超深基坑桩锚支护结构施工技术

贾红军 陈俊杰

山西建筑工程有限公司 山西 太原 030006

1 工程概况

中石化科学技术研究中心（北区）项目位于北京市昌平区沙河镇，由4栋单体工程组成。其中，4#科研楼41 495 m2，能源中心12 556 m2，均为框架-剪力墙结构，2栋楼之间通过连廊连接（图1）。4#科研楼为地下2层结构，基坑开挖深度为10.15 m；能源中心为地下4层结构，基坑尺寸为44.50 m×66.50 m，开挖深度为31.40 m，距北侧高教园南街道路2.00～5.85 m，现场地质条件复杂，基坑支护难度大。

图1 现场平面位置

2 工程地质条件

根据现场勘探、原位测试及室内土工试验的结果，按沉积年代及成因类型，将本次勘察的最大勘探深度范围内的地层划分为人工堆积层、新近沉积层、第4纪沉积层等3大类，主要为素填土和粉质黏土。

本工程勘察期间于勘探钻孔深度45.00 m范围内实测到4层地下水，其中18.70 m以下为承压水。

3 基坑支护方案

能源中心基坑支护方案在综合考虑了安全性、技术先进性、施工可行性、经济性及工期情况等因素后，结合现场周边工作面条件，采用复合土钉墙＋桩锚的基坑支护形式。上部采用复合土钉墙支护，确保边坡支护安全；下部采用大直径护坡桩并增加嵌固深度的形式抵抗侧向土压力；采用预应力锚杆变被动支护为主动支护。同时采用三轴搅拌桩止水帷幕阻隔地下水，在基坑内设置疏干井降低地下水位。出土坡道及后期倒土平台位于西侧并与4#科研楼连接。

该基坑采用复合土钉墙＋桩锚支护结构体系，上部8.39 m采用1∶0.3放坡，复合土钉墙支护；下部23.01 m采用桩锚支护体系，护坡桩桩长39.00 m，护坡桩直径均为1 200 mm，共设8道预应力锚杆。锚索长度分别为26、27、28 m，孔径150 mm，机械成孔，锚索采用预应力1 860-7φ5型钢绞线，公称直径15.20 mm，桩顶冠梁尺寸为1 500 mm×1 000 mm（图2）。

4 方案优化

4.1 基坑支护结构设计优化

目前，国内外超深基坑支护形式多以地下连续墙＋内支撑为主，支护形式多为“大坑套小坑”和“梯形坑”的方式[1-4]。

图2 能源中心基坑支护剖面

本项目经过方案论证、分析、优化，结合FLAC3D、PFC3D等三维有限元数值分析软件和非线性理论模型，分析超深基坑开挖过程中基坑周边土体应力场、位移场的空间分布，最终基坑支护采用复合土钉墙＋桩锚组合式支护结构，将复合土钉墙＋桩锚组合支护发展到31.4 m基坑深度。通过优化支护结构设计，从而降低支护结构施工难度和安全风险，缩短工期，降低造价。

4.2 基坑支护结构平面优化

针对结构造型复杂、支护墙体阳角较多、施工难度大的问题，同时避免阳角处应力集中，对基坑截面进行优化，消除部分阳角，可减少锚索施工的交叉，降低支护结构施工难度和安全风险。

4.3 基坑支护方式创新

对于基坑距道路较近的北侧，施工场地狭窄，上部复合土钉墙无放坡空间，使用双排钢管桩＋三轴搅拌桩止水帷幕组合式支护结构（图3），双排钢管桩与三轴帷幕桩组合使用，既能够起到隔水的作用，也能提供足够的支护强度，保证基坑施工的安全进行。

图3 双排钢管桩＋止水帷幕组合式支护结构

5 基坑施工措施

5.1 降水施工

本工程建设场区位于温榆河故道，基坑开挖深度范围内共有4层地下水，水量丰富且下部2层水为承压水，基坑降水是施工难题。工程采用降排结合的方式，坑壁采用三轴搅拌桩止水帷幕进行隔水，坑内采用无砂混凝土滤管疏干井进行排降；为确保预应力锚杆施工期间的施工质量，基坑外设置临时减压井，每个减压井均位于护坡桩的正后方，防止锚索施工时钻孔穿透破坏，减压井的位置一定要避开预应力锚杆，施工时要精准测量定位，且井深至最下部锚杆标高以下。施工期间，采用电子水位测量仪对井内水位进行观测，确保水位位于需施工锚杆的下方。

基坑采用长34 m的φ850 mm@1 200 mm三轴水泥土搅拌桩止水帷幕，工程所处地层为硬塑土质及砂层，现场通过调整水胶比、改进桩头、增大喷气量等措施，使三轴搅拌桩施工在北京地区硬塑地质成桩成功，效果良好。三轴搅拌桩按 “两喷两搅”工艺施工，水泥掺量20%，搅拌下沉速度为0.5～1.0 m/min，搅拌提升速度为1～2 m/min。施工时，要控制好三轴搅拌桩桩位偏差和垂直度。

为确保坑内干燥及土方开挖顺利进行，对止水帷幕以内的坑内水采用疏干井进行疏干，基坑内均匀设置疏干井，本工程疏干井采用无砂混凝土滤管，井管外径为400 mm；滤管接头处须用竹片及铁丝绑扎结实，接头处包纱网，滤管安置后应保持垂直和居中；成井后须及时洗井，做到随打随洗。

土方开挖过程中，基坑内采用明沟排水，保证基坑内施工顺畅。开挖至坑底后在坑底肥槽内设置400 mm（上口宽度）×300 mm（下口宽度）×300 mm（高度）明排水沟，排水沟向疏干井找坡0.5%，排水沟与肥槽内疏干井相连，并放置流量20～30 m3/h、扬程为50 m的变频潜水泵进行抽排水。

5.2 锚杆施工

本工程承压水层、砂层中预应力锚杆采用全套管跟进成孔预应力锚杆，注浆采用二次高压劈裂工艺。

5.2.1  施工工艺

钻机就位→调整角度、校正孔位→打开水源、钻孔→反复提内钻杆冲洗→接内套管钻杆及外套管→钻至设计孔深→清孔→停水、拔内钻杆→插放钢绞线及注浆管→注水泥浆→拔外套管并二次注浆→养护→安装钢腰梁→张拉预应力锚索→锁定

5.2.2  锚杆制作

1）高强钢绞线使用前应除锈去污，排列平直，截长时，应预留有1.0～1.5 m以满足张拉长度要求。

2）沿杆体轴线方向按间距1.5 m设置1个梅花形支承隔离架，隔离架、一次及二次注浆管均要与杆体绑扎牢固。

3）锚杆自由段套波纹管，两端要用铁丝扎牢，自由段锚杆要做好防腐处理，杆体端部连接锚杆导向帽。

5.2.3  成孔

1）采用液压跟管钻机成孔，采用带有套管的钻孔施工，套管外径为150 mm。

2）要严格控制钻孔的方位，调正钻杆角度，水平倾角要符合设计，钻杆的水平投影垂直于坑壁，检查无误后方可钻进。

3）钻进时，根据工程地质情况，合理控制钻进的速度。如遇到异常情况应及时停钻，待情况查清楚后再钻进。钻孔深度应大于锚杆的设计长度200 mm。

4）钻孔达到设计要求孔深后，用清水冲洗套管内壁。护壁套管在孔内灌浆完成后方可拔出。

5）在成孔前，要观测基坑周边地下水水位，通过设置减压井使承压水位控制在锚杆标高以下。

5.2.4  插放锚杆

清孔、验孔后，立即向套管内安放锚杆。安放锚杆时，要防止杆体弯曲、扭转，缓慢插入至设计深度。插入时，要抬起后部，使之与孔成设计角度后缓慢插进，防止碰坏孔壁。插入前应仔细检查长度、自由段部分的处理、注浆管是否有漏浆等。

5.2.5  灌浆

根据设计要求，注浆采用纯水泥浆，水泥浆采用42.5级普通硅酸盐水泥拌制，水灰比为0.5；注浆采用二次注浆，第1次注浆压力为0.6～0.8 MPa，待注浆孔口溢浆即可停止注浆；第2次注浆压力2.5 MPa，一次注浆初凝后方可进行二次高压劈裂注浆，2次注浆的时间间隔要根据现场注浆效果进行确定。浆液由孔底开始灌注并向外返出，边注浆边向外缓慢拔管，直至浆液溢出孔口后方可停止注浆。

5.2.6  张拉锁定

1）用张拉千斤顶于锚头施加拉力，张拉前须对张拉千斤顶设备进行标定。锚杆张拉时，锚固体强度应达到设计强度75%且大于15 MPa时方可张拉。

2）预应力锚索正式张拉前，应取20%的设计荷载对其进行预张拉，使其各部位接触紧密，钢绞线完全平直。

3）预应力锚索张拉采用四级张拉，按0.25T→0.50T→0.75T→1.00T（T为荷载设计值）进行张拉。当张拉至设计荷载值时，保持10～15 min，当变形稳定后，卸载至锁定荷载进行锁定。预应力锚杆锁定后48 h内，若发现有明显的预应力损失，要进行补偿张拉。

5.3 土方施工

土方施工要与基坑支护施工作业互相配合，严格按照施工方案要求，分层作业，开挖深度控制在支护土钉、锚索以下0.5 m，并预留肥槽，土方开挖要为护坡施工创造工作面，便于护坡施工。基坑土方开挖随支护结构同步进行，出土马道放坡比例为1∶6。

对于放坡可到达的基坑标高，采用反铲挖掘机开挖直接装车运至卸土点；因基坑内空间不足，放坡无法到达的深度，采用坑上部18 m臂长挖掘机＋坑下部多台挖掘机倒运的方式进行土方装车外运，并按深部的每步土方开挖标高及机械作业工作性能合理安排机械数量及位置。

对于长臂挖掘机可挖的最深标高以下的土方，在基坑西侧设置收土平台，平台标高位于长臂挖机可挖的最深部位以上，规格为7.0 m×7.0 m，基坑内挖机通过接力倒运的方式将土方放置于平台上，将基坑内最下部土方挖除。最后，收土平台的土方通过塔吊运出。

6 基坑监测

基坑监测采用自动化设备，通过计算机程序自动进行数据采集、计算、分析、处理，监测数据如超出预警值范围，系统马上发布报警，提示现场技术人员及时作出判断，并采取相应工程措施。

土方开挖及土支护施工阶段，监测频率为1次/d，在基坑开挖完成后，变形稳定的情况下可适当减少基坑监测的次数。基坑监测过程要持续到基坑回填完成，支护退出工作为止。基坑监测至少应包括以下内容：坡顶水平位移、坡顶竖向位移、桩顶水平位移、桩顶竖向位移、地下水位、周边地表沉降、锚杆轴向拉力、深层水平位移、周边管线位移。同时，要安排专人进行日常安全巡视，对监测及巡视出现的异常情况及时反馈并进行处理。

7 结语

本工程基坑支护结构施工完成后，经过了一个冬期施工的考验，基坑各项监测数据稳定，能满足基坑地下结构施工要求。通过方案优化和技术创新，在复杂地质条件下的超深基坑施工中采用复合土钉墙＋桩锚支护结构进行施工，保证了基坑施工安全，加快了施工进度。与地下连续墙和内支撑结构相比，经济效益非常明显，对我国未来超深基坑的设计和施工有较强的借鉴意义和推广价值。