深基坑桩锚支护体系的设计、施工及质量通病防治

孔得会，申旭庆

（北京市机械施工有限公司，北京 100045）

桩锚支护体系在北京等土质较好地区作为边坡支护结构被广泛应用，由于土的物理和力学性质差异，深基坑施工过程中支护结构选型十分重要。深基坑支护设计需满足挡土、挡水、支撑三方面要求。要进行深基坑支护结构设计，首先需要对拟建场地工程地质条件、水文地质条件进行足够了解从而进行支护结构的选型，再根据已经确定的支护形式确定具体的施工工艺，同时施工过程中应注意相应工艺质量通病的防治。

1 工程概况

本工程场区自然地面标高在44.00～46.00m。按岩性及工程特性划分为11个大层，由上到下分别为：①杂填土层厚3.5m；②粉土层厚4m；③粘性土层厚4m；④细砂层厚2m；⑤卵石层厚3m；⑥卵石层厚1.8m；⑦粉土层厚3.5m；⑧粘性土层厚1.4m；⑨细砂层厚1.8m；⑩卵石层厚6.5m；⑪粘性土层厚5.1m。工程场区内量测到4层地下水，各层地下水的类型、埋深标高情况详见表1。

2 深基坑支护形式设计

2.1 设计方案的选择

必须根据深基坑的开挖深度、土的性状及地下水条件、基坑周边环境对基坑变形的承受能力及支护结构一旦失效可能产生的后果、主体结构地下结构及基础形式、支护结构施工工艺的可行性、施工场地条件及季节性施工等来设计深基坑支护结构，并进行多种方案对比，选择经济合理、安全可靠、易于实施的最优方案。

表1 各层地下水的类型、埋深标高情况

王府井深基坑工程开挖范围内主要为素填土、粉土、粘性土、细砂、卵石层，土质条件较好。基坑开挖深度约为23m，开挖深度较深。拟建基坑周边地下管线设施极其密集，分布有多条雨污水、给水、电力、电信、热力、燃气管线及人防结构等，周边环境复杂。同时基坑周边分布有王府井大街、新东安商场、丹耀大厦等人流密集商业街及重要建筑物，场地条件十分有限且对变形敏感。若采用降水措施会对基坑周边建（构）筑物、地下管线、道路等造成危害。

综合以上信息，确定采用适用于土质较好地区的深基坑开挖，对场地要求小，造价较低的桩锚支护体系，并辅以帷幕桩+坑内疏干井的方式对坑外地下水进行有效阻截，对坑内地下水进行有效排降。

2.2 计算原理简述

2.2.1 挡土系统

桩锚支护体系中主要挡土构建为护坡桩。护坡桩的计算可分为土压力计算、嵌固深度计算、内力及变形计算、混凝土截面配筋4个部分。

1）土压力计算 土压力计算采用经典法土压力模型，基坑外侧土压力选择主动土压力进行计算。

式中 pak—— 支护结构外侧第i层土中计算点的

主动土压力强度标准值；

ppk—— 支护结构内侧第i层土中计算点的

被动土压力强度标准值；

ρak、ρpk—— 分别为支护结构外侧、内侧计

算点的土中竖向应力标准值；

ka,i、kp,i—— 第 i层土的主动、被动土压力

系数。

当位于地下水位以下且水土分算时，还需考虑水压力。

2）嵌固深度计算 采用圆弧滑动条分法进行嵌固深度计算，其整体稳定性应符合下列要求

式中 ks,i—— 第i个滑动圆弧的抗滑力矩与滑动力矩的比值；

ks——圆弧滑动稳定安全系数。

3）内力、变形计算 结构内力与变形计算值、支点力计算值应根据基坑开挖及地下结构施工过程的不同工况、根据受力条件分段按平面问题计算。变形计算包括位移与沉降计算。

①采用弹性分析法中的增量法计算模式进行内力、位移计算。

外荷载相当于前一个施工阶段完成后的荷载增量，支承由支撑弹性作用和地层弹性作用组成，求得的围护结构位移和内力相当于前一个施工阶段完成后的增量，当墙体刚度不发生变化时，与前一个施工阶段完成后的墙体已产生的位移和内力叠加，可得到当前施工阶段完成后体系的实际位移和内力。

新增荷载计算：每一步工况都只考虑当前工况新增的荷载，新增加的荷载包括以下方面。

开挖过程：荷载增量为主动侧土压力的增量、被动侧土体弹性作用由于开挖而造成的刚度损失以及主动侧土体弹性作用卸载后的土反力；支撑由支撑弹性作用和开挖面以下的土体弹性作用组成。

加撑过程：荷载增量为加在该支撑上的预加力，支承由其他支撑弹性作用、开挖面以下土体弹性作用以及主动侧土体弹性作用组成。

拆撑过程：荷载增量为与该支撑受力方向相反，大小相等的力。

加楼板（刚性铰）过程：没有荷载增量，但加刚性铰处的位移在以后的工况中将不再变化。

内力、位移计算：当前工况的位移、弯矩、剪力和支撑反力可以通过前面工况每一步的位移、弯矩、剪力以及支撑反力值进行累加后得到。

②采用抛物线法进行沉降计算。各点的沉降

地表最大沉降

4）混凝土截面配筋计算 截面弯矩设计值

圆桩纵筋采用均匀配筋

配筋率ρ范围取0.6%ρ≤5%。

2.2.2 挡水系统

挡水系统主要分为坑外截水与坑内疏水两个部分。

1）坑外截水计算 王府井深基坑工程基底以下10m处存在连续分布、埋深较浅的隔水层，因此采用落底式帷幕（将帷幕底落入粘性土⑦层）。落底式帷幕进入下卧隔水层的深度应满足下式要求，且不宜小于1.5m。

式中 l——帷幕进入隔水层的深度；

Δh——基坑内外的水头差值；

b——帷幕的厚度。

2）坑内疏水计算 ①总涌水量计算：本工程场区地下水疏干的对象主要为基底以上卵石、圆砾④层的层间水，总涌水量为基坑内的含水层中总水量Q＝shn+sh1；②疏干井影响半径计算：根据本工程层间水含水层的岩性及分布条件，采用以下公式进行影响半径估算；③疏干井数量计算n=Q/(qT)。

式中 s——基坑面积；

h——含水层厚度；

n——含水层孔隙率；

h1——开挖期间降水量。

sw——井水位降深；

H——含水层厚度；

k——含水层的渗透系数；

q——单井设计流量；

T——抽水时间。

2.2.3 支撑系统

桩锚支护体系中主要支撑构件为锚杆。锚杆的计算以挡土系统每米宽度内的支点水平反力为依据，需进行锚杆轴向内力、锚杆长度、锚杆配筋三部分计算。锚杆参数如表2所示。

1）锚杆轴向内力计算

表2 锚杆参数

式中 Fh—— 挡土系统每米宽度内的支点水平反力；

S——锚杆水平间距；

α——锚杆倾角；

N——锚杆轴向拉力设计值；γ0——基坑重要性系数；

γF——锚杆荷载分项系数；Nk——锚杆轴向拉力标准值。

2）锚杆长度计算

①自由段长度计算

式中 h——简化为各道锚索距离坑底高度；

φm—— 简化为基底以上各土层按厚度加权

的等效内摩擦角。②锚固段长度计算

式中 Rk——锚杆极限抗拔承载力；

d——锚杆直径，通常取0.15m；

qsk,i——第i层土锚杆极限粘结强度标准值；

li——第i层土中锚固段长度；

Kt——锚杆抗拔出安全系数。③锚杆长度计算

式中 Ap——计算配筋面积；

fpy——锚杆材料强度设计值。

2.2.4 王府井深基坑工程设计成果展示工程设计成果如图1所示。

3 施工工艺选择

3.1 挡土系统

王府井深基坑工程开挖深度大，护坡桩长度较长，场区地下水位较高，基于上述特点，护坡桩施工采用旋挖钻机钻进、静态泥浆护壁的成孔工艺。

图1 深基坑工程设计成果图

3.2 挡水系统

根据工程地质条件、水文地质条件及施工条件等综合确定，王府井深基坑工程基坑截水选用高压旋喷与排桩相互咬合的组合帷幕。由于高压旋喷桩径较大采用三重管施工方法。

3.3 支撑系统

王府井深基坑工程地下水位标高位于地面以下约15m处，上方三道锚杆位于地下水位以上，因此本工程上方三道锚杆优先选用锚杆钻机干作业成孔施工工艺施工，若出现局部土层砂性大、含滞水量大塌孔的部位可使用套管湿作业工艺施工；由于下方三道锚杆位于地下水位以下，采用套管湿作业工艺施工。

4 质量通病防治

4.1 挡土系统

质量通病1:成孔过程中塌孔

防治措施：根据地质报告和现场考察，结合工程实际情况，确定该工程不同地质段、会存在问题与处理办法。使用挖土机向孔内回填可塑性好的粘性土，钻机反转向下加压，正转取土，充分压实孔壁，重新成孔。本工程由于基坑周边存在旧有人防结构，护坡桩施工时遇旧有人防结构或地下巨大障碍物地段，护坡桩施工前，有开挖作业面的区域还需采用机械开挖整体破碎，无开挖工作面区域采用人工开挖破碎，穿过障碍物后下放钢套筒，再进行后续护坡桩施工。

质量通病2:混凝土水下灌注质量不佳，出现堵管、断桩等现象

防治措施：①在施工前要对商品混凝土厂家的资质进行考查，混凝土生产厂家应出具所生产砼的开盘鉴定、材质检验报告等质量证明资料；②塌落度控制在180～220mm，防止堵管现象发生；③准确计量导管长度，确保导管下口在混凝土中的埋深，杜绝导管提离混凝土面导致断桩事故发生。

4.2 挡水系统

质量通病1:旋喷桩固结体强度不均、缩颈

防治措施：①由于喷射方法与机具没有根据地质条件进行选择可能造成旋喷桩固结体强度不均、缩颈，因此应根据设计要求和地质条件，选用不同的喷浆方法和机具；②喷射设备出现故障（管路堵塞、串、漏、卡钻）中断施工可能造成旋喷桩固结体强度不均、缩颈，因此喷浆前应进行压水压浆压气试验，一切正常后方可配浆准备喷射，保证连续进行，配浆时必须用筛过滤；③拔管速度、旋转速度及注浆量不配合，会造成桩身直径大小不均，浆液有多有少，因此应根据固结体的形状及桩身匀质性，调整喷嘴的旋转速度、提升速度、喷射压力和喷浆量；④穿过较硬的粘性土可能产生缩颈，因此应对易出现缩颈部位及底部不易检查处进行定位旋转喷射（不提升）或复喷的扩大桩径办法；⑤喷射的浆液与切削的土粒强制拌和不充分、不均匀，会影响加固效果，因此应控制浆液的水灰比及稠度；检查喷嘴的加工和安装精度，必须符合设计要求，确保喷浆效果。

质量通病2:疏干井成井效果不佳

防治措施：①疏干井垂直度不满足要求，此时钻机安装应周正平稳，严格按操作规程施工，保证钻孔垂直度误差小于1%。下管时滤水管接头处要用竹片夹好绑牢，防止在下管过程中发生位移；下管时应轻提慢放，遇阻时应查明原因后再下放，严禁强行墩放，以防损坏井管；②避免成孔过程中出现塌孔现象，提升、下放钻具时要轻提慢放，避免产生抽吸作用；③含水层部位的井管外要缠绕80目尼龙滤网；下至设计位置后，要保证井管口高出地面20cm以上，井口用盖板盖好，防止杂物掉入；填入滤料时，要仔细检查滤料质量，控制其含泥量不超过5% ；填入过程中要用铁锹沿井管四周缓慢均匀填入，防止投料不均或中途架桥；在降水过程中，如遇滤料下沉，应及时补充。否则疏干井发生易堵管现象。

4.3 支撑系统

质量通病：锚杆被拔出。

防治措施：严格控制好注浆工序，检查水泥浆的配合比是否满足设计要求，注浆上是否饱满，必须进行及时补浆，必要时进行二次压力注浆。

5 结 语

桩锚支护体系从设计理论和施工工艺上都较成熟。用于深基坑支护工程，安全性较好，且工程造价较地下连续墙等其他适用于深基坑的支护结构低，经济性好。通过施工过程中的信息反馈，能够及时灵活的通过调整锚杆设计来达到调整受力体系的目的。配合基坑监测系统，可以实现深基坑工程的动态管理，从而达到保证基坑安全的目的。因此值得在深基坑工程中进一步推广。 O