深基坑预应力旋喷锚桩围护与内支撑支护的施工效果对比分析

刘晓宇 龙 鹏 罗永成 游建华 王作明

中建三局第三建设工程有限责任公司 湖北 武汉 430074

随着我国建筑业的发展，深基坑的开挖深度更大、施工条件更复杂，施工过程中的安全、质量、效益性等问题突出，因此深基坑支护工艺的设计、方案选择显得十分重要。本文就预应力旋喷锚桩支护体系、内支撑支护体系二者的施工效果进行对比分析研究。

1 工程概况

常熟世茂商务中心项目3#地块总承包工程总用地面积13 018 m2，总建筑面积154 542 m2，由B、C楼超高层建筑，6层商业裙房，地下车库构成。地下结构为3层，土方开挖深度16～19 m，其中B、C主楼基础为筏板-桩基础，裙楼区域为承台-筏板-桩基础，工程桩采用钻孔灌注桩。

1.1 场地周边环境

场地基坑东侧为宽14.0 m的规划道路，已建成，其靠近基坑一侧部分道路位于场地内，规划道路东侧距离本工程地下室外墙16.7 m的位置存在雨污管线，其埋置深度约为1.5 m。场地基坑西侧为待开发区域，规划有1条宽24.0 m的道路，现场为空场地。项目北侧A楼已运营使用，其地下结构为2层，局部区域为1层，其中B楼北侧与A楼南侧最近的地下室外墙距离为3.3 m。基坑南侧为市政道路，路宽31.0 m。

1.2 地质概况

依据地质勘察报告，项目拟建场地地下区域深度约50 m以内主要为粉土和黏性土，可划分为8层，从上至下依次为①杂填土、②黏土、③粉土、④粉质黏土夹粉土、⑤粉质黏土、⑥粉土、⑦粉质黏土、⑧粉砂夹粉质黏土。围护桩底端主要位于粉质黏土层，本工程土方开挖深度为16～19 m。

1.3 围护设计

本工程基坑坑底位于④粉质黏土夹粉土中，结合本工程施工特点，基坑围护设计采用钻孔灌注桩作为挡土结构，外侧设置三轴搅拌桩+φ800 mm@500 mm高压旋喷桩作为止水帷幕。

B楼区域考虑到北侧A楼区域有已建成的2层（局部1层）地下室，因此B区的围护设计为内支撑+钻孔桩+旋喷桩+双液注浆（局部增设1道锚桩）的形式（图1、图2）。1区、2区、3区和C区的围护形式则采用土钉护坡（-5.6 m以上）+钻孔灌注桩+旋喷桩+3道预应力旋喷锚桩（-5.6 m以下）。

图1 基坑围护

图2 基坑围护现场施工

其中，锚桩桩长在23～26 m之间，锚桩直径500 mm，内置3根φ15.2 mm钢绞线，其中预应力钢绞线为7根钢丝绞合而成，其抗拉强度标准值达到1 860 MPa。考虑锚桩的张拉施工，锚桩桩外留0.7 m钢绞线，锚桩张拉设计值在400～700 kN之间（图3）。

图3 基坑围护典型剖面

锚桩须养护15 d后再进行下一步施工，先采用锚具锁定钢绞线，再逐级进行张拉。其张拉过程为：锚桩正式张拉前通过20%的锁定荷载进行预张拉，随后采用50%和100%的锁定荷载进行分级张拉，最后以110%的锁定荷载维持5 min的超张拉，观测锚头无位移现象后锁定荷载。

2 预应力旋喷锚桩与内支撑的施工技术特点

预应力旋喷锚桩是预应力锚杆与高压旋喷桩工艺的结合，与单一的锚索相比，具有更大的承载力，在对基坑周围管线及建筑无影响的条件下，可以实现以非内支撑的方式满足基坑围护条件[1]。同内支撑相比，预应力旋喷锚桩的优势主要表现在节省工期、降低施工造价方面[2]；内支撑支护形式主要由内支撑系统和挡土结构组成，其承载力不受基坑条件影响，主要与自身设计与材料相关，在周围建筑密集及土体承载力较弱的情况下有较大优势，但施工过程占用基坑空间，影响土方开挖，后续施工须进行拆除，施工周期长，造价高[3]。

3 预应力旋喷锚桩与内支撑的对比分析

3.1 预应力旋喷锚桩施工技术

3.1.1 施工设备

预应力旋喷锚桩是在施工机具钻头钻进搅拌的同时，由机具中空孔向内旋喷喷注一定的水泥浆，整个过程通过充分地将土体与水泥浆进行搅拌混合，从而形成旋喷桩加固体（图4）。考虑到旋喷锚桩施工过程对周边环境的保护，施工设备采用慢速搅拌中低压旋喷机具，该设备施工的最大深度达到35 m，最大搅拌直径为1.5 m。

图4 锚桩桩体示意

3.1.2 施工工艺

预应力旋喷锚桩成孔直径依据设计施工图纸实施，施工设备采用专用钻机，其中锚桩的施工影响土方开挖的整体部署，应进行合理的设计配合。为保证锚桩施工设备的工作面，在正式施工前开挖宽度应不小于5 m、深度为锚索腰梁以下1.2～1.5 m的沟槽（图5）。

图5 锚桩钻机沟槽内施工示意

1）在预应力旋喷锚桩的旋喷搅拌水泥土阶段，其施工流程为：钻进→注浆→搅拌→插筋。根据图纸设计要求，旋喷锚桩直径500 mm。结合场地情况，旋喷施工工艺采用“进退两喷两搅”，其中水泥浆液由钻杆的中空孔向内旋喷喷注，水泥土锚桩的水平向倾角均为20°。

2）预应力旋喷锚桩注浆材料水灰比0.7，水泥掺入量占比30%；锚杆区段和扩大头区段注浆压力值分别为20、25 MPa，施工过程锚桩水平提升速度均为0.45 m/min。

3）通过预应力旋喷锚桩机具钻杆的中空孔，在钻机钻进的同时，可实现锚桩搅拌注浆，水泥土桩完成后，将2根钢绞线及锚头结构件插入相应深度，同时应进行注浆。

4）锚桩内置3根φ15.2 mm预应力钢绞线，每根钢绞线由7根钢丝绞合而成，其抗拉强度标准值达到1 860 MPa，考虑到锚桩的张拉施工，锚桩桩外留0.7 m的钢绞线。

5）钢绞线外侧的保护软管，其上部位于围檩外700 mm，在钢绞线插入水泥土桩前应进行加固处理，其中穿过围檩侧面的钢绞线与其成90°角。

6）预应力旋喷锚桩施工遵循分段分层的开挖原则，其中分段长度不宜大于20.0 m，分层的厚度不宜大于2.0 m，待锚桩满足14 d以上的养护时间并完成张拉锁定后，进行下层土方开挖。在土方开挖的过程中应防止碰撞钢绞线，每层土方开挖深度应不超过旋喷锚桩下300 mm。

7）锚桩施工应间隔2根跳打，相邻锚桩间隔施工时间应确保先施工的锚桩完成终凝。腰梁采用32b#工字钢，腰梁与钻孔桩之间的间隙采用C25细石混凝土填充密实（图6）。

图6 腰梁与围护桩之间填充混凝土

3.2 内支撑支护施工技术

3.2.1 换撑工艺

1）本工程中设置1道内支撑，内支撑梁顶部标高-6.20 m，地下2层楼板面标高-7.68 m，另一侧为A楼已完成的地下室外墙（B区局部部分位置下设置1道锚桩）；内支撑梁混凝土强度达到设计强度等级标准值的80%以上（7 d以后），方可开挖该区域的土方（图7、图8）。

图7 内支撑示意

2）底板换撑：底板与灌注桩之间先回填黄砂，再做1块厚500 mm的素混凝土传力带；当底板与围护边间距小于2 m时，采用素混凝土；当底板与围护桩之间的间距大于2 m时，需要增设φ12 mm@200 mm双层双向钢筋；传力板带的混凝土强度等级同楼板或者底板。

图8 内支撑局部设置锚桩示意

3）楼板换撑：楼板传力主要依靠梁传递，因此在设计上要求将传力梁与围护结构相接触，形成传力路径。

4）后浇带换撑：后浇带换撑是在地下室后浇带处设置型钢，以便在后浇带处进行受力传递。

3.2.2 内支撑支护拆除工艺

1）内支撑支护拆除条件为相应楼层板面结构混凝土达到设计强度的80%，结构换撑完成且强度达到设计值后，方可进行拆撑工作。

2）支撑拆除机械：选用50 t吊机将镐头机吊至大底板上，镐头机在大底板上进行施工。为保护大底板，镐头机行走在橡胶垫上。

3）内支撑拆除按照先拆角撑部位，再拆除对称部位的拆除总原则；为防止出现支撑的不对称受力影响格构柱，主撑应两边对称拆除，如图9所示（图中数字为对应的拆除顺序）。

图9 内支撑主撑拆除示意

4）每个区域拆除时，为保护基坑边缘的稳定性，应先断开围檩区域，再拆除支撑区域，实现基坑应力的均匀释放。支撑区域拆除时，应先拆除连系梁等次要构件，再进行大梁等主要构件的拆除，施工拆除机械从一端向另一端推移作业。混凝土破除完成后，进行钢筋切割作业[4-6]。

3.3 2种支护形式的对比

3.3.1 支护形式对施工部署的影响

土方开挖分区应充分考虑预应力锚桩与内支撑支护的不同形式，结合施工后浇带的划分确定土方开挖分区部署。除B区一侧外，整个基坑周边几乎都设计有锚桩，在同一分区内整体施工锚桩，待张拉和锁定完毕后，才能对土方进行开挖，而其他区域土方开挖的前提为同层土方卸载前必须完成锚桩施工，内支撑梁混凝土强度达到设计强度80%时才能继续开挖。充分考虑锚桩及内支撑施工工况，将土方分层，其竖向厚度分别为3.0、3.0、3.2 m。常熟世茂基坑整体施工顺序为：塔楼B区、C区→裙房1区→裙房2区→裙房3区。这意味着锚桩施工顺序同为整体施工顺序，不得随意调整（图10）。

图10 常熟世茂基坑分区

3.3.2 支护形式对工期、成本的影响

旋喷锚桩施工工艺为：定位→成孔→锚筋制作→腰梁制作→张拉与锁定→封锚。工艺中成孔和锚桩养护占用工期时间较长，成孔平均12～15 根/（台·d）。锚固强度大于15 MPa，并达到设计强度的75%以上（按照注浆7 d以上控制）方可进行张拉，待锚桩养护完成并张拉、锁定、封锚后，再进行整体开挖。

内支撑支护施工工艺为：垫层施工→定位→钢筋绑扎→封模→浇筑混凝土→拆除模板→下层土方开挖→换撑→内支撑破除，内支撑梁下设置格构柱。工艺中结合本工程设计，待地下2层结构板完成换撑后，拆除内支撑，整个施工过程中，内支撑延续时间长，占用施工空间，施工受限，影响施工进度。内支撑梁混凝土强度达到设计强度等级标准值的80%以上（7 d以后）方可开挖该区域的土方，换撑及内支撑拆除占用工期时间较长。

图11为C区旋喷锚桩施工部署思路与B区内支撑施工部署思路工期对比（其中B区基坑面积2 700 m2，C区3 152 m2），可以判断出至土方开挖完成时，B区工期比C区提前5 d，最终完成至地下2层楼板时，C区较B区工期提前17 d。整个过程中，B区内支撑涉及换撑及破撑，过程施工中支撑梁影响到地下结构施工。

其中，B区基坑面积明显小于C区基坑面积，B区采用内支撑支护（局部增设1道锚桩）形式的造价为100万元，C区采用预应力旋喷锚桩围护形式的造价为78万元。整体对比分析，采用预应力旋喷锚桩的围护形式造价明显要低于内支撑支护造价。

图11 B区、C区工期对比分析

4 结语

通过本项目深基坑预应力旋喷锚桩围护与内支撑支护体系的工程施工对比可知：在受力性能方面，锚桩较锚索承载力有较大的提升，能满足大部分基坑围护的支护条件，与内支撑相比无较大差异，但锚桩围护对后续施工影响较小，施工流程较简单；与内支撑相比，锚桩形式的施工工期较短，造价较低，在施工过程中有更多的灵活性。

目前，部分建筑深基坑已采用预应力旋喷锚桩围护的形式，常熟世茂项目在此方面提供了相关的工程经验，可供今后类似支护工程参考。