拉錨支撐結構在基坑支護工程中的應用

樓秋紅， 古海東

(1.湖州市交通集團有限公司， 浙江 湖州 313000； 2.浙江數智交院科技股份有限公司， 杭州 310000)

深基坑支護結構設計一直以來都是巖土工程領域里的一個熱點和難點問題，深基坑排樁支護結構常用的設計方法有等值梁法和彈性地基梁法。目前，在工程設計中，多采用國家行業標準JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》[1]中的彈性支點法(m法)，同濟大學的楊敏[2-3]給出了彈性支點法(m法)的有限元實現過程，并編制和開發了相應的計算軟件—同濟啟明星深基坑支擋結構分析計算軟件，并采用該軟件對維護結構變形和變形性狀影響因素進行了分析和討論。

目前，沿海軟土地區深度約10 m的基坑通常需要設置2道及以上支撐(一般第1道采用鋼筋混凝土支撐，第2道采用鋼支撐)才滿足JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》[1]要求。實際工程中，大多需要支護結構中的第1道混凝土支撐換撐后，拆除混凝土支撐(通常采用鋼支撐換撐)才能保證圍護結構安全[4-14]。然而，采用鋼支撐換撐時，因受施工空間和施工單位技術能力的限制，往往造成施工困難，嚴重影響施工工期。

因此，能否找到一種簡便的換撐結構體系來代替鋼支撐換撐結構，具有一定的工程應用價值。本文結合浙江省湖州市某實際基坑工程，研究了拉錨結構在基坑支護設計中的應用，并與常規的鋼支撐換撐結構進行比較分析，以探討拉錨支撐結構在基坑圍護設計中的可行性。

1 工程概況

申蘇浙皖至申嘉湖高速連接線(簡稱申申連接線)，從環渚互通至東環互通段長度約4.2 km，主要經過湖州東部城區， 沿途與緯五路、318外環線、吳興大道等交叉。

吳興大道作為城市主干路，直行及轉彎的交通量均較大，交叉點里程樁號為K2+386，交角為89°。交叉采用下穿通道的立體交叉形式，通道采用2孔整體式箱型結構(14.70+14.70)m，明挖現澆施工。結構側墻厚度1.2 m，結構底板下設雙向6車道通道，通道內凈高6.84 m。

地下通道路線沿湖織公路展布，地層巖性為沖湖積平原區，地勢平坦開闊。地表為填土，厚約0.8 m～3.2 m；場地淺部為沖海積粉土，稍密-中密，一般厚約9 m～12 m；其下為海積淤泥質土、軟-流塑狀粉質粘土等，頂板埋深約10.2 m～15.1 m，一般厚約8 m～13 m；中部為沖湖積硬-可塑狀粉質粘土，一般厚7 m～10 m；中下部為海積軟-軟可塑粉質粘土。各地層物理力學參數如表1所示。

表1 土層物理力學參數

2 圍護結構方案比選

基坑開挖深度約9 m，右側需設置臨時便道，受周邊地形及建筑限制，工作坑開挖采取垂直開挖方式。根據該項目基坑開挖深度及地層參數條件，擬定3種圍護結構方案進行比選分析。

1) 方案1：Φ850 mm SMW工法樁(總樁長19 m，坑底以下樁長10 m，平面咬合布置，咬合寬度0.25 m)+1道混凝土支撐(截面尺寸900 mm×800 mm，水平間距3.5 m)+1道Φ609 mm鋼支撐(水平間距3.5 m)，并設置鋼支撐換撐。

2) 方案2：Φ850 mm SMW工法樁(總樁長19 m，坑底以下樁長10 m，平面咬合布置，咬合寬度0.25 m)+1道預應力拉錨支撐(拉錨采用4根Φ15.2 mm鋼絞線，長度30 m，傾角20°)+1道Φ609 mm鋼支撐(水平間距3 m)，并設置鋼支撐換撐。

3) 方案3：Φ850 mm SMW工法樁(總樁長19 m，坑底以下樁長10 m，平面咬合布置，咬合寬度0.25 m)+1道混凝土支撐(截面尺寸900 mm×800 mm，水平間距3.5 m)+1道Φ609 mm鋼支撐(水平間距3.5 m)，第1道支撐換撐采用拉錨換撐，其中拉錨采用3根Φ15.2 mm鋼絞線，長度15 m，水平間距4.5 m，每組拉錨采用4根Φ219 mm壁厚16 mm的鋼管作為受力支撐體系，鋼管長度10 m，鋼管距離基坑邊緣15 m。

坑底以下5 m深度范圍內采用三軸攪拌樁進行加固。采用同濟啟明星軟件分別驗算了3種圍護方案的基坑穩定性和圍護結構內力與變形，基坑穩定性和圍護結構內力與變形計算方法分別采用規范[1]中的圓弧滑動法和彈性地基梁法，計算模型如圖1所示，模型中地表臨時荷載按均布荷載20 kPa取值，變形計算結果如圖2所示，計算結果對比如表2所示。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

(b) 方案2

(c) 方案3

由圖2(a)可知，方案1圍護結構最大變形發生在樁頂，向坑內發生側移，為5.9 mm；沿基坑深度方向，變形逐漸減小，圍護樁底部變形基本為零；最大彎矩發生在基坑深度約7.5 m處，為118.8 kN·m，樁頂和樁底部彎矩基本為零；最大剪力發生在基坑深度約7.5 m處，約128.9 kN，樁頂和樁底部剪力基本為零。

由圖2(b)可知，方案2圍護結構最大變形發生在樁頂，向坑內發生側移，為28.6 mm；沿基坑深度方向，變形逐漸減小，圍護樁底部變形基本為零；最大彎矩發生在基坑深度約7.5 m處，約318.7 kN·m，樁頂和樁底部彎矩基本為零；最大剪力發生在基坑深度約7.5 m處，約158.5 kN，樁頂和樁底部剪力基本為零。

由圖2(c)可知，方案3圍護結構最大變形發生在樁頂，向坑內發生側移，為12.9 mm，沿基坑深度方向，變形逐漸減小，圍護樁底部變形基本為零；最大彎矩發生在基坑深度約13 m處，約129.5 kN·m，樁頂和樁底部彎矩基本為零；最大剪力發生在基坑深度約7.5 m處，約122.4 kN，樁頂和樁底部剪力基本為零。

由表2可知，方案1與方案3圍護結構變形及基坑穩定性均滿足規范[1]要求。該項目工期較緊張，采用常規鋼支撐換撐工期較長、施工不便；另外，基坑周邊場地有限，方案2長錨支撐施工不便，變形不宜控制，且側向位移不滿足規范要求，與方案1相比，采用方案3造價節省約50萬元，綜合考慮，基坑圍護結構方案采用方案3。

3 圍護結構施工

3.1 施工工序

圍護結構施工順序為：1) 平整場地、三軸攪拌樁處理地基、施工圍護結構、格構抗拔樁、卸載土方、澆筑冠梁，結構強度達到設計要求后掏槽開挖，施工第1道支撐，如圖3(a)所示；2) 繼續開挖到第2道支撐處，掏槽開挖架設第2道支撐，如圖3(b)所示；3) 繼續開挖到基底，施工基底混凝土墊層及底板防水，如圖3(c)所示；4) 繼續施工底板和側墻結構及防水到第2道支撐處，待混凝土強度達到設計強度后，兩側回填同等級素混凝土作為剛性支撐，拆除第2道支撐，如圖3(d)所示；5) 繼續施工側墻結構及防水到第1道支撐處，如圖3(e)所示；6) 待主體結構混凝土強度達到設計要求后，設置拉錨結構，如圖3(f)所示；7) 拆除第1道鋼筋混凝土支撐，施工框架結構頂板，如圖3(g)所示。

表2 不同圍護方案計算結果

(a) 施工第1道支撐

(b) 施工第2道支撐

(c) 基底混凝土墊層及底板防水施工

(d) 底板施工及拆除第2道支撐

(e) 施工側墻結構及防水到第1道支撐處

(f) 設置拉錨結構

(g) 拆除第1道支撐

3.2 拉錨結構設計

拉錨結構設計如圖4所示。拉錨錨索采用2根Φ15.2 mm的鋼絞線，每束鋼絞線能承受的極限拉力需大于200 kN，且應設鋼管保護，并回填密實；鋼管與混凝土縱梁縱向鋼筋應焊接牢固，混凝土座采用C35 混凝土；鋼管樁與地層間應密實無間隙并減少擾動，否則應對鋼管樁在打設到位后進行灌注水泥漿填充；鋼管樁縱梁與基坑側開挖土層間，應采用水泥砂漿或同標號的混凝土予以回填，以便土層對縱梁提供有效抗力；帽座鋼管連接處應采用型鋼連接。

(a) 橫斷面

(b) 平面布置

(c) 鋼管連接示意

(d) 現場鋼管埋設照片

3.3 拉錨結構受力與變形分析

1) 模型建立

拉錨錨錠鋼管采用無縫鋼管，其中外徑219 mm，壁厚16 mm，長度10 m，彈性模量E=210 GPa，單個鋼管的抗彎剛度EI=5 944.5 kN·m2。采用三維有限元模型分析計算的目的：1) 驗算鋼管在拉錨力作用下的變形；2) 驗證鋼管能否支撐設計所需要的拉錨力，以免管樁支撐不足而被整體拔出。

模型尺寸長10 m、寬10 m、高30 m，如圖5所示。采用摩爾庫倫彈塑性本構模型，樁與土體間接觸設置接觸單元，切向采用摩擦接觸，法向采用硬接觸，模型中土體參數如表1所示。

圖5 有限元計算模型

有限元模型中，按等效抗彎剛度原則換算得到單個實心剛管的直徑為D=0.443 6 m，根據啟明星軟件計算得到的拉錨支撐軸力為29.6 kN/m，并作為三維有限元模型中鋼管樁的外部荷載條件輸入三維有限元模型中，有限元模型中實際輸入每根模型樁需承受的拉錨力為29.6×4.5=133.2 kN。

2) 結果分析

有限元計算得到的拉錨支撐鋼管變形如圖6所示。計算結果表明：(1) 在拉錨力作用下鋼管樁的變形頂部最大，為5.8 mm，總體上變形較小，且變形沿樁身方向不斷減小，樁底部位移基本為零；(2) 鋼管樁整體穩定，不會被拔出，能提供拉錨所需的支撐力。

3.4 圍護結構實測變形

施工期間該基坑共埋設12個深位移監測點，最大變形位移出現在3號測點(對應基坑開挖深度9 m處)，最大實測位移發生在基坑頂面，約6 mm，變形方向朝坑內方向；沿基坑深度方向，位移不斷減小，樁底處基本為零，其具體分布規律如圖7所示。

圖6 鋼管樁變形云圖

由圖7可以看出。實測位移分布規律與圖2中理論計算結果基本一致，但位移值較理論計算結果12.9 mm小，表明針對該項目的地層條件，采用拉錨換撐方案技術可行。目前該項目已建成通車，開挖基坑對應的明挖通道路段運營狀況良好。

圖7 圍護結構側向位移實測結果(位移朝坑內方向為正)

4 結論

1) 在實際基坑工程中，使用拉錨支撐結構代替常規鋼支撐換撐可行。

2) 拉錨結構特別適合于常規鋼支撐換撐難度大及工期緊張的基坑工程。

3) 與常規鋼支撐換撐相比，拉錨結構具有施工方便、造價低等優點，在實際工程中能很大程度節約施工工期，具有較好的使用前景。