沉降的關系

由圖2 可以看出，建筑物最大沉降量和地表最大沉降量均隨水位降深的增加而增大，由于建筑物距離基坑較遠(約15 m)，由降水引起的建筑物附加沉降不大，地表最大沉降量均大于建筑物最大沉降量。當水位降深≤3 m 時，建筑物最大沉降量曲線比較平緩，由降水引起的建筑物最大沉降小于0.2 cm；當水位降深≥3 m 后，建筑物最大沉降量曲線變陡，當水位降深為5 m 時，建筑物最大沉降達0.6 cm。當水位降深≤2 m 時，地表最大沉降量曲線比較平緩，由降水引起的地表最大沉降小于0.60 cm，當水位降深≥2 m 后，建筑物最大沉降量曲線變陡，當水位降深為5 m 時，地表最大沉降達1.9 cm。

表2 兩種錨桿計算結果對比表

表3 降水沉降計算參數(shù)表

(2)內力計算：計算采用理正深基坑支護結構設計軟件，對基坑周邊不采取降水措施和不同水位降深情況分別進行計算，得到每種情況下灌注樁的最大彎矩和最大剪力。圖3 為水位降深與灌注樁最大剪力關系圖，圖4 為水位降深與灌注樁最大彎矩關系圖。

圖4 降水與灌注樁彎矩關系圖

由圖3、圖4 可以看出，隨著水頭的降低，鉆孔灌注樁的最大剪力和彎矩均不斷減小。當水位降深由0 m 增加到2 m，鉆孔灌注樁的最大彎矩和最大剪力均顯著下降，此后，曲線呈平緩下降狀態(tài)。這表明當水位降深大于2 m 后，灌注樁的最大彎矩和最大剪力變化不明顯，繼續(xù)降低水頭意義不大。

2.2 支護設計

經(jīng)過以上綜合比選，最終確定基坑的東、南、西側采用擴大頭錨桿樁錨支護形式，其外側布置井點，水位降深控制在2 m。

設計鉆孔灌注樁樁徑1000 mm，樁心距1500 mm，樁長15.2 m。配19 根Φ28 三級螺紋鋼主筋。設計錨桿桿體材料為6φs15.2 鋼絞線，錨桿長度20 000 mm ，間距1500 mm，鉆孔直徑150 mm，錨固段長度10 000 mm，其中擴大頭段長度5000 mm，直徑800 mm，入射角度30 °，錨桿預應力鎖定值360 kN，錨桿內力設計值720 kN?；又ёo剖面見圖5。

圖5 基坑東、南、西側支護剖面圖

基坑北側毗臨地下室，無法采用樁錨支護形式，故采用旋噴樁水泥土重力式擋墻支護。設計水泥土墻寬度7 m，嵌固深度6.5 m，格柵狀布置。設計旋噴樁樁徑1200 mm，樁心距1.0 m，采用三重管工藝。

3 基坑監(jiān)測

為了動態(tài)獲取基坑開挖和使用過程中支護結構及周邊建(構)筑物的受力及變形信息，確?；娱_挖使用過程中的安全，在基坑周邊布置了支護結構頂部水平位移、垂直位移監(jiān)測、預應力錨桿軸力監(jiān)測、地下水位監(jiān)測和周圍環(huán)境沉降監(jiān)測等監(jiān)測項目，監(jiān)測點平面布置如圖6。

圖6 監(jiān)測點平面布置圖

3.1 圍護結構頂部水平、垂直位移監(jiān)測

圖7 為基坑監(jiān)測點的水平位移曲線圖，反映了水平位移在整個監(jiān)測過程中的變化。由圖7 可知，基坑北側SP1 測點水泥土重力式擋墻部位在開挖初期位移沒有變化，在開挖接近基底時位移有所發(fā)展，但位移量很小，且很快趨于穩(wěn)定?；訓|側SP3 監(jiān)測點在開挖初期位移變化明顯，隨后進入穩(wěn)定狀態(tài)，SP2 則在開挖初期位移很小，在開挖接近基底時位移變化速率變大?；幽蟼萐P4 在開挖過程中位移一直在變大，在使用階段后期趨于平穩(wěn)。基坑西側SP5、SP6 位移變化與SP4 類似?？傮w來說，基坑水平位移均未超過報警值，其變化呈階梯狀，與土方分層開挖有較好的對應性，基坑開挖至基底后10 天內，各測點位移基本不再增大，趨于定值，圍護結構處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)。

監(jiān)測期間，基坑整體垂直位移變化不大，最大位移發(fā)生在基坑西側，變形量為2 mm，其它地段變化較小。

在整個監(jiān)測期間內，周邊環(huán)境垂直位移較小，未到達報警值，保證了周圍建筑物和管線的安全。

3.2 預應力錨桿軸力監(jiān)測

為了監(jiān)控基坑施工期間預應力錨桿內力狀態(tài)，分別在基坑東(E-1)、南(S-1)、西側(W-1)進行了預應力錨桿軸力監(jiān)測。在監(jiān)測錨桿端部設置振弦式錨桿軸力計。軸力計量程根據(jù)錨桿設計軸拉力確定，最大量程大于設計軸拉力值的120%。測得錨桿軸力變化數(shù)據(jù)如表4 所示，錨桿軸力變化曲線如圖8。

表4 錨桿軸力監(jiān)測表 kN

圖8 錨桿軸力變化曲線圖

由表4 和圖8 可知，錨桿張拉后其鎖定值均小于設計鎖定值400 kN。其原因可能有兩個方面：①錨桿鎖具在張拉過程中存在自鎖現(xiàn)象，導致軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)小于千斤頂油壓表顯示張拉數(shù)據(jù)；②錨桿張拉后未鎖定到位，產(chǎn)生預應力松弛現(xiàn)象。圖9 表明，E-1、S-1 錨桿軸力隨基坑開挖而略有增加，但增加幅度不大；而W-1 則出現(xiàn)明顯應力松弛現(xiàn)象，鎖定后預應力損失超過63 kN。鑒于以上分析，錨桿設計鎖定值應以軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)為準；考慮預應力松弛現(xiàn)象普遍存在，張拉過程中可適當進行超張拉，以保證鎖定值滿足設計要求。

3.3 監(jiān)測結果總結

本工程基坑四周整體水平位移較小，平均位移小于2 mm。最大位移發(fā)生在基坑西側北段，可能與此處受細?；◢弾r巖脈的影響，鉆孔灌注樁施工未達到設計樁長有關。在基坑開挖及使用過程中，基坑北側、南側支護結構頂部垂直位移變化不大。最大垂直位移2 mm 出現(xiàn)在基坑西側，遠未達到報警值，說明支護結構是安全穩(wěn)定的?；颖眰却怪蔽灰埔恢弊兓淮?，說明毗鄰地下室部位采用水泥土重力式擋墻支護型式是可靠的?；又苓吔ㄖ镒畲蟪两盗? mm，說明基坑開挖及降水對周邊建筑物的影響不大。

監(jiān)測結果表明，基坑位移，錨桿軸力均小于設計值?？紤]本工程周邊環(huán)境條件較為復雜設計安全系數(shù)較大，擴大頭錨桿抗拔承載力遠未發(fā)揮；此外，可能與設計計算中未考慮降水引起基坑周圍土層物理力學參數(shù)的提高有關。

4 結論

(1)在濱海地下水位較高且存在飽水砂層的情況下，可通過設置擴大頭錨桿來解決在地下水頭較高的部位設置多道錨桿引起的涌砂冒水的問題。

(2)控制性降水可有效減小作用于支護體系上的水壓力，對支護體系的安全起積極作用。

(3)通過優(yōu)化設計選擇控制性降水的最優(yōu)降深，既可以有效降低水頭，又能達到保證基坑周邊建(構)筑物、地下管線的使用安全的目的。