软土饱水地层深基坑桩锚设计实践与要点分析

陈雷生 （保利达地产（无锡）有限公司，江苏 无锡 214001）

0 前言

随着我国经济社会的发展，地下空间的开发力度越来越大，特别是我国长三角地区由于经济活动处于全国领先地位，地下空间开发规模更是遥遥领先，深基坑支护问题日益受到重视。

长三角地区特别是苏南地区分布厚层第四纪软土，该软土层土质软弱，含水量大，开挖后极易变形，给基坑支护工程设计与施工带来很大难度，也导致了基坑支护设计手段受限，相当一部分深基坑工程很难采用锚索支护，只能采用内支撑体系。

众所周知，内支撑体系虽然保证了支护工程安全，但是同样导致了挖土难度的增加和拆换撑的复杂，大大影响了工程进度并提高了工程造价。而锚索则具有施工空间开阔，施工开挖方便的显著优点。

因此，如能在长三角软土高水位地层采用锚索支护，则会大大有利于工程建设。本文以无锡某紧邻运河软土深大基坑锚索设计为研究对象，系统总结了锚索设计要点，可为后续同类工程的实施提供参考，具有一定的示范及借鉴价值。

1 项目概况

无锡某超高层住宅项目设满铺三层地下室，长约220m，宽约80m，基坑面积约17000m²，基坑开挖深度大面积为13.6m，主楼开挖深度15.6m，属于深大基坑。

本基坑北侧和西侧紧邻古运河，距离古运河不足20m，古运河河面宽度55m，最大水深3m左右，本地段是古运河风光带游览起点位置，人流量大，社会关注度高。项目总图如图1所示。

项目与古运河实景关系如图2所示。

2 工程地质与地下水概况

2.1 工程地质概况

拟建场地基坑施工影响深度范围内地层为第四系全新统、更新统沉积物，自上而下各土层特征如下：

（1）层杂填土:杂色,结构松散,主要为建筑垃圾。场区普遍分布，厚度:0.10～5.00m,平均1.24m;层底标高:-2.35～1.78m,平均0.24m;层底埋深:0.10～5.00m,平均1.24m。

（2）层粉质黏土:灰黄色,硬～可塑,含铁锰质氧化物。场区普遍分布，厚度:0.60～4.80m,平均 3.16m;层底标高:-3.17～-2.43m,平均-2.92m;层底埋深:2.00～6.40m,平均4.40m。

（3）层粉质黏土:灰黄色,可塑,含铁锰质氧化物,局部夹粉土团块。场区普遍分布，厚度:1.70～4.70m,平均2.81m;层底标高:-7.53～-4.47m,平均-5.73m;层底埋深:4.40～10.00m,平均7.21m。

（4-1）层粉质黏土:灰色,软塑,含有机质,夹薄层粉土。场区普遍分布，厚度:0.80～4.00m,平均 2.33m;层底标高:-9.57～-7.04m,平均-8.06m;层底埋深:6.10～12.40m,平均9.54m。

（4-2）层粉土:灰色,湿,稍～中密,含云母碎屑。场区普遍分布，厚度:0.60～2.90m,平均 2.17m;层底标高:-11.36～-9.14m,平均-10.23m;层底埋深:8.20～13.80m,平均11.71m。

（5-1）层粉质黏土:青灰～灰黄色,可-硬塑,含铁锰质氧化物。场区普遍分布，厚度:3.20～5.30m,平均4.11m;层底标高:-15.27～-13.09m,平均-14.34m;层底埋深:12.50～17.70m,平均15.82m。

（5-2）层粉质黏土:黄色,硬～可塑,含铁锰质氧化物及结核。场区普遍分布，厚度:4.80～6.80m,平均5.81m;层底标高:-21.17～-19.27m,平均-20.15m;层底 埋深:18.30～23.60m,平均21.63m。

2.2 地下水概况

根据地勘报告，本场地地下水情况如下：

①地表水

拟建场地拆除老地下室内地表有积水，场地西侧和北侧为古运河，测得河内水面标高约1.50m。

②地下水

拟建场地与地基基础设计施工有关的主要含水层分别为(1)杂填土的上层滞水～潜水和 (4-2)层粉土层中的微承压水。

勘察时采用挖坑法8小时后测得拟建场地(1)杂填土中的地下水稳定水位埋深及标高见表1。其地下水类型为上层滞水～潜水型，地下水主要靠大气降水及地表径流补给,并随季节与气候变化,水位有升降变化,变化幅度一般最高为0.5m,本场地3～5年最高地下水位标高为3.00m左右。

土体物理力学指标表 表1

勘察期间在钻孔内(干钻法)采用套管止水,间隔不少于8小时后观测,测得钻孔内浅部(4-2)层粉土中的微承压水水头标高-1.50～-1.60m,该层地下水主要靠大气降水和地表水体侧向补给，透水性较弱，富水性一般。

拟建场地工程地质剖面如图3所示。

图3 拟建场地工程地质剖面图

3 基坑支护方案选型分析

本基坑工程主要有如下特点：

①基坑开挖深度大，面积大，属于典型的深大基坑；

②基坑长边达220m，具有明显时空效应；

③基坑周边环境复杂，紧邻古运河、既有小区，环境保护要求高；

④基坑工期非常紧张。

常规此类深大基坑，一般多采用排桩+支撑体系，对于三层地下室基坑，一般需二道支撑。本项目由于工期紧张，因此如全部采用支撑则工期不能满足要求，经各方多次方案分析，最终采用两端角撑+中间锚索的混合支护方案，支护结构平面布置图如图4所示。

图4 基坑支护结构平面布置图

典型支护剖面包括两端的二道混凝土角撑支护及中部的多道锚索支护，如图5、图6所示。

图5 多道锚索支护剖面图

图6 二道支撑支护剖面图

4 锚索计算与设计

4.1 锚索设计计算

国家规程[3]中，桩锚系统采用弹性支点法计算，即围护桩等效为弹性地基梁、锚索体系简化为弹性支点进行内力分析，对于作用于支护系统的土体围压，采用增量法模拟开挖过程进行单元计算获取。

土压力计算按照朗肯土压力理论，坑外为主动土压力，坑内为被动土压力，土体计算参数根据地勘报告如表1所示。

根据计算得到的支点反力进行锚索设计，得到锚索设计参数如表2所示。

锚索设计参数表 表2

4.2 锚索设计分析

本项目锚索属于软土高水位饱水地层锚索，有如下几个重难点：

①锚索内力设计值很高，最大470kN，属于大吨位锚索；

②锚索穿越地层为4-1粉质黏土和4-2粉土层，此二层土具有灵敏度高，含水量大，压缩性大，锚索注浆体不易成形，锚固力难以保证等通病，对基坑工程的安全影响很大；

③锚索均在古运河河下施工，需采取可靠措施封堵锚索孔口，否则极易导致运河水渗入基坑形成通道，进而导致基坑涌水失效。

基于上述分析，本次锚索设计采取如下针对性措施：

①锚索采用加筋水泥土锚桩，该工艺集钻进、喷浆及插筋于一体，通过同步高压喷浆形成锚固体，避免了软土成孔困难问题；

②由于锚索间距较密，开挖后极易发生群锚效应，导致锚固力降低并在河道形成滑裂面，本次锚索尽量按隔一密一间距布置，即1.1m和2.2m交替布置，水平平均间距1.65m，竖向间距2.0-2.5m；锚杆角度调整，相邻锚杆角度按12度/20度错开，按最小1.1m水平间距计算，锚固体直径为0.5m，根据经验，锚固段距离4D时可避免相互影响，即2m，因此端头不会发生群锚效应；

③常规锚索围檩采用的是双拼型钢结构，但是由于施工误差，型钢梁与围护桩之间很难紧密贴实，进而导致大吨位的锚索在张拉后预应力损失非常严重，因此也无法有效控制围护结构变形，本次采用混凝土围檩，其刚度大，整体性好，更易发挥锚索的锚固力，混凝土围檩施工实况如图7所示；

图7 混凝土围檩实况

④锚索施工为确保其锚固力，水泥用量及锚固体直径非常关键，设计中要求增大注浆压力并进行复喷，确保锚索拉力，锚索施工完毕首先进行基本试验验证施工参数，内力达到设计要求后方可正式施工。锚索施工完毕后进行了锚索检测，结果表明锚索承载力满足设计要求，锚索检测成果如图8所示。

图8 锚索承载力检测曲线

5 基坑开挖变形实测结果分析

所有支护结构施工完毕后，按照设计图纸要求，锚索分层施工并养护，土方分层开挖，基坑开挖到底实况如图9所示。

图9 基坑开挖到底实况

图10 实测围护桩深层水平位移曲线

实测曲线表明，围护桩最大桩身位移为26.10mm，位置在坑底以上约1m左右，对应该位置地层为4层粉土，围护桩变形曲线形态与土体的性质具有高度相关性，即土体越差其变形越大。

同时可以看出，围护桩桩顶也有一定的变形量，说明锚索支护结构与支撑相比，其刚度仍然较小；围护桩由于下部嵌入硬塑粉质粘土中，故其变形量迅速衰减。

总体而言，采用锚索支护本基坑变形远小于0.3%H即45mm的一级基坑变形允许值，说明采用桩锚支护总体是成功的，可以为后续同类工程的实施提供有益参考。

6 结语

软土饱水高水位地层的工程特性导致了锚索施工过程风险较大并且锚固力难以达到设计要求，进而制约了锚索的大规模应用，因此也使得诸多深基坑工程被迫采用内支撑体系，大大影响了工程进度并增加工程造价。本文以实际工程为例，针对临河深大软土基坑工程，采用了锚索支护，实践证明效果良好。获得了软土深基坑工程锚索设计的宝贵经验，总结如下：

①锚索设计应考虑实际施工水平的影响，锚索预留足够的安全度，即设计长度应保证富余量，建议按计算长度的1.1倍进行设计；

②软土地区大直径加劲水泥土锚桩设计由于道数较多，应重视群锚效应，可采取长度交替、角度错开等手段保证锚固段有足够的安全距离；

③锚索设计参数建议在软土中应进行复喷，确保锚固体直径，必要时可在端部范围多次喷浆形成扩大端，提高锚索端部承载力；

④锚索对于吨位较大情况下应强调基本试验的重要性，必须通过基本试验获取锚索的施工参数并确定锚索施工工艺；

⑤锚索围檩当其吨位较大时建议采用混凝土围檩，混凝土围檩一方面刚度大，同时与围护桩贴合严实，避免了钢围檩的自身变形导致的内力损失，对于围护桩的变形控制极为有力；

⑥应高度重视监测工作，同时加强地面巡视，因为一旦地面发现开裂，对于桩锚体系来说都可能导致锚索承载力大大下降，进而引起整个体系的安全风险，必须高度重视；

⑦总体而言，精心设计，认真施工，严格监测，对于软土饱水地层锚索支护是可行的。