復雜條件下超大深基坑預應力懸臂圍護樁施工技術*

姬建華，劉亞偉，任 鵬，鄭云水

(中鐵電氣化局集團北京建筑工程有限公司，北京 100039)

1 工程概況

西安北高鐵客運站配套停車樓位于客站北廣場(見圖1)，國鐵線路與地鐵4號線之間，停車樓建筑面積5.7萬m2，地下1層，地上3層，建筑高度13.2m，結構形式為預應力鋼筋混凝土框架結構，基礎采用樁筏基礎。停車樓基坑東西長271m，南北寬99.6m，通往北客站地下連廊處基坑長125.5m，寬20.8m(見圖2)，基坑面積約27 974m2，基坑底標高平均-12.300m，因地表標高不一致，基坑深度約6～13m，整體上北深南淺。

圖1 西安北站停車樓效果

圖2 基坑平面

工程周邊環境復雜，地下管線眾多，地下結構空間緊張。基坑區域南側為國鐵銀西線及地上構筑物，西側為天然場坪，北側為西安地鐵4號線，支護樁距離地鐵結構約6～10m，與地鐵結構距離自西向東逐漸增大。場地東南側存在大量熱力管網、鐵路給水及污水管網。整體上環境復雜，地下施工條件較差，對基坑支護設計和施工提出較高要求。場地地層主要由人工填土、第四紀全新世沖洪積黃土狀土、粉土、沖積砂土和粉質黏土及晚更新世沖積粉質黏土、砂土組成。地層沿水平及垂直方向上分布規律性較好，二元結構沉積韻律清晰，如表1所示。地下水屬潛水類型，主要由大氣降水、地表和地下徑流補給，以自然蒸發、人工抽排和徑流排泄為主。

表1 地層分布

2 基坑支護設計

基坑占地面積較大，地下條件復雜，在滿足基坑穩定的同時還須保證既有結構安全，加之工期非常緊張，基坑受北側地鐵淺埋區和南側高鐵的限制條件影響，主基坑南北兩側均采用新型預應力混凝土懸臂樁支護，西側采用放坡網噴土釘墻支護，東側通往北客站地下連廊區域基坑采用混凝土灌注樁加鋼管橫撐，預應力樁身混凝土為C40水下超流態碎石混凝土。

如圖3所示，基坑支護形式分為A′-A-B-C-D段、D-E段、E-F-G段、G-H-J段、J-K段、K-L段、L-M段、M-N段、N-P(Q-R)段、R-S段、S-S′段及S-T-U-A段。其中，A′-A-B-C-D段基坑支護采用長18m、直徑1m的預應力鋼筋混凝土灌注樁(見圖4)，地面附加荷載為20kPa，該段樁體受到的最大彎矩在標高-1.900m，為1 000kN·m，支護樁單根鋼絞線設計軸力為140kN，布設孔位如圖5所示，每個孔布設5根鋼絞線，偏心力矩為1 169kN·m，滿足要求；D-E段采用長22m、直徑1.2m的預應力樁；E-F-G段采用長17.1m、直徑1m混凝土灌注樁；G-H-J，H′-J′，J-K，J′-K′，K-L及K′-L′-L段為車輛由室外進入1層的汽車坡道，該處距離熱力管網較近，采用長10～20m、直徑1m的普通灌注樁加旋噴錨索錨固；L-M段采用長28.1m、直徑1.4m的預應力樁；M-N段采用長23m、直徑1.2m的預應力樁。N-P，Q-R段為停車樓與高鐵西安北站地下通道人行連廊，基坑支護采用長27.4m、直徑1.4m的普通灌注樁加鋼管支撐；N-P段南側為高鐵西安北站，防護樁距離高鐵西安北站結構7.5m；Q-R段北側為地鐵，防護樁距離地鐵結構7.75m。R-S-S′段采用長27.1m、直徑1.4m的預應力樁；R-S段北側為地鐵，防護樁距離地鐵結構為6m。S-T-U-A段為放坡開挖區域，放坡比例1∶1.2，坡面掛網噴射混凝土加設土釘。

圖3 基坑支護形式

圖4 A′-A-B-C-D段基坑支護剖面

圖5 鋼絞線布置平面點位

3 預應力懸臂樁施工關鍵技術

主基坑區域南北兩側均為新型預應力懸臂樁，在本基坑支護工程中所占體量較大。預應力混凝土懸臂支護樁的核心機理是通過預應力控制樁體變形，實現荷載平衡。雖不同于普通的預應力梁、板，但其本質仍是一種預應力結構。

3.1 預應力混凝土梁變形機理

預應力混凝土懸臂樁的變形控制原理同預應力梁。預應力混凝土梁的變形由兩部分組成：一部分是預加力(預應力)作用引起的變形，通常也稱為反拱度；另一部分是荷載作用產生的變形，通常也稱為撓度或位移。一般情況下，上述兩部分變形方向相反，可用預加力引起的反拱度來抵消荷載產生的撓度，從而達到控制變形的目的。普通簡支梁的變形機理與預應力梁的變形機理如圖6所示。

圖6 受力變形示意

在基坑支護工程中，當支護樁嵌固深度足夠深，樁底位移幾乎為0。可默認樁底為固定端，等效成懸臂梁分析其受力變形機理。懸臂梁結構在受到豎向荷載作用時，會產生向下的變形，通過在懸臂端頭靠近荷載一側施加預應力后會產生一個向上變形趨勢，從而抵消梁向下位移變形(見圖7)。

圖7 懸臂梁變形機理

3.2 預應力懸臂樁變形機理

傳統的混凝土懸臂支護樁在受主動土壓力作用下，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底標高處的位移。預應力懸臂支護樁通過在支護樁內預埋無粘結鋼絞線，根據開挖步驟，一次或分次對鋼絞線進行張拉，施加偏心預應力，使之產生朝向基坑外的變形趨勢，從而部分抵消基坑開挖產生的朝向基坑內的變形，實現控制和調整支護樁變形的目的。懸臂樁變形曲線對比如圖8所示。

圖8 懸臂支護結構變形對比示意

3.3 預應力樁施工工藝流程

預應力懸臂樁成孔、護壁及水下澆筑混凝土與旋挖成孔工藝一致。按鋼絞線一次性張拉和分多次張拉，主要工藝流程如圖9所示。

圖9 施工工藝流程

3.4 鋼絞線安裝

預應力鋼絞線采用1860無粘結型鋼絞線，鋼絞線和擠壓錨(YJM15-1P)利用擠壓機咬合牢固并通過承載板傳力，在制作鋼筋籠時按設定的位置進行固定綁扎。為固定鋼絞線，須在鋼筋籠上附加焊接構造鋼筋或固定板進行定位，鋼絞線應在冠梁頂預留1.2m以上。鋼絞線在鋼筋籠上的綁扎固定與鋼筋籠加工穿插進行，具體做法如下：將進場的鋼絞線去皮處理→擠壓套通過擠壓機與鋼絞線連接牢固→主筋與加強筋焊接牢固后，綁扎箍筋→承載板與主筋、加強筋焊接固定→穿入鋼絞線束，并在承載板上錨固→綁扎固定鋼絞線。

為保護混凝土不會受壓破壞，預應力鋼絞線采用20mm厚Q235鋼承載板錨固。不同樁徑所配的鋼絞線數量及對應的承載板和固定板尺寸有所不同，本工程中，1m樁徑配5組鋼絞線；1.2m樁徑D-E段配6組鋼絞線，每組5束，M-N段配8組鋼絞線；1.4m樁徑N-P，Q-R，R-S′，L-M段配10組鋼絞線，每組5束(見圖10)。

圖10 鋼絞線固定示意

3.5 板材制作及安裝

承載板、固定板需要鋼材加工廠定制加工，形狀應結合支護結構的截面形狀按設計要求確定。承載板與主筋及加強筋焊接，焊接方式為滿焊，焊縫高度≥10mm。

1)A′-D段樁徑1m，設計5組鋼絞線。距離樁底2m設置左右對稱2塊1號承載板，距離1號承載板上1m設置2號承載板。樁頂部設置1塊張拉墊板，設置3塊固定板，第1塊固定板在張拉墊板下10mm，墊板垂直間距1m(見圖11)。

圖11 1m樁徑所用板材規格

2)D-E段樁徑1.2m，設計6組鋼絞線。距離樁底2m設置左右對稱2塊1號承載板，距離1號承載板上1m設置3號承載板，本段不設置2號承載板。樁頂部設置1塊張拉墊板，設置3塊固定板，第1塊固定板在張拉墊板下10mm，墊板垂直間距1m。

3)M-N段樁徑1.2m，設計8組鋼絞線。距離樁底2m設置左右對稱2塊1號承載板，距離1號承載板上1m設置2號承載板，距離2號承載板上1m設置3號承載板。樁頂部設置1塊張拉墊板，設置3塊固定板，第1塊固定板在張拉墊板下10mm，墊板垂直間距1m，布置同D-E段(見圖12)。

圖12 1.2m樁徑所用板材規格

4)N-P，Q-R，R-S′，L-M段樁徑1.4m，設計10組鋼絞線。距離樁底2m設置左右對稱2塊1號承載板，距離1號承載板上1m設置2號承載板，距離2號承載板上1m設置3號承載板。樁頂部設置1塊張拉墊板，設置3塊固定板，第1塊固定板在張拉墊板下10mm，墊板垂直間距1m(見圖13)。

圖13 1.4m樁徑所用板材規格

承載板應與主筋點焊，與加強筋焊接牢固，在承載板位置沒有加強筋時應增設1道加強筋，保證其在灌注混凝土時不會脫落或發生過大偏移。承載板上下孔位要對齊，禁止出現鋼絞線因承壓板、固定板位置偏差導致彎曲過大的現象。

3.6 鋼筋籠吊放

預應力鋼絞線在鋼筋籠內是有方向性的，在下放過程中需要確保鋼筋籠的方向與設計位置一致，設有鋼絞線一側朝向基坑外。吊放鋼筋籠入孔時，應對準孔位輕放慢放入孔，遇阻礙要查明原因，進行處理，不得強行下放。若下放鋼筋籠過程中出現鋼筋籠偏位，有承載板一側未朝向基坑外側，需及時校正，調整鋼筋籠方向。

3.7 預應力樁鋼絞線張拉

需待冠梁混凝土強度達到設計強度的80%，且齡期不低于7d后，方可進行預應力樁鋼絞線張拉。錨具采用OVM系列，張拉機張拉力≥1 000kN，張拉前需進行標定，確定壓力值。鋼絞線需采用單槍千斤頂線逐根張拉，每根鋼絞線張拉值為140kN，5根鋼絞線的孔道鎖定值為700kN。

按孔道對稱張拉，分兩次張拉，先采用單槍千斤頂逐根張拉至100kN，再整體張拉至140kN。若土方開挖過程中鋼絞線出現拉力損失，需對鋼絞線進行二次張拉鎖定。張拉完成后土方分層開挖至坑底。

4 效益分析

本工程中，采用預應力懸臂樁技術方案相比留土反壓內支撐支護方案鋼筋量節約180t，增加預應力鋼絞線360t，內支撐節約964t，留土反壓土釘節約5 760m，留土反壓噴射混凝土護面節約3 150m2，鋼腰梁節約141t，經過經濟對比分析，預應力混凝土懸臂支護樁造價相比傳統雙排樁造價節約30%，遠低于內支撐造價。

采用預應力懸臂樁方案工期方面具有明顯優勢，基坑所有護坡樁1個月內可以全部施工完成，考慮分段流水施工，施工樁頂冠梁、等待齡期、施加預應力也可于15d內施工完畢。采用此技術從護坡樁開工到預應力施加完成基本上只需要45d，之后土方開挖即可不受任何約束，相比錨索而言省去錨索施工、腰梁制作及其養護張拉時間，相比內支撐而言省去了拆除內支撐工況，不會影響主體結構施工，可大面積開挖土方，工期優勢顯著。

采用預應力混凝土懸臂支護樁進行基坑支護與傳統的排樁支護體系相比只需單排樁即可滿足基坑安全及變形要求，基坑土體能順著支護樁垂直開挖，建設單位可根據支護情況最大程度優化基坑邊線，可以最大化開發利用地下空間。本工藝能縮短基坑支護工程施工工期，提高地下空間利用率，具有良好的發展前景。

5 結語

實踐證明，采用預應力懸臂樁技術可有效解決基坑周邊既有建筑物的保護、有效控制基坑支護結構的變形問題。應用效果理想，達到了對基坑周邊環境保護的預期效果，不會對周邊環境和土體造成不利影響，同時該工藝節約能源、提高材料使用率，減少建筑垃圾的產生。在西安北客站停車樓工程中的應用效果顯著，節約了工期，節省了成本，提高了施工質量和效率，為今后其他類似工程提供了較好的借鑒。