桩锚支护体系深基坑的设计实践与监测分析

马 勇，陈小丹，李 川，朱思军，邓义钊

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635;2. 广东省岩土工程技术研究中心，广东 广州 510635)

1 概述

随着我国基坑工程的快速发展，基坑工程也朝着更大更深的方向发展。常用的基坑支护型式有放坡支护、桩(墙)锚支护、桩(墙)撑支护、土钉墙支护、重力式挡墙支护、双排桩支护等[1-4]。其中，桩锚支护型式由于可以保证土方开挖与支护结构相互不干扰，并可以有效缩短工期，因此，在深基坑支护中较多采用桩锚支护方案。在常规的桩锚支护方案中，常规锚索的锚固体直径一般为0.15 m，锚索钢铰线规格一般采用7φ5，但对于深基坑支护，按照常规的锚索设计，锚索计算长度需要很长，钢铰线束数很多。对于常见的原状土坡道出土的基坑出土方案[5-6]，坡道收口困难，工期较长，特别对深基坑影响较大。

以广州某深基坑支护设计为例，采用了大孔径锚固体和大直径钢铰线，并采取了在地下室外侧设置无需收口的出土坡道，极大地方便了基坑出土和地下室结构施工，可为类似基坑支护工程提供设计参考。

2 工程概况

某综合发展项目位于广州市增城区，拟建建筑物包括2栋办公及酒店，2栋住宅。底部均设置裙楼商业(1～4层)及其它附属配套设施。塔楼基础型式为灌注桩基础，裙楼商业处为天然基础。本项目用地红线面积约为35 245 m2，周长约748 m。场地现地面绝对标高平均约为24.5 m，地下室底板垫层底标高为5.35 m，基坑开挖深度为19.15 m。

基坑周边环境条件如下：

北侧：临近在建基坑(其基坑支护型式为桩锚支护)，两者红线距离约24.0 m；南侧：已拆迁空地；东侧：临近规划市政道路，距离红线约3.5 m处有直径0.6 m的砼结构雨水管，埋深约0.9 m；西侧：临近规划市政道路，地面下埋设有砼结构雨水管，污水管和电力管，距离红均超过14.0 m。基坑周边环境及平面布置见图1所示。

本项目基坑支护设计的难点和重点是：①基坑支护深度将近20 m，属于超过一定规模的危大工程，安全风险要求高；②本项目土方开挖量约60万m3，工期要求紧，对能快速出土要求较高；③周边环境复杂，临近现状管线和在建项目，周边变形控制要求较高。

因此，综合考虑本项目基坑的开挖深度、地质条件和周边环境等因素，本基坑主要采用支护桩+预应力锚支护体系。桩锚支护方案适用性较强，对土方开挖和地下室结构施工影响较小，锚索施加的预应力对控制支护结构变形可以起到很好的约束作用。

图1 基坑周边环境及平面布置示意

3 地质情况概述

3.1 地层分布

①素填土：褐红、褐黄、灰黄、灰褐色，稍湿～湿，松散～稍压实，层厚0.50～6.40 m。

②粉质黏土：褐红、褐黄色，可塑，层厚0.70～15.60 m。

按土的类型及沉积顺序，划分为3个亚层，分述如下：

③1含砂黏土：灰黄、浅灰色，软可塑，层厚1.60～6.70 m。

③2淤泥质土：深灰、灰黑色，饱和，流塑，层厚2.00～5.70 m。

③3中砂：灰黄、深灰、灰色，饱和，稍密，层厚1.10～2.80 m。

4) 第四系残积层(Qel)

④砂质黏性土：褐红、褐黄、灰黄、灰白色，可塑～硬塑，揭露厚度0.90～23.10 m。

5) 燕山期花岗岩(γ5)

场地下伏基岩为燕山期花岗岩，按其风化程度可划分为全风化、强风化、中风化及微风化带。

场地地下水主要赋存于冲积层孔隙及基岩风化裂隙中，为孔隙水及基岩裂隙水。孔隙含水层主要由淤泥质土及中砂层组成，其中淤泥质土的赋水性较好，但透水性较差，属微透水层；中砂层的富水性及透水性均较好，属强透水层，具承压水特征。裂隙含水层主要由下伏强风化、中风化岩组成，具一定的富水性，但仍属弱透水层，勘探期间，测得地下稳定水位埋深在2.20～6.00 m之间，标高18.06～20.53 m。

典型地质纵断面示意见图2所示。

3.2 地质参数

根据地质勘察报告并结合广东地区基坑支护设计中取用参数的经验，各岩土层计算参数见表1所示。

4 设计方案

4.1 基坑支护方案

根据本工程所处的位置、工程地质及水文地质条件以及基坑开挖深度和周边环境，按广东省标准《建筑基坑支护技术规程》(DBJ/T 15-20—2016)和中华人民共和国行业标准《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)的规定，基坑支护结构安全等级为一级，重要性系数γ0=1.10。

1) 支护方案分析

本项目基坑面积较大，开挖深度较深，但地质条件相对较好，周边环境一般，常用的支护方案有：支护桩+预应力锚索体系[7-8]、支护桩+内支撑体系。但如果整个基坑全部采用支护桩+内支撑方案，内支撑最长将超过100 m，经济性很差，且内支撑方案要考虑换撑，对基坑出土和地下室结构施工产生较大影响，且工期也较长。而支护桩+预应力锚索方案可以保证土方开挖与支护结构相互不干扰，并可以有效缩短工期，因此，综合考虑，本项目基坑支护方案主要采用支护桩+预应力锚索方案，只在基坑角部局部位置(出土口上部)采用支护桩+内支撑方案(基坑平面布置见图1所示)。

根据复核计算，本基坑支护设计采用支护桩+四道预应力锚索和支护桩+两道砼内支撑相结合的支护方案。基坑支护常规锚索设计采用锚固体直径一般为0.15 m，锚索钢铰线规格一般采用7Φ5。结合计算结果，如果采用常规锚索设计，锚索锚固体长度超过40 m，锚索钢铰线最大需要采用6束，考虑到工期及经济性，本基坑支护设计锚索采用锚固体直径为0.25 m，锚索钢铰线规格采用7Φ7。因此，根据计算结果，采用直径0.25 m大孔径锚固体，锚索锚固段的长度可以减短约40%；相比常规规格钢铰线，采用7Φ7的钢铰线，钢铰线束数可以节省50%的数量，对施工工期和效率也会产生一定积极的影响。

4.2 基坑止水方案

基坑支护常用的止水方案有水泥搅拌桩、旋喷桩、咬合式排桩等，综合考虑止水方案的经济性和可靠性等因素，本项目止水方案主要采用三轴搅拌桩的密排止水，三轴搅拌桩采用大功率机械设备，保证可以穿透全风化花岗岩层。考虑到地层的起伏，当三轴搅拌桩无法达到设计深度时，采用双管旋喷桩进行桩间咬合止水，并与三轴搅拌桩搭接一定长度，保证止水帷幕的封闭。

4.3 基坑出土方案

本基坑工程将外运约60万m2渣土，因此，一个方便快捷的出土方案对于节省工期和造价是非常重要的。

常用的出土方案主要有原状土坡道出土方式和斜坡式栈桥出土方式。这两种出土方式各有优缺点：原状土坡道出土方式成本较低，适于地质较好的场地，但土方总工期较长，坡道收口困难，特别是深基坑需要多次倒运；斜坡式栈桥出土方式出土效率较高，但成本相对较高，且栈桥对地下室结构施工基本没有用处。

本基坑工程采用在地下室侧墙外设置出土坡道的出土方案，出土坡道从地面按1:10的坡比延伸到基坑底。该出土坡道不影响地下室结构施工，不存在土方收口的问题，可以极大地提高出土的效率，而且，在地下室结构施工期间，可以利用该出土坡道运送建设材料至各地下室楼层位置，对地下室结构施工也提供了极大的便利。

4.4 典型支护剖面及计算结果

根据上述分析结果，本项目基坑主要采用支护桩+预应力锚索支护形式，典型支护断面见图3所示，开挖至基坑底后的变形弯矩包络示意见图4所示；出土口角部位置采用支护桩+砼内支撑的支护形式，典型支护断面示意见图5所示，计算采用增量法模拟施工过程[9]开挖至基坑底后的变形弯矩包络图示意见图6所示。

5 监测结果

本项目在基坑开挖施工期间对支护结构和周边环境进行了动态监测，支护结构顶部水平位移和周边地面沉降见图7和图8所示。当基坑开挖至坑底设计标高时，桩锚支护区段支护结构的深层水平位移如图9所示，支护结构的变形控制较为良好，最大水平位移值约为41 mm，最大位移值发生在坑底附近。基坑支护结构顶部水平位移最大约为38 mm，基坑周边地面沉降最大约为24 mm，但整体变形均不大。基坑监测过程中，西北侧部分监测点桩顶水平位移偏大，主要原因是西北角连接段边坡的施工未严格按设计要求进行削坡处理，导致该位置处的荷载较大，加之该位置处的锚索预应力损失偏大，虽进行了二次张拉锁定，但前期产生的变形已比较可观了。根据理论计算，支护桩桩身变形基本呈“鼓肚子”形状，桩身深层位移监测显示，大部分支护桩的深层水平位移基本与理论计算一致，部分位置的支护桩由于前期锚索预应力损失较多，多呈现为类似悬壁桩上大下小的桩身变形，说明预应力锚索的约束对控制支护结构变形有重要作用。因此，当锚索预应力出现损失时，要及时对其进行再次张拉锁定，避免支护结构的过大变形。

总体而言，该监测结果与理论计算结果基本比较相符，且在整个基坑开挖施工过程中，未见基坑滑移和坍塌，实施效果良好。目前，该基坑已基本回填。

6 结语

1) 采用大孔径锚固体可以有效减少锚索长度，节省施工工期；考虑锚固体施工质量，大孔径锚索尽量采用全套管进行成孔作业。

2) 在地下室侧墙外设置出土坡道的方案，可以极大地方便基坑出土与后期地下室结构的材料运输，确保安全、经济、高效地完成出土任务。

3) 通过理论计算和实测数据对比，支护结构变形形态基本比较相符，实施效果良好，该基坑工程是安全的。