角撑加锚杆在基坑围护中的应用

董军兆，柳家海

（1.江苏新亚勘测设计有限公司，江苏 苏州 215021；2.常州市基础工程公司，江苏 常州 213017）

随着经济的发展，城市化步伐的加快，在用地愈发紧张的密集城市中心，结合城市建设和改造开发大型地下空间已成为一种必然。随之而来的基坑工程也日益增多，且规模越来越大，但同一基坑的不同围护设计方案其造价往往差别很大，对周围环境的保护程度也不同。为此，本文通过对一个基坑两种围护设计方案的比较，力求说明在基坑设计时应进行多种方案的比选，在保证安全的前提下，应选择经济合理的围护设计方案。

1 概述

苏州某办公大楼，地上21层，地下2层，剪力墙结构，基坑开挖深度10.735～12.035m，基坑呈不规则长方形，基坑开挖面积10000m2，基坑周长为500m。基坑北侧地下室外墙距离用地红线约40.1m，红线外侧约15m 为中央河；西侧地下室外墙距离用地红线约26.9m，红线外为南施街；南侧地下室外墙距离用地红线约24.3m，红线外即为旺墩路；东侧地下室外墙距离用地红线约19.5m，红线外现为空地，本工程的周边环境见图1。

2 场地工程地质与水文地质条件

场地工程地质条件见图2，基坑围护设计参数如表1所示。

图1 基坑周边环境

图2 工程地质剖面

水文地质条件：场地内对本工程有影响的地下水有：（1）第四系上层潜水，赋存于表层填土层中；（2）微承压水含水层，赋存与③粉质粘土夹粉土及④粉质粘土夹粉土层中，主要接受径流补给，本次勘察期间测得其初见水位埋深4.8～5.3m，稳定水位标高为1.2m 左右。

表1 基坑围护设计参数一览

3 设计方案比选

3.1 原设计方案〔1〕

采用排桩加对撑及角撑的支护型式，典型剖面见图3。

图3 排桩加钢筋砼内支撑剖面

该方案具有能较好地控制基坑变形，受力明确，整体性强，支撑刚度大，基坑周边施工场地预留较大的优点，缺点是围护造价较高，且须等支撑强度全部达到要求后方可开挖，延长了施工进度，另外出土作业面较少，不利于流水施工。

3.2 改进后的方案〔2〕

设计思路：基坑四周距离用地红线尚有19.5～40.1m的距离，具有一定的放坡条件，但是由于基坑开挖深度较大（10.735～12.035m），全面放坡的可能性不大，所以在充分利用放坡方案的基础上，结合其它支护方案；由于南侧、东侧和西侧的砖砌围墙及其外侧的管线、道路对基坑位移和沉降的反应较为敏感，经过综合考虑，具体方案如下：由于北侧有40 m 的场地，且场地外无需保护的建筑物，拟采用“Φ850＠1200三轴帷幕+12m 宽平台+三级放坡土钉墙”围护方案，剖面见图4。

南侧为城市主要道路，且地下有许多管线需要保护，拟在东南角和西南角采用“浅层卸土放坡+12m 宽平台+Φ850＠1200三轴帷幕+钻孔灌注排桩+角撑”围护方案，剖面见图5。

图4 北侧支护剖面

图5 南侧支护剖面

西侧与东侧距离用地红线有19～26m 距离，采用“浅层卸土放坡+12m 宽平台+Φ850＠1200三轴帷幕+钻孔灌注排桩+加劲桩拉锚”围护方案，剖面见图6。

经过估算，该方案的造价比原方案低约30%，且由于角撑是相对独立的，易于实现流水施工，大面积的无支撑的出土作业面亦加快了施工进度。

4 改进后的支护方案的设计重点和难点

4.1 重点和难点1

东南角、西南角以及东西两侧均有一宽12m 的平台，一开始设计时并未考虑利用该平台，后考虑到该平台施工单位肯定不会浪费掉，会放置一些材料，设计计算时考虑20 kPa的附加荷载，计算时将该12m 宽，2m 高的土层换算为条形荷载施加于基坑上进行计算，超载信息如表2所示。

图6 西侧与东侧支护剖面

表2 基坑边超载信息一览

经计算，其变形指标＜30 mm，抗倾覆指标＞1.3，满足规范要求。

4.2 重点和难点2

本工程存在两种不同受力机理的支撑系统，一种是锚杆锚拉系统，一种是内支撑系统，两种支撑系统的受力机理完全不同，在这两种支护形式相交处的刚度协调至关重要，否则会在相交处产生应力集中，影响围护结构的安全。本工程在两种支护形式相交处采用双排桩的围护形式来提高刚度（见图7）。

图7 支护类型不同刚度变换处平面

4.3 重点和难点3

本工程锚杆的预应力施加时间及大小是至关重要的。因本工程的锚杆采用高压旋喷桩锚杆，注浆材料为水泥浆，既要考虑圈梁的砼强度，又要考虑水泥浆的强度，因此经过综合考虑确定，待旋喷锚杆养护7天且桩顶圈梁达到设计强度80%后方可开始施加预应力。另预应力的大小也很重要，考虑到本工程锚杆系统与内支撑系统的协调作用，以及场地的土质情况，综合考虑取设计值的30%～35%，即取值为150kN（设计值为420kN）及200kN（设计值为620kN），未按规范的75%～90%取值。

5 改进后的设计方案实施效果

该基坑工程已于2012年8月开始施工，2013年6月10日施工完毕，基坑变形稳定，总体安全，基坑开挖对邻近道路管线没有产生明显影响，基坑全程监测过程中，未出现报警及预警情况。基坑各项监测数据结果见图8～图12。

图8 水平位移变化曲线

由图8可以看出，在2012年9月底到11月中旬，土方开挖阶段坡（桩）顶水平位移变化趋势随基坑开挖深度增加而增大。土方开挖完成后，11月底，底板浇筑完毕后变化趋势趋于稳定状态。整个基础施工期间水平位移变化趋势状态稳定。

图9 竖向位移变化曲线

由图9可以看出，在2012年9月底到10月下旬，桩顶竖向位移由于基坑开挖引起土体回弹，曲线变化呈上升趋势，至11月初，基坑土体应力释放完毕，曲线呈缓慢下降趋势。11月中旬，底板浇筑完毕后，数据逐渐趋于稳定。

由图10可以看出，各个支撑轴力监测变化趋势基本一致，即在基坑刚刚开挖到坑底过程中，轴力增长速度较快，在随后的施工阶段，轴力逐渐保持在一定的范围内。

图10 支撑轴力变化曲线

图11 水位时程变化曲线

由图11可看出，基坑降水期间，坑外水位在整个基坑开挖过程中，变化量正常，未出现异常变化趋势。考虑到冬季降雨量少，水位下降量数值为正常变化，后期春季雨水增多，水位处上升趋势。开挖过程中坑壁极少处出现渗水现象，已及时采取相应的处理措施。本基坑止水帷幕经验证效果满足基坑安全要求，达到了预期的止水效果。

图12 深层水平位移曲线

为了更方便直观的对深层土体进行分析，抽取比较典型的深层水平位移曲线图，由图12可以看出，主要变化量处在-3m（支撑下方）到-13m 的位置，变化量最大的出现在坑底-9m 的位置。曲线呈典型的“D”字型。基坑开挖过程中，深层水平位移变化稳定，变化速率缓慢。

6 结语

1）基坑工程的设计应综合考虑基坑所处场地的工程地质、水文地质和周围环境条件，结合主体工程地下室的建造层数、开挖深度、基坑面积及形状、施工方法、造价、工期等多方面因素，同时应兼顾基坑工程设计方案的经济合理性。

2）在基坑围护设计时，应进行多种方案比选，优选一种安全可靠，经济合理，技术可行，施工便利的设计方案。

3）本工程采用了锚杆与内支撑两种不同的支护形式，在其联结处的刚度采用双排桩进行了局部加强，且在预应力施加的时间及大小方面根据实际情况进行了调整，具有一定的借鉴意义。

4）该方案设计时，将放坡平台的宽度放大为12m，人为降低了基坑开挖深度，减小了风险，并在计算时将其换算为条形荷载参与计算，保证基坑的安全。

〔1〕刘国彬，王卫东.基坑工程手册〔M〕.北京：中国建筑工业出版社，2009.

〔2〕常士骠，张苏民.工程地质手册（第四版）〔M〕.北京：中国建筑工业出版社，2007.

〔3〕上海市勘察设计协会，DBJ08-61-97，基坑工程设计规程.上海.1998.

〔4〕山东省建设厅，GB50497-2009，建筑基坑工程监测技术规范.北京：中国计划出版社，2009.