桩锚结构在青岛深基坑支护中应用实例

郝胜利，吴刚

(青岛市勘察测绘研究院，山东青岛 266033)

1 前言

青岛沿海地区地层砂层较厚，渗水性好，淤泥呈软塑状，基岩揭露深度较浅，青岛沿海深基坑工程面对涌沙冒水情况严重，而且基坑周边复杂，处理不及时容易造成地面塌陷，影响基坑安全。本文通过对周边环境复杂的深基坑工程设计、施工经验的介绍，希望能给同行提供类似可借鉴的经验。

2 工程概况

拟建民航综合楼位于青岛市市南区香港中路以南、深圳路以北，西邻贵都国际会议中心，北东两侧与民航大厦和五矿大厦相望，其主体为1栋29层的高层建筑，局部25层～28层，共设计两层地下室，地下室层高5 m，采用框架剪力墙结构。设计室内地坪±0.00=5.05 m，地下室周长约200 m，坡顶地面标高按绝对标高约 4.5 m考虑，基坑开挖深度为 13.15 m、14.15 m。本基坑工程安全等级为一级。

2.1 环境条件

青岛民航综合楼周边环境情况如图1所示。拟建地下室外墙距西侧贵都国际会议中心地下室外墙约10 m;北侧距民航大厦厨房约 3 m，距民航大厦约14 m;东侧距五矿大厦和数码港地下室外墙约21 m。东侧改造后暗渠宽6 m，深约4.5 m，毛石砌筑，暗渠走向与深圳路斜交，改造后暗渠边距红线1 m，距新建地下室外墙约2 m～3 m，南侧隔深圳路与世纪大厦距离超过2倍基坑开挖深度。其中贵都国际会议中心为4层框架结构，地下2层;民航大厦为7层框架结构，地下2层;五矿大厦为29层框剪结构，数码港为28层框剪结构，地下均为2层;场区地下管线较复杂，南侧深圳路上布有煤气管道、供水管道，西侧距地下室外墙约4.5 m有一条使用中的煤气管，北侧民航大厦的下水管道距地下室外墙约2 m。

图1 基坑总平面图

2.2 工程地质及水文地质条件

拟建场区地形平坦，场区地貌形态类型单一，均为第四系全新统以来形成的滨海浅滩，表层经人工回填改造。场区第四系厚度约10.80 m～13.00 m，主要由第四系全新统人工填土、全新统海相沼泽化层及上更新统洪冲积层组成。地层编号采用《青岛市区第四系层序划分》标准地层层序编号，其中包括第①层:素填土，层厚约3.60 m～6.20 m，第④层:中砂，层厚约 1.70 m～4.00 m，第⑥层:淤泥质砂土，层厚约1.20 m～3.10 m，第[11]层:粉质粘土，层厚约 0.8 m ～3.10 m，第[12]层:粗砾砂，层厚1.50 m～2.10 m。场区内基岩以中粗粒花岗岩、煌斑岩岩脉及细粒花岗岩岩脉为主，其中煌斑岩呈带状穿插分布于中粗粒花岗岩体中。各主要岩土层与边坡支护相关的主要物理力学指标特征值如表1所示。

地下水类型主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水。第四系孔隙潜水主要赋存于第④层中砂及第⑥层淤泥质砂土中。场区内稳定水位绝对标高1.01 m～1.42 m，年变幅1.0 m左右。

主要岩土层物理力学特征值表 表1

3 基坑支护设计

3.1 方案选型

根据基坑周边环境、地质状况及开挖深度，经过比选后，确定了如下支护方案:①基坑支护主要采用钻孔灌注桩与预应力锚杆组合的桩锚结构支护方式;②考虑西侧贵都国际会议中心地下室开挖回填已对原状地层扰动及上部锚杆长度受限，该部位采用双排桩结合锚杆支护;③场区地下水丰富，水位较高，采用高压旋喷桩止水帷幕止水，坡顶采用混凝土硬化并设置截水沟，防止大气降水流入基坑或渗入坑侧土体。

图2 基坑支护平面布置图

3.2 设计方案

考虑到基坑工程施工影响范围内的周边环境比较复杂、地质状况和开挖深度也有所不同，基坑支护共划分了6个支护单元。1单元位于基坑西侧，邻近贵都国际中心，基坑开挖深度13.15 m;2单元位于基坑北侧，邻近民航大厦厨房，基坑开挖深度13.15 m;3、4单元位于基坑东侧，邻近改造后的暗渠，其中3单元开挖深度为13.15 m;4单元开挖深度为14.15 m;5单元位于基坑东南侧，基坑开挖深度14.15 m，其中在出土坡道处亦采用了双排桩的支护模式;基坑西南侧为6单元，基坑开挖深度为13.15 m。各单元的具体位置和范围详见支护平面图:

(1)设计计算

本工程主要采用了以下方法进行设计计算:

①支护结构内力、变形计算采用增量法;

②钻孔灌注桩的配筋计算采用沿圆形截面周边均匀配筋沿长度方向根据计算弯矩分段配筋的方法(见建筑基坑支护技术规程附录D);

③锚杆的设计主要进行了锚杆类型、材料的选择、锚杆的截面面积、锚固段长度、自由段长度计算和锚杆的刚度计算;

④整体稳定性验算采用瑞典条分法;

⑤进行了抗倾覆验算;

⑥5单元双排桩计算采用了桩间距为0.5倍双排桩桩间距的单排桩来近似计算。

(2)各单元的主要技术参数:

①高压旋喷桩中心间距1.2 m/1.0 m，设计桩径不小于1 200 mm，桩端进入隔水层0.5 m以上，采用三重管工艺，水泥用量 600 kg/m，风压 0.7 MPa，水压38 MPa，浆压 1.0 MPa，提升速度小于 10 cm/min，转速8.0 r/min;

②钻孔灌注桩直径800 mm，间距1.2 m，5单元双排桩桩间距2.4 m，排距1.4 m，嵌固深度不小于3 m，桩顶冠梁宽800 mm，高600 mm;

③考虑到该地层施工过程中容易造成涌砂冒水，土层预应力锚杆采用自钻式锚杆、入岩的预应力锚杆采用钢绞线，水平间距2.4 m，成孔直径140 mm，设计中锚固体摩阻力取值考虑二次高压注浆，施工中采用了二次高压注浆工艺，二次注浆压力 2.5 MPa～5.0 MPa。第1、3、5单元锚杆技术参数、标高如图3～图5所示。

图3 1单元支护剖面图

图4 3单元支护剖面图

图5 5单元支护剖面图

3.3 主要的施工工艺

(1)钻孔泵送砼灌注桩的施工工艺流程(见图6)

图6 钻孔泵送砼灌注桩的施工工艺流程图

(2)高压旋喷桩止水帷幕的施工工艺流程(见图7)

图7 高压旋喷桩止水帷幕的施工工艺流程图

(3)冠梁的施工工艺流程

场地整平→定位放线→地槽开挖→支设模板→钢筋笼加工安装→浇筑混凝土→养护→拆除模板→检查验收

(4)预应力锚杆的施工工艺流程

施工准备→放线→钻机就位→校正孔位调整成孔倾角→钻孔至设计孔深→注浆养护→现浇混凝土腰梁→上锚头→预应力张拉锁定

4 施工过程中遇到的主要技术问题及解决方案

4.1 SMW工法应用

钻孔桩施工过程中，民航厨房周边位置遇地下障碍物、污水管道和自来水管道，钻孔灌注桩无法达到设计深度。经专家讨论，该位置取消钻孔灌注桩设置了双排加钢管旋喷桩SMW工法，在拐角位置设置角撑如图8所示。该部位监测资料表明，该方案合理有效，保证了民航大厦厨房的正常运营。

图8 民航厨房部位设计变更平面图

4.2 自进式锚杆应用

锚杆施工过程中，局部地层遇2 m～3 m厚粗砂层，且水头较高，锚杆成孔时容易产生涌砂冒水现象，导致地面塌陷。为解决此问题，砂层中施工采用特制的自进式锚杆和二次高压注浆技术。采用自进式锚杆成孔后立即封孔，同时在水泥浆终凝前进行了二次高压注浆。实践证明经过上述措施后，大大提高了施工速度，砂层中锚杆施工涌砂量减少，锚杆抗拔力有了较大提高。

5 监测项目及成果分析

5.1 监测项目

主要包括深层水平位移监测、坡顶水平位移监测、沉降监测和地下水位监测，监测点的布置情况如图9所示。

图9 监测平面布置图

(1)深层位移监测是本基坑监测项目中最重要的测试内容之一，能直接反映基坑支护结构的稳定性和设计的准确性和合理性。其警戒值设为累计位移达到±35 mm或连续三天变化速率超过±3 mm/d。共埋设了测斜管5根。基坑开挖前，每0.5 m作为一个采样点，采集导管各点的初始数据，其后监测频率一般为1次/2d，雨后加测1次。

(2)坡顶水平位移监测采用视准线法，使测量基准桩、远端基准参考点和同侧各测点处于同一直线上，通过观测各测点偏离该直线的位移，用钢尺量测，即为各测点坡顶水平位移。基坑周边共布设了水平位移观测点10个。其报警值设为累计位移达到 ±35.0 mm或连续三天位移变化速率超过±3 mm/d。

(3)沉降监测采用相对高程系，利用建立的水准测量监测网采用水准仪引测。对于坡顶沉降，当累计沉降达到±35.0 mm或连续三天沉降变化速率超过±3 mm/d时，达到警戒值;对于民航厨房，当累计沉降达到 ±10.0 mm或连续三天沉降变化速率超过±2 mm/d时，达到警戒值。

(4)地下水位监测共布设了5根地下水位监测管，管口高程用水准仪测量，高差用钢尺水位计测量，管底部预留进水孔并用滤网布裹住，孔四周的空隙内回填粗砂，管顶用盖子封好。

5.2 监测成果分析

坡顶各水平位移观测点的最大水平位移量，如表2所示。

各水平位移监测点最终位移表 表2

深层位移监测点中的最大累计位移量为16.87 mm，沉降观测点中最大累计沉降量为5.56 mm。现以坡顶水平位移和深层水平位移的监测数据来分析本基坑侧壁位移与开挖深度、开挖工况之间的关系。图10给出了基坑周边坡顶各水平位移监测点随时间的变化规律，其变化趋势与施工现场的工况有直接的关系，如由SP7、SP8监测点的历时曲线可以看出，12月中旬位移量变化较大，其主要原因是基坑南侧土方开挖相对比其他各边较晚，且南侧中段当时有运输坡道支撑，12月中旬前后坡道移至东南角，对位移变化有较大影响;SP4点11月下旬的位移量和位移速率较大主要是由于当时土方开挖作业时挖掘机陷入淤泥质土中，对基坑东侧中段侧壁扰动所致。

图10 水平位移观测点坡顶水平位移历时曲线

图11给出了基坑东侧侧壁中点位置处深层位移随时间的变化规律，在此需要指出该处受空间效应影响最小，可以认为是简单的平面应力状态。随着开挖及支护过程的进行，支护结构后土体总体呈现向基坑内的深层位移趋势。开挖初始阶段，坡顶的位移随着开挖的进展不断增大，锚杆预应力的施加在深层位移曲线上表现为同深度向基坑外侧的异常波动，开挖到一定深度后，支护结构顶部由于冠梁的约束作用明显限制了位移的发展，坡顶位移甚至由1月26日的最大值19.5 mm逐步减小到7月10日的16.87 mm。

图11 CX3深层位移曲线

6 小结

通过对民航综合楼基坑工程设计和施工技术研究结合监测数据分析，我们可以得出如下结论:①支护设计方案中采用了钻孔灌注桩、预应力锚杆、双排桩、SMW工法和角撑等多种支护型式因地制宜，针对性强，取得了良好的支护效果。②在基坑施工过程中实施了全过程监测。从监测结果来看，基坑支护结构安全稳定，基坑周围地面沉降值很小，基坑开挖对西侧贵都国际会议中心、北侧民航大厦厨房等建筑物及周边道路上的复杂的管网影响不大，达到了基坑支护的预期目的。③根据现场监测数据分析总结了基坑侧壁位移与开挖深度、开挖工况之间的变化规律，为类似工程场地的进一步优化设计奠定了基础。

［1］JGJ120－2002.建筑基坑支护技术规程［S］.

［2］GB50021－2001.岩土工程勘察规范［S］.

［3］GB50497－2009.建筑基坑工程监测支护技术规范［S］.