樁錨結構在基坑支護中的應用研究

盛 利

（湖南化工地質工程勘察院有限責任公司，湖南 長沙 410004）

0 引言

1 工程概況

擬建的長沙市內某基坑支護工程，位于湖南省長沙市雨花區桂花路與東二環線交匯處西北角，高橋大市場西側，交通便利。基坑支護進場前，已進行場地內的遺留建筑物拆除，和部分的場地平整，所以場地內高差小，整體相對平整。項目由2棟住宅樓、1 棟商業辦公綜合樓、2～3 層裙樓組成，住宅為地上45 層；商業辦公綜合樓地上34 層，地下3 層，建筑基礎擬采用樁基礎，基坑深度為12.0～13.5m。

此基坑支護工程周邊環境較復雜，場地西鄰京廣鐵路，用地紅線距京廣線最近距離約16.50m；且每日經過的列車數量多；北側為現狀建筑（6～7F），用地紅線距離建筑最近約17.6m；為20 年外的老舊市場綜合小區，小區內1F 為對外經營商鋪及小型加工廠，2F 以上為住宅；場地東側臨近二環線-長沙大道匝道，用地紅線距匝道邊線最近距離約14.00m，為長沙市內的主要環城交通要道；南側臨近長沙大道的高架路段，用地紅線距離長沙大道邊線最近距離約13.00m，長沙大道與二環線內相交叉的高架路段下有市民的休閑健身公園及一些城市管理單位臨時場所，人員相對密集。

基坑開挖前場地平坦，根據地勘報告地層有：雜填土（Q4ml），回填年限20年以上，層厚0.50～4.30m，平均厚度：2.30m，層底標高為33.21～35.99m。粉質黏土（Q3al+pl）層厚1.30～5.20m，平均厚度：3.51m，層底標高為29.32～33.93m。粉土（Q3al+pl）層厚0.90～4.50m，平均厚度：2.29m，層底標高為27.81～29.77m。圓礫（Q3al+pl）層厚1.80～3.80m，平均厚度：2.89m，層底標高為25.01～27.00m。殘積粉質黏土（Qel）層厚0.20～1.30m，平均厚度：0.54m，層底標高為24.71～26.40m。強風化泥質性粉砂巖（E）層厚1.90～6.40m，平均厚度：3.95m，層底標高為18.80～23.77m。中風化泥質性粉砂巖（E）體比較完整，質量等級屬V 類。最大揭露厚度為15.27m。勘察時水量不大，地下水的主要類型還是為留滯水和潛水；上層的留滯水大多存于雜填土中；測得初見水位埋深33.83～36.20m；穩定水位埋深33.33～35.80m。潛水主要在圓礫中；初見水位標高27.71～28.26m 出現；穩定水位27.21～27.76m。地層內圓礫為強透水性地層，滲透系數K=14.53m/d（1.68×10-2cm/sec）。根據試驗結果場地內粉土為弱透水性地層，滲透系數K=0.072m/d（8.32×10-5cm/sec）。其余各層均可視為不透水層。

2 基坑支護結構方案設計

2.1 邊界條件

此實例的基坑支護工程為臨時支護，使用年限為兩年，側壁安全等級為一級，重要系數為1.1，詳見表1。

2.2 基坑支護方案的選擇

基坑支護工程的地下水控制方式：支護樁和樁間高壓旋噴止水帷幕和集水明排。

基坑支護采用樁錨、土釘墻、止水帷幕等支護形式，采用支護形式如表1 所示。

文中所設計的三角函數加速核用Verilog硬件語言實現。使Questa Sim進行仿真測試，并用MATLAB對比硬件和軟件計算結果的精度。

表1 基坑支護形式表

3 基坑施工流程

在此基坑支護工程中，從初平整的原地表地面標高34.50m處土方開挖下5.0m 左右出現粉土并逐漸呈現圓礫，含水量豐富，且水質清澈。施工中的絕大部分用水都是從挖槽取用的，同時給支護工程中的支護樁施工帶來較大的施工難度。此實例基坑支護工程流程主要可以被分為以下三個施工部分。

第一部分主要是支護樁、止水帷幕和土釘墻的施工。由于基坑內水量豐富，擬采用的旋挖成孔和泥漿護壁施工在進行試樁的時候，護壁情況不好，因在市內，場地受限，泥漿池臨時占地不便。施工實際改用支護樁采用的是旋挖樁機成孔和鋼護筒護壁，大大節省施工占地和縮短施工周期。場地西側為京廣鐵路，施工不能對鐵路造成影響，進行一個小放坡的土釘墻，此側支護樁降至土釘墻下施工。止水帷幕采用的是支護樁樁間止水，樁間的高壓旋噴樁和支護樁相結合形成止水帷幕墻。樁間兩個旋噴樁，采用鉆噴一體旋噴鉆機，且不進行分序施工，后期開挖旋噴樁成樁效果明顯，達到了止水效果，后期每天滲水的集水明排，只需1～2h，給開挖土方也提供了極大的便利。

第二部分先預應力錨索再冠梁施工，冠梁那排錨索施工和冠梁施工都較為順利。先進行錨索成孔并放置錨索后進行錨索的注漿，然后再進行冠梁的施工也可與冠梁澆筑前的部分工作交叉施工，預應力錨索在冠梁預留的穿束孔洞后張拉鎖定。原設計采用的截面矩形梁，采用角度墊板進行預應力錨索張拉受力，施工方與設計師溝通改用異型梁，取消角度墊板，減少了鋼材的消耗，簡化一道程序，響應了國家節能減材的號召，且增加了冠梁當排錨索的穩定性。

第三部分主要為后排兩道預應力錨索、腰梁和掛網噴錨的施工。在第一階段的止水帷幕的高壓旋噴樁施工中，止水效果較好，未出現支護樁側壁的滲水現象，給后期掛網噴錨帶來便利。

4 樁錨結構在深基坑支護中的應用

4.1 鋼護筒旋挖鉆孔灌注混凝土樁的施工

鋼護筒旋挖鉆孔灌注混凝土樁施工流程：測量放線并定位→振動錘沉鋼護筒→旋挖樁機就位，旋挖→成孔、清孔并驗孔→安放鋼筋籠→混凝土灌注→拔鋼護筒→成樁檢測。

根據測量控制網（點），確定定位每個支護樁樁位中心點。然后以雙向十字交叉法控制樁位中心。振動錘振沉鋼護筒前必須保證鋼護筒的中心點與樁位中心點必須重合。鋼護筒采用長10m 的鋼護筒保證沉入深度超過護壁部分，插入進巖層風化層。厚度為12mm 卷鋼制作，雙面坡口焊，焊面規整。鋼護筒頂部寬150mm 處進行包邊加強處理，防止振動錘夾具的振錘受力變形。護壁鋼護筒的直徑應大于支護樁直徑200mm，保證樁的有效直徑。鋼護筒沉筒后，旋挖樁機就位，開鉆前復核鉆頭中心點與鋼護筒中點以后進行旋挖鉆進，樁徑偏差≤50mm，垂直度≤0.5%，主筋間距偏差≤10mm，樁的定位偏差不大于50mm。鉆進至指定深度，安放鋼筋籠前進行清孔和驗孔。鋼筋籠制作與安放嚴格按照設計圖紙及規范要求。鋼筋籠的焊接雙面焊≥ 10d，單面焊≥ 5d，焊縫高度≥ 0.3d，焊縫寬度≥ 0.8d，焊縫飽滿，同一截面的鋼筋接頭數≤主筋數的 50%，相鄰的焊縫接頭相互錯開，間距≥500mm 且≥ 35d[1]。根據鋼護筒的頂標高提前制作好相應吊筋，再來安放鋼筋籠。驗收合格的樁孔，安放完鋼筋籠后，混凝土澆筑時間≤210min。混凝土澆筑應連貫及均勻，片刻間斷，間斷澆筑時間也要≤15min，每輛混凝土罐車內的混凝土量應在1h 內澆筑完成。澆筑前，應逐節安裝好導管，導管下放于成孔支護樁孔底500mm 處，導管安裝完畢后連接好接料“漏斗”。漏斗選用2.0m3保證第一斗混凝土能順利“沉起”浮渣。灌注材料選用c30 水下商品砼，坍落度控制在180～210mm，利用汽車泵進行澆筑。混凝土澆筑時，成孔的孔底以上5m 內，澆筑下料澆筑速度不能過快，也要注意導管的提升速度，防止鋼筋籠的上浮。若出現鋼筋籠上浮現象，應立即停止澆筑，重新固定好鋼筋籠工作后繼續澆筑工作。澆筑完成后，混凝土初凝前應緩緩拔起鋼護筒，還要觀察混凝土的沉入量，并進行及時的補充。

支護樁的檢測：施工完成后，土方開挖前，對臨時性支護樁檢測總樁數≥20%。當動測法結果，樁身存在嚴重影響樁身質量的問題時，應對其采用鉆芯法進行驗證，并應對樁身完整性檢測增加數目。

4.2 三重管高壓旋噴的施工

三重管高壓旋噴施工流程：測量放線并定位→旋噴鉆機就位→試噴→ 鉆孔至設計標高→由下而上開始注漿旋噴→終孔→旋噴完成。

工藝簡介：旋噴鉆機鉆桿內部三套管道分別輸送水、氣、水泥漿三種介質的三重管注漿。以高壓泥漿泵，螺桿式空壓機，泥漿泵產生高壓水和壓縮空氣和水泥漿，通過2～4 層鋼絲的高壓軟管輸送至鉆機的水接頭經過鉆桿的三套管道至鉆桿底部鉆頭上部的噴頭部分。高壓水和壓縮空氣通過噴頭側面的噴嘴和氣嘴噴出，高壓水噴射流的周圍，包裹著一股圓筒狀的氣流，此時高壓水噴射流和壓縮空氣同軸噴射沖切土體，并充分旋轉拌和，另外水泥漿通過鉆桿底部注入漿液填充，鉆桿的旋轉和提升運動，便形成了圓柱狀固結體。

高壓旋噴樁工藝參數：

灌漿材料為P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，泥漿水灰比0.8 ∶1，有效樁徑≥900mm；

高壓水壓力：35～40MPa，水量：70～75 L/ min；

空壓機壓力：0.60～0.80 MPa，氣量：1.5～2.0m3/min；

水泥漿液壓強：0.70～1.00 MPa，排量：70～80L/min；

水泥漿比重：1.60g/cm3；

旋轉速度：9～11 r·p·m，提升速度：10～15cm/min；

誤差要求：水泥漿比重≤0.1，鉆孔誤差≤50mm，鉆孔允許垂直度誤差≤1%。

高壓旋噴樁應進入不透水層的深度應滿足地下水繞過止水帷幕底部的滲透穩定性要求，且不少于1.5m，并采用L ≥0.2Δh-0.5B 進行驗算。式中：L 為帷幕進入下臥隔水層的深度（m），Δh為基坑內外的水頭差值（m），B 為止水帷幕的厚度（m）。施工完成高壓旋噴樁之后，做圍井注水實驗，確保止水效果，滲透系數應不大于1×10cm/s。高壓旋噴樁每米水泥用量滿足：

式中：M 為每米水泥用量（kg）；a ∶b 為水灰比，c 為提升速度（cm/min），d 為漿液流速（L/min）[2]。

4.3 預應力錨索施工

預應力錨索的施工流程：錨索制作→檢驗錨索質量→測量放線確定孔位→鉆機就位并復測孔位和角度→鉆機成孔→安放錨索→第1次注漿→第2次注漿→養護→安裝錨具→張拉鎖定→封孔。經過以上施工流程錨索與冠梁、腰梁以及支護樁組合成共同的承載體系，減小基坑內土體開挖期間基坑側壁外土體發生的沉降和水平位移，確保基坑內的穩定和與其緊鄰的建筑物的安全[3]。

施工技術要點：預應力錨索的鋼絞線下料長度應為自由段、錨固段及端頭長度之和端頭預留長度需滿足張拉、錨固作業要求。錨索制作時定位支架安裝正確，確保每根鋼絞線順直且排列均勻，且各根鋼絞線相互分離成束。自由段將鋼絞線20mm塑料波紋管套好扎牢，自由段和錨固段都應和設計要求一致。安裝前對鋼絞線進行外觀和質量檢查，并除去鋼絞線上的鐵銹和油污等。鉆機就位鉆孔前，應采用測量工具控制鉆孔角度以確保錨索孔的角度，鉆機動力頭的軌道傾角的誤差≤1°，方位誤差≤50mm。鉆機鉆進孔深達到設計深度時可再鉆進一定深度以滿足沉渣要求和錨索能順利安放至指定深度，終孔前對孔內沉渣進行及時清理保證孔壁內圓順，終孔后及時進行錨索安放，并進行注漿，以避免錨索孔長時間擱置而造成孔壁塌落。向錨索孔內注漿時間應不超過24h。注漿材料采用P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，第一次注漿灰砂比0.5～1.0，水灰比0.40～0.45，注漿壓力0.5～1.0MPa。水泥漿液通過預留的錨索束內注漿管從錨索孔內的底部流出，第一次注漿錨索孔內孔口有漿液溢出即表示錨索孔內注滿漿液，可停止注漿。待第一次注漿初凝后將進行第二次注漿，第二次注漿的漿液可以稍濃，采用水灰比0.45～0.55 的水泥凈漿，注漿壓力2.0～4.0MPa，二次注漿管應在埋設至錨索末端-錨固段長度范圍內，注漿壓力穩定5～8min，保證漿液充滿錨索孔內空隙，即注漿終孔。預應力錨索的張拉鎖定：錨索鎖定前，應按照錨索軸向拉力設計值（Nak）的1.4 倍進行錨索預張拉，錨索張拉應平緩加載，加載速度比率不宜大于0.1Nak/min；錨索鎖定時，錨索拉力應考慮鎖定過程當中的預應力損失值，鎖住時的拉力值可取鎖定值的1.1～1.15 倍。

錨索應采用抗拉試驗去檢測承載力；注漿后，錨固體的強度達到75%時，應及時進行驗收試驗，取錨索總數的5%，且不得少于3 根；對于錨索抗拔承載力檢測值取軸向拉力標準值的1.4 倍。

5 支護結構及基坑監測

樁錨結構結合樁間止水帷幕高壓旋噴的支護體系，既能較好地提高土體的各項物理力學性能，又有效地結合固結土層，且隔絕地下水的侵入，適用于富含地下水區域地層的深基坑開挖。鋼護筒護壁的旋挖鉆孔樁施工占地方少，工作效率高，施工質量好，相對泥漿護壁的污染小，對周邊環境影響也小。加上錨索的加持，極大地提高了支護樁的抗滑、抗剪能力，能垂直開挖深基坑，充分利用土地的使用率，適用于當今社會的發展。

基坑監測：支護樁樁頂冠梁完成后，基坑坑頂水平和垂直位移監測，在冠梁上每隔20～30 m 設置1 個監測點。當支護結構頂部水平位移累計值超過50mm，變化速率超過 6mm/d 時應報警，當支護結構頂部垂直位移累計值超過 30mm，變化速率超過2.5 mm/d 時應報警，錨索內力監測在錨頭接入監控裝置，監測點為錨索總數的 3%。當錨索張拉鎖定值的累計超過80%f時應報警[4]。在基坑外側四周每間隔50m 設置一個水位監測點，記錄水位的變化情況，地下水水位的累計值1 000mm 或變化速率超過 500mm/d 時應報警。支護體系結構水平位移及垂直沉降，預應力錨索的預應力監測，地下水位的監測，在基坑支護施工階段，應每日監測一次。基坑開挖完成，可以減少監測次數，直至地下室完成施工且土方回填完畢后即可停止監測工作。監測結果顯示水平位移，垂直位移，地下水位監測都變化極微，錨索也未出現報警。證明了此基坑支護體系結構穩定性好、變形小。

6 結論

本深基坑實例中采用的樁錨結構和樁間止水帷幕的支護形式，能有效的保證深基坑的安全及應對基坑周邊環境復雜的情況下施工。深基坑支護往往不是單單的某種支護技術，而是利用多種支護施工工藝相結合，同時存在著多種施工工藝相交叉，根據每一種支護施工技術的不同特點和適用范圍，在實際應用中根據工程的具體情況合理選用、調整及配合也是深基坑支護應用研究的關鍵。