超高建筑软弱地质深基坑边坡支护及监测技术

唐志豪TANG Zhi-hao

（中铁建大湾区建设有限公司，广州 510000）

0 引言

随着我国城镇化加速推进，城市向周边扩展，为了充分利用空间，新建建筑向地下要空间。因建筑设计技术的提高及用地紧张的原因，常需在工程地质条件差和建设环境复杂的区域修筑建（构）筑物，基坑也向着超大面积、超深方向发展。故建设地下交通枢纽、地下室、地下停车场及大型地下防空等设施时，均需解决深大基坑项目防护的工程问题。而排桩+预应力锚索基坑支护技术具有安全稳定好、承载能力强、施工变形小、施工快速及造价低等特点，在超深基坑支护工程得到良好的运用。

1 工程概况

清华珠三角研究院粤港澳大湾区创新基地工程由1号楼的三栋塔楼和2号楼组成。1-1#栋主楼为超高层办公楼，建筑层数32层，建筑总高度达141.3m。1-2#栋、1-3#栋副楼为12层办公楼，建筑总高度为55.8m。2#楼为2层办公楼，建筑高度为12m。设3层地下室，层高分为5.9m、5.6m、4m。

3层地下室为深基坑施工，最大开挖深度达16m，且地质条件差，周边建（构）筑物复杂。为确保地下室施工过程的安全，基坑支护尤为重要。基坑支护的安全有效为本项目施工的最大难题及关键点。

2 工程地质及水文地质条件

本场区地质情况按由上至下顺序描述如下：

<1>杂填土：主要粉质粘土构成，局部含少量砼碴块，均匀性一般，含硬杂质约1%～5%。层厚0.50m～3.00m，平均层厚1.51m。<2>粉质粘土：土质较均匀，局部具砂感。层厚1.20m～8.80m，平均层厚5.40m。<3>粉质粘土：土质较均匀，含少量砂砾。层厚1.00m～13.00m，平均层厚5.63m。<4>砂质粘性土：花岗岩风化残积形成，含石英颗粒，遇水易软化崩解。层厚1.80m～16.00m，平均层厚7.21m。<5-1>全-强风化花岗岩：该层花岗岩剧烈风化，为极软岩，遇水后软化、崩解。层厚3.00m～21.00m，平均层厚11.09m。<5-2>中风化花岗岩：节理裂隙较发育的块状构造。属软岩～较软岩。层厚0.50m～17.80m，平均层厚6.93m。<5-3>微风化花岗岩：节理裂隙稍发育，岩芯较完整。该层属较硬岩，岩体较完整。层厚0.50m～10.50m，平均层厚2.72m。

地下水不丰富。

3 基坑降水及围护方案

3.1 基坑围护方案比选

按施工总进度计划安排，基坑全部土方开挖及支护要求在较短时间内施工完毕，工期非常紧张。本工程基坑为深基坑，场区内土质软弱，自稳能力差，周边环境复杂，有建（构）筑物较多，需设计安全稳固的基坑支护方案。参考工程场区的地质及水文特点，结合周边建（构）筑物分布情况，本工程基坑不具备放坡开挖条件。初拟了基本适用的几种支护方案进行技术比选如表1所示。

表1支护方案比选表

故，经比选，排桩+预应力锚索的基坑支护形式为最优方案。

3.2 平面设计

基坑支护桩采用成桩直径1.0m（或1.2m），桩中心距为1.5m（或2.0m）旋挖成孔灌注桩及冲孔灌注桩（桩体嵌入微风化花岗岩的深度根据各区段情况，受力验算后决定，桩长16m～25m不等），桩身砼强度为C30，桩身配筋为21根Φ25，箍筋为φ8@200mm。桩顶设置1.2×0.6m（或1.5×0.8m）封闭圈梁，锚索处设腰梁，桩顶冠梁和腰梁砼强度为C30。配筋为16根φ16。

预应力锚索索体采用高强度低松弛钢绞线，钢绞线标准强度为1860MPa。锚索规格根据验算及优化结果，采用3×7φ5～6×7φ5预应力锚索。

桩间设土钉墙，其关键技术参数设计为：①土钉孔径采用φ11cm；②土钉孔深度按2.0m；③梅花形布设土钉孔（水平间距按200cm，竖向间距按120cm）；④Φ22钢筋（HRB335级热轧带肋）作锚杆；⑤网片采用φ6.5钢筋按25cm×25cm的间距制作，喷射厚10cm的C20砼。（图1）

图1 地块支护设计总平面图

根据深度的不同，在冠梁至基坑底间在支护桩上设置2～4道锚索腰梁，腰梁尺寸为640×467。基坑最深处设计了4道锚索，其标准剖面设计如图2。

图2 基坑最深处支护剖面设计图

3.3 基坑地下水降排水方案

为保证基坑开挖过程中保持无地下水上涌，需持续保持降排水工作。先开挖坑中坑集水井，开挖至设计基底-1.0m位置，安装抽水泵对现场进行抽水作业，保证水位始终位于设计基底以下0.5m位置。

4 基坑支护受力检算

由本项目基坑支护的设计结构可知，基坑侧壁土体及基坑顶部其它荷载是由孔桩及预应力锚索承受，故支护参数设计的重点在于孔桩及预应力锚索的承载能力需满足施工要求，从而确保支护结构的承载安全。检算按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）的有关规定进行，内力计算采用增量法，支护结构安全等级为一级，支护结构重要性系数γ0=1.10，以下以最大基坑深16m，孔桩1.2m，设4道锚索段的支护为例说明承载检算方法如下。（表2）

计算所用参数经按各土层进行加权平均计算后，采用综合参数为φ=26°，c=16kPa，γ=19.3kN/m3。被动土压力计算时取桩与土间摩擦角δ=2/3×φ=17.3°。

根据开挖的实际施工进程和承载情况，分成5个工况进行验算，并按逐层开挖支撑支承力不变的计算方法进行计算。

①工况1。

开挖基坑第一步为至B点（第1道锚索）以下50cm，然后施做第1道锚索，此时应计算孔桩承受的最大弯矩（第1道锚索施做前）。

孔桩间距为2m。有M1=27.3×2=54.6kN·m。

②工况2。

分层挖土至第2道锚索（C点）以下50cm，尚未施做第2道锚索时，由第1道锚索及孔桩承载，计算孔桩承受的最大弯矩及锚索（第1道锚索）水平拉力RB。此阶段计算图示如图3所示。

图3 计算简图

计算得M2=865.2kN·m，RB=270.6kN。

③工况3。

同样方法计算孔桩承受的最大弯矩及锚索（第2道锚索）水平拉力RC。

计算得M3=1058.5kN·m，RC=364.0kN。

④工况4。

同样方法计算孔桩承受的最大弯矩及锚索（第3道锚索）水平拉力RD。

计算得M4=969.4kN·m，RD=526.7kN。

⑤工况5。

同样方法计算孔桩承受的最大弯矩及锚索（第4道锚索）水平拉力RE。

计算得M5=948.1kN·m，RE=635.2kN。

4.1 桩体抗弯强度校核计算

砼抗弯强度fc按14.3N/mm2，钢筋抗拉强度fy按310N/mm2，防护桩桩径=1.20m，桩身竖向主筋Φ25mm螺纹钢21根，主筋中心形成的圆的半径rs=560mm。桩身承载砼面积A=1.13×106mm2，螺纹钢的截面积总和AS=10303.13mm2。受拉钢筋混凝土的相对面积为：at=1.25-2a=1.25-2×0.44=0.37

桩的极限抗弯弯矩按下式计算：

由上述计算可知，桩身抗弯能力满足施工要求。

4.2 整体稳定验算

①整体稳定性验算。

计算采用瑞典条分法，应力状态按有效应力法。

计算得整体稳定安全系数Ks=1.522＞1.35，满足要求。②抗倾覆稳定性验算。

抗倾覆（踢脚破坏）稳定性验算分不同工况按下式进行。

式中：∑MEp—被动区抵抗倾覆的力矩总和（kN·m/m）；MEa—主动区倾覆的力矩总和（kN·m/m）；Kt—抗倾覆稳定安全系数。

工况1：此工况不进行抗倾覆稳定性验算。

工况2：Kt=2.385≥1.250。

工况3：Kt=1.802≥1.250。

工况4：Kt=1.886≥1.250。

工况5：Kt=1.323≥1.250。

工况5时，安全系数值为最小Kt=1.323≥1.250，满足要求。

③抗隆起验算。因本项目基坑底为微风化花岗岩，不存在基底隆起的可能性，故不需进行抗隆起验算。

5 变形监测

鉴于本项目工程地质的复杂性和基坑安全支护的重要性，基坑支护采取信息化施工，在开始开挖基坑至基坑回填完成的期间对基坑进行持续的监测、数据处理和及时反馈分析结果，以随时掌握支护结构、周边建（构）筑物的沉降、变形状况，对支护稳定状况实施分析，有异常情况出现及时处理、解决，确保地下结构施工安全和周边建筑物的安全。

5.1 观测项目的设定及观测办法

结合基坑的设计及周边实际情况，对围护结构的竖向、水平位移，周边建（构）筑物、地下管线变形实施监测。观测点沿基坑周边的布设间距20～30m，每侧基坑选6根支护桩进行变形监测，在桩上设竖向、水平位移观测点。监测基点在稳定的远离（距基坑边缘大于开挖深度3倍）基坑处设置，采用全站仪量测水平位移，自动安平精密水准仪量测沉降，全站仪观测水平位移值。观测频率为2次/天，当数值突变或有其它异常情况时，根据需要提高观测频率。

5.2 监测控制基准、警戒值

监测控制基准、警戒值是判断、分析沉降和变形情况的标准，据以对围护结构及建筑物安全状况实施评估。确认支护参数或施工工艺的合理性。故，监测项目均需有明确的警戒值、警戒点是至关重要的。根据本基坑的实际情况、规范要求，结合设计计算书，确定位移及变形警戒值、警戒点如下：①警戒点：警戒点为S-T曲线上的突变点，如有警戒点产生，则立即分析信息并反馈。②警戒值：支护桩等结构的水平及竖向变形、沉降警戒值为30mm。

5.3 监测数据处理及信息反馈

按批准的监测方案，专业小组严格进行监测，及时绘制位移S-T曲线、位移变化速率趋势图、加速度变化趋势图。对数据采取曲线回归分析，以理论计算变形、位移的终值。并将结果及时向施工方反馈。当监测数据变形、位移量超过警戒值，或是产生警戒点时，进行原因分析，采用有效解决和补救措施。必要时，对支护设计参数进行调整及修改。

5.4 测试结果及分析

从监测数据可知道，桩顶位移及沉降值增速最大时段为基坑开挖深度处于3～5m范围时，而在基坑开挖深度超5m后，各观测数据的增速逐渐减缓，完成基坑开挖后，监测所得数值基本为最高值。监测出现支护桩最大位移值为13.6mm，为E-3桩（东侧基坑第3根观测桩）。支护桩最大沉降值为8.2mm，为N-5桩（东侧基坑第5根观测桩）。周边建筑物监测所得最大沉降值为4.6mm。在监测期间，没有出现超警戒值，或是出现警戒点的现象，证明本基坑所采用支护结构是安全可行的。

6 结束语

排桩+预应力锚索支护是将安全稳固的灌注排桩与具有强大拉力预应力锚索强强结合的基坑及边坡支护综合技术，它为超静定结构，具有稳定性好，变形控制能力强，安全性能高。且施工造价低、技术成熟、施工速度快，对于复杂条件下深基坑支护而言，无疑是最佳技术方案之一。