深基坑支護工程預應力懸臂支護結構施工技術

付雋蒼 李根源 崔萬海 劉 丹 彭 強

云南建投第二建設有限公司 云南 昆明 650203

1 項目概況

項目位于昆明市呈貢新區彩云南路與駝峰街交叉口，場地東側為彩云路，東北角為昆明軌道交通1號線駝峰街地鐵站。項目基坑支護周長約1 200 m，開挖深度8.3～13.8 m。基坑東側為彩云南路，彩云路下有地鐵通道且基坑東北角有地鐵站，基坑開挖線距離地鐵出入口約11.0 m，距彩云路圍欄約10.7 m，如圖1所示。

圖1 基坑位置平面示意

2 方案選擇

2.1 錨拉式支護

錨拉式支護結構最常用的形式為樁錨支護，其優點為力學性能較好，能為主體結構提供廣闊的操作面，造價低，施工速度較快，可控性好。缺點為錨索不宜用在軟土層和高水位的碎石土、砂土層中；當鄰近基坑有建筑物地下室、地下構筑物等時，不宜采用錨索；當錨索施工會造成基坑周邊建（構）筑物的損害時，不應采用錨桿。本項目靠市政道路部分地段不適宜使用。

2.2 支撐式支擋結構

支撐式支擋主要有 排樁＋內支撐地下連續墻＋內支撐 兩種結構形式，其優點為：整體性能好，安全性較高；剛度大，變形小，有利于保護周圍環境；不侵入相鄰場地，支護結構不超出紅線。缺點為：土方開挖及主體施工空間有一定受限；內支撐造價高、工期長。

由于工期長、造價高，不利于主體結構快速施工，內支撐支護方案在本項目中不適宜采用。

2.3 普通懸臂式支擋結構

普通懸臂式支擋結構省去了錨桿（索）和內支撐，支護結構不超出用地紅線。在基坑支護深度較深時，樁頂位移較大，無法有效控制結構變形，影響周邊環境安全。懸臂支擋結構適用于開挖深度較淺、地質條件較好的基坑支護工程。本項目基坑深度8.3～13.8 m，經計算，普通懸臂式支擋結構不能滿足基坑穩定性要求。

2.4 雙排樁支擋結構

雙排樁支擋結構也是一種懸臂式支擋結構，但它是一種鋼架結構形式。相對于普通懸臂式支擋結構，它的剛度更大，變形協調能力更強。雙排樁排距一般為3D～4D（D為支護樁樁徑），占用的場地較大，適用于開挖深度小于8 m、地質條件較好、對變形控制不嚴的基坑。本項目支護范圍管線較多，場地受限，不具備施工雙排樁的條件。

2.5 預應力懸臂支護結構

預應力懸臂支護結構是在普通懸臂式支擋結構基礎上對懸臂支護結構施加預應力，使支護結構由向坑外位移趨勢產生的土反力增量近似等于主動土壓力，其與普通支護樁對比情況如下。

2.5.1 節約支護空間和節約材料

與常用的普通排樁支護相比，普通排樁支護在深基坑支護中往往采用雙排樁的支護形式，而采用預應力懸臂支護樁一排即滿足基坑安全要求，從而在節約支護空間的同時也節約支護材料，可最大限度地利用地下空間。

2.5.2 綠色環保

采用預應力懸臂支護樁在鋼筋籠中加入預應力鋼絞線，灌注樁混凝土澆筑完成且樁身混凝土強度達到設計強度的75%時，張拉鋼絞線并鎖定，即可將土方開挖一次分層開挖至基坑底部，無需施工錨索腰梁，相比需在土體中施工錨索的普通支護樁，保護土壤資源，更加綠色環保。

2.5.3 節約工期

與傳統的普通排樁支護相比，預應力懸臂支護樁在樁頂冠梁施工完成和鋼絞線張拉鎖定后，即可將基坑土方一次分層開挖至基坑底部，可縮短基坑支護施工周期。

2.5.4 懸臂高度大

普通排樁支護懸臂高度小，而采用預應力懸臂支護樁，經計算分析，其懸臂高度大，且樁頂、樁中部無需施工錨索腰梁進行加固。

2.5.5 避免了地下遇到特殊地質無法施工錨索的情況

基坑支護施工過程中，基坑北側地下遇到厚度厚且范圍廣的大量毛石回填層，經過現場分析討論和專家論證，若采用普通排樁支護，施工錨索時將會出現錨索施工鉆進困難的情況，因此對基坑支護方案進行優化，在基坑北側采用預應力懸臂支護樁進行支護，有效避免了錨索施工難題，大大加快了施工進度。

2.6 支護結構選擇

項目基坑開挖深度8.30～13.10 m，采用內支撐、斜撐等方案需占用地下室空間，且施工周期長，對地下室施工影響較大，不能滿足總工期要求；若采用普通懸臂樁支護，經驗算基坑變形較大；若采用雙排樁，用地不足且成本高，不滿足綠色施工的要求；東側和北側為市政道路，錨索不得超出項目建設用地紅線垂直投影范圍。

根據現場實際情況，結合以往經驗，整個項目支護采取不同情況不同支護形式，既保證支護安全又充分考慮成本。基坑東側采用上部放坡＋下部預應力懸臂支護樁的支護方案，基坑北側采用預應力懸臂樁支護方案，其他部位采用放坡＋普通支護樁＋預應力錨索（可回收）支護方案，如圖2所示。

圖2 預應力懸臂支護結構剖面示意

3 預應力懸臂支護樁技術原理

普通結構在主動土壓力作用下，在基坑面處產生一定轉角，該轉角使位移不斷累積，在支護結構頂部達到最大。其頂部的水平位移會遠遠大于基坑面處的位移。

預應力結構對支護結構施加預應力，使支護結構由向坑外位移趨勢產生的土反力增量近似等于主動土壓力。基坑開挖后，支護結構外側土反力隨位移逐漸減小為主動土壓力后，支護結構在基坑面以上的曲率不會發生明顯變化，而主要表現為平移。理想情況下，可實現支護結構在基坑面處轉角為零，支護結構頂部的位移近似等于基坑面處的位移，如圖3所示，實現用預應力控制支護結構位移的目標。

圖3 預應力懸臂支護結構控制變形原理

4 預應力懸臂支護樁施工工藝

1）承載板、固定板應根據設計圖紙大樣在工廠統一進行加工、打孔、焊接，現場安裝時應焊接在鋼筋籠的主筋及加勁筋上，如圖4所示，焊接焊縫質量滿足國家標準規范要求。

圖4 預應力支護樁鋼筋籠構造

2）鋼絞線埋設應根據設計圖紙分組分束進行，埋設鋼絞線時應先穿波紋管，再在波紋管中穿鋼絞線，鋼絞線的底端（支護樁樁端）用擠壓套進行固定，如圖5所示，穿鋼絞線應從支護樁的樁端往樁頂方向進行。

圖5 鋼絞線與擠壓套擠壓成形

3）錨固板應在工廠根據設計圖紙進行統一加工打孔，錨具應采用定型化成品錨具。

4）待預應力支護樁冠梁達到設計強度75%以上時，可進行預應力樁鋼絞線張拉。錨具采用OVM系列；為保護混凝土不會受壓破壞，采用承壓板錨固，承載板采用Q235鋼板制作，形狀應結合支護結構的截面形狀確定，廠家定制，板厚20 mm。

張拉機張拉力不小于1 000 kN，張拉前進行標定，根據標定公式進行換算，確定壓力值。支護樁澆筑完成，待樁頭鑿除后澆筑冠梁，冠梁混凝土強度達到70%后進行錨索張拉。鋼絞線逐根張拉，每根鋼絞線設計值為140 kN，張拉鎖定值為140 kN，每個孔道5根鋼絞線鎖定值為700 kN，如圖6所示。

圖6 錨固板、錨具

張拉完成后土方分層開挖至坑底，開挖深度不大于3 m/層，邊開挖邊監測，若有異常應立即停止土方開挖，及時進行反壓，并將監測數據反饋設計進行分析，待設計給出處理方案后再進行下一步施工。

5 施工監測

5.1 基坑坡頂水平位移及坡頂地面沉降觀測

為了保證基坑施工過程中的安全，做到信息化施工，施工過程中一定要做好位移及沉降監測工作。通過監測樁頂位移及坡頂沉降值、速率及地表變形情況，判斷基坑安全度，必要時采取措施加以控制，保證基坑和周圍地層穩定安全。按設計圖中標明的監測點詳細位置布設監測點，監測點采用沖擊鉆打孔，膨脹螺絲塞入固定的方法。坡頂水平位移監測點沿基坑坡頂邊線設置，間距約5 m。坡頂沉降監測點沿基坑坡頂設置，間距約5 m。開挖前測量監測點相對于周邊永久控制點的差值。開挖過程定期監測，取得數據加以分析，得出位移及沉降數據。

5.2 樁冠梁水平位移監測

在預應力混凝土懸臂支護樁的冠梁頂設置監測點，采用全站儀進行樁頂水平位移監測，土方開挖后每天進行1次監測直至變形收斂。

5.3 樁身深層水平位移監測

預應力懸臂樁深層水平位移監測選用預埋測斜管、通過測斜儀器觀測各深度處水平位移。測斜管應在鋼筋籠制作時固定在鋼筋籠上，提前埋設，隨灌注樁一起澆筑。深層水平位移觀測點在預應力部位埋設10個，測斜管的埋設深度同樁長，測斜管探頭置入測斜管底后，應待探頭接近管內溫度時再測量，每個監測點均應進行正、反兩次測量，豎向間隔0.5 m采集一次數據，預應力懸臂樁的深層水平位移警戒值為30 mm。

5.4 樁冠梁頂預應力鋼絞線內力監測

監測儀器為壓力盒讀數監測，錨索壓力盒設置于錨索上，土方開挖后每天進行1次監測直至變形收斂。

5.5 周邊地表豎向位移監測

基坑周邊地面沉降或隆起量監測點設置在坑邊中部和其他有代表性的部位，監測點垂直基坑布置，采用水準儀監測，支護結構施工后每3 d進行一次監測直至變形收斂。

通過各項監測數據分析，所有預應力支護樁位移變形均未超過25 mm，滿足規范對基坑變形要求，確保了基坑支護安全。數據結果證明采用預調變形預應力混凝土懸臂支護樁工藝是可靠的（圖7）。

圖7 預調變形預應力懸臂支護結構效果

6 結語

本工藝通過理論研究分析、模型試驗、現場試驗，大面積運用于滇池明珠廣場項目，取得了較好的效果。滇池明珠廣場二期建設項目彩云南路一側靠近軌交1號線，基坑開挖深度達到13.1 m，采用預調變形預應力混凝土懸臂樁工藝，為甲方節約工期120 d，并降低了基坑支護及土方開挖成本。預調變形預應力混凝土懸臂樁通過本項目施工研究，已經形成一套完整、快速、成熟的施工體系，獲得了建設單位、監理單位的一致好評。