凤城国贸工程超深基坑桩锚支护设计与施工

刘海兵

(华北地质勘查局第四地质大队，河北 秦皇岛 066000)

0 引言

近年来，随着我国经济建设的高速发展，高层建筑或超高层建筑越来越多的兴建，基坑也随之相应的越来越深，施工环境及施工难度也越来越大。因此，对基坑设计来说，既要保证基坑施工安全性，又要保证经济合理性，这就需要在基坑设计时，综合考虑基坑开挖深度、周边环境条件、岩土工程条件的复杂程度、施工作业设备和施工季节等条件，合理选取支护型式，达到既设计合理，又经济适用。

支护结构型式主要有：排桩、地下连续墙、水泥土墙、逆作拱墙、土钉墙、原状土放坡或采用上述型式的组合，每种支护结构型式都有其适用条件。

桩锚支护体系其主要特点是采用锚杆取代基坑支护内支撑，给支护排桩提供锚拉力，以减小支护排桩的位移与内力，并将基坑的变形控制在允许的范围内。桩锚支护体系主要由护坡桩,土层锚杆，围檩和锁口梁4部分组成，在基坑地下水位较高的地方，支护桩后还有防渗堵漏的水泥土墙等，它们之间相互联系，相互影响，相互作用，形成一个有机整体[1-2]。桩锚支护结构体系是将护坡桩与土层锚杆相结合的一种支护方法,安全经济的特点使它广泛应用于边坡和深基坑支护工程中，但在超深基坑中的应用仍在探索中。

1 工程概况

凤城国贸由住宅楼、办公楼、商业、公寓及地下车库等组成，净用地面积32488.98 m2，总建筑面积356335.23 m2，地下4层，开挖深度19.45～20.25 m，基底标高相当于黄海高程5.55～6.35 m。±0.000=26.30 m，整平后地面绝对标高为25.80 m。该基坑西侧为某大厦，地下2层，地上13～28层，距离本基坑15～17 m；基坑北侧、东侧、南侧均为市政道路，道路下埋有市政给水、污水、配电、通讯、雨水和燃气管线。

2 工程地质与水文地质条件

根据本工程岩土工程勘察报告[3-4]，按地层岩性及其物理性质，将支护相关地层自上而下分述如表1。

表1 地层岩性及其物理性质Table 1 Lithology and physical properties of strata

根据工勘报告，现场地下水埋深为9.30～12.50 m(黄海高程13.30～16.50 m)，地下水类型为潜水，该层水动态主要受大气降水及人工开采影响，年最低水位一般出现在5月底6月初，最高水位出现在9月底或翌年1-2月，地下水年变幅2 m左右，水位总体呈逐年下降趋势。

3 超深基坑支护设计方案选择

基坑开挖深度为19.45～20.25 m，属超深基坑，基坑设计安全等级为一级，基坑水平及竖向位移按二级控制[5]。对围护结构来说，方案选择本着安全第一，技术上可行、经济上合理的原则，考虑到基坑开挖深，基坑周围施工场地狭小，邻近基坑边有建筑物和地下管线需要保护，邻近基坑边有深基础建筑物等条件，经过多个方案的比较分析：虽然地下连续墙具有墙体刚度大、防渗性能好、可以贴近施工、占地少等优点[6]，但如果施工方法不当或地质条件特殊，可能出现相邻墙段不能对齐和漏水的问题，而且地下连续墙如果用作临时的挡土结构，比其他方法的费用要高很多；采用灌注桩作为围护体系，支撑体系如果采用内支撑则工作量太大极不经济，同时如果支撑拆除考虑在内工期过长，且拆除过程中难以保持原力系的平衡。

单一支护结构型式难以满足工程和经济要求，为节约施工空间，保护邻近建筑物和地下设施，减少基底回弹，利用支护结构进行地下水控制，保证基坑开挖安全，防止基坑变形对周边建筑物和市政道路造成不良影响，综合考虑采用组合式支护结构[7]，采用桩锚支护方案。

桩锚支护方案优点：

(1)现场浇筑、无挤土效应、对周边环境影响小；

(2)与地下连续墙比较设备简单造价低、速度快；

(3)平面布置灵活。

桩锚支护体系桩顶用钢筋混凝土冠梁连结，起到遏制桩顶变形的作用，桩体自上而下按照一定的网度布设多道预应力锚杆(索)，并通过横梁背拉桩体，共同约束基坑边坡变形，为确保边坡的整体稳定起到了主动支护的作用。

4 支护结构的设计计算

基坑支护结构计算包括土压力计算、灌注桩设计、锚杆设计、稳定性的验算。按照《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)[8]的要求，土压力计算采用朗肯土压力理论，所有土层采用水土合算。

4.1 原始数据(见表2)

表2 支护结构设计原始数据Table 2 Original data of the supporting structure design

4.2 计算结果

基坑分6步开挖，分别为基坑深度5.5、9.0、12.5、15.5、18.5、20.25 m，计算结果见表3。第6步开挖，设计最大弯矩805.86 kN·m；桩径800 mm，桩距1.42 m；按圆形截面配筋，压缩区角度100.08°，受拉区角度249.84°，受拉面配筋面积47.99 cm2，配筋数11Φ25 mm，受压面配筋面积21.16 cm2，配筋数7Φ25 mm，总配筋面积69.14 cm2，箍筋Φ8 mm,间距200 mm，加强筋Φ18 mm,间距2000 mm；抗管涌安全系数2.38，底部隆起值0.18 cm；地基承载力安全系数2.01。

锚撑设计[9]见表4。土压力、弯矩、剪力及位移计算结果见图1～5，桩锚支护结构体系见图6。

表3 基坑支护计算结果Table 3 Calculation results of the foundation pit support

表4 锚撑设计Table 4 Anchor supporting design

*计算锚杆自由段长3.27 m，根据规范要求，若锚杆自由段长度<5 m，设计自由段长度取5 m。

5 桩锚施工方案

进场后首先进行测量放线及场地平整，待条件具备后，布置6台套反循环钻机进行护坡桩施工，布置1台套高压旋喷钻机进行西侧桩间帷幕的施工，并随着护坡桩进度，采用2台套反循环钻机进行降水井的施工。随着开挖进度，及时进行护坡桩桩顶冠梁及挡墙施工。待开挖至-5 m时，降水井联网抽水。随着土方工作的进行，分别进行每一步的锚杆、腰梁、桩间土支护等项目。

5.1 反循环成孔灌注桩施工[10]

根据该工程所在地区工程地质条件和设计特点，选用GPS-15型反循环成孔钻机，原土自然造浆护壁，泥浆循环系统由泥浆池、泥浆沟等组成。钻孔和混凝土浇灌中所排出的废泥浆输入泥浆储存池清渣由挖掘机挖出，用装载机车运至场地指定地点。钢筋笼在现场制作，然后安放钢筋笼和砼导管，如果沉渣过大，进行第二次清孔。桩体采用商品混凝土。

图1 主动土压力Fig.1 Ative soil pressure

图2 被动土压力Fig.2 Passive soil pressure

图3 弯矩图Fig.3 Bending moment diagram

护坡桩作为一种隐蔽工程，在施工过程中，从钻机对位到成孔，每一道施工工序都需要有甲方质检员及现场监理工程师按照国家有关规范和技术要求进行验证、确认，经过甲方质检员及现场监理工程师验收合格并同意后，方能进入下一道施工工序。

图4 剪力图Fig.4 Shear diagram

图5 有限元位移图Fig.5 Finite element displacement diagram

5.2 桩间止水帷幕施工

护坡桩间止水帷幕采用双管高压旋喷桩机施工。

5.3 桩顶冠梁施工

工艺流程：挖槽→绑钢筋→支模→浇筑混凝土→养护。

5.4 砖砌挡墙施工

除部分剖面外，护坡桩顶均低于地面2.3 m，护坡桩顶冠梁以上区域采用砌砖墙加构造柱的挡土方式。

(1)桩冠梁顶至地面范围砌筑370砖挡墙，砖墙的标号为Mu10，砂浆标号为M10。确定砖墙的砌筑高度2.4 m。在砖墙顶上设一道钢筋混凝土压顶梁；圈梁断面尺寸200 mm×370 mm，圈梁主筋6Φ14 mm，箍筋Ø6 mm@250 mm。

(2)砖墙视冠梁距地面的高度不同，间隔2.4 m设置一个构造柱，柱断面尺寸370mm×370mm，柱主筋8Φ14 mm，箍筋Ø6 mm@250 mm。沿砖墙高度方向自下而上每间隔0.5 m设置2Ø6 mm拉结筋，每侧锚入砖墙内长度≮0.6 m。

图6桩锚支护结构体系
Fig.6Pile-anchor supporting structure system

5.5 降水井施工

工艺流程：放线定点→钻机就位→泥浆护壁→钻孔→验井→下井管→填砾料→洗井。

5.6 桩间土护壁施工

为防止桩间土的坍塌流失，进行挂网抹浆处理，用2.5 mm厚钢板网，规格为20 mm×80 mm×3.26 mm,其外侧加Φ14 mm@1000 mm钢筋，钢筋与镶嵌护坡桩内的膨胀螺栓焊接，膨胀螺栓规格为M12×105，喷50 mm厚C20豆石混凝土。为保证桩壁面的平整度、垂直度，护坡桩施工时，必须严格控制桩孔的位置、垂直度，随时检查钻机的平稳及钻杆的垂直度；在土方开挖时，桩壁面禁止机械挖方，应用人工清除，以避免桩间土因机械开挖，而造成过度坍塌及超挖；在挂网喷浆处理时，用经纬仪测出壁面，在桩间土中插入细钢筋，拉横线和吊垂线控制喷浆厚度及垂直度、平整度。从基坑桩顶至坑底全面控制，保证壁面的垂直度及平整度。为保证护壁效果，要求坑内土方开挖时，在坑内周边预留5.0 m宽工作台，待上层壁面处理完毕后，再用机械和人工清土。

5.7 预应力锚杆施工

因本工程基坑较深，深基坑桩锚支护的锚杆设计拉力较大，为最大程度降低对土体的扰动和减少沉降量，每层锚杆施工前期根据设计要求进行拉拔力试验，以检测锚杆抗拉强度能否达到设计要求。

主要施工工艺流程：钻机就位→校正孔位调整角度→钻孔至设计孔深→安放锚索→灌浆→二次注浆→养护→安装腰梁、锚头→张拉锁定。

本工程基底以上有一层地下水为潜水。根据本地施工经验，对地下水采用管井围降的方式进行基坑降水，同时考虑降水会对周边道路及邻近建筑物产生沉降变形的影响，故局部增加止水帷幕确保周边建筑无沉降变形。

6 支护结果评述

通过对超深基坑桩锚支护结构顶部沉降观测、水平位移及深层水平位移的观测发现[11]，土体开挖对基坑支护结构变形有较大影响，在开挖过程中及时支撑锚杆能有效控制变形[12]；同一测点随着深度的增加，水平位移值逐渐减小，土体最大的水平位移位置发生在地表附近，随着空间位置的变化，各测点的桩身水平位移表现出明显的空间效应，基坑各测点深层水平位移值由大到小，在监测过程中，支护的沉降、位移量均控制在预定的范围内，基坑施工始终是安全、稳定的，邻近道路、建构筑物未发生实质性沉降，证明基坑支护总体方案是比较成功的。

7 结语

基坑工程是建筑工程尤其是高层建筑的重要部分，基坑支护设计及施工方案的合理与否关系到基坑施工的经济性以及整个建筑施工的安全。桩锚支护结构体系是一种超静定结构，稳定性好，安全性能高，适用于深基坑及超深基坑工程，以及地层土质条件差、周边环境条件需要严格控制下的基坑支护工程，在各地区各种地层中都有成功应用的实例，对于超深基坑采用桩锚支护结构在基坑开挖后应加强实时监测，掌握施工动态，分析变形，指导后续施工。