深基坑樁錨支護(hù)體系的設(shè)計(jì)、施工及質(zhì)量通病防治

孔得會(huì)，申旭慶

（北京市機(jī)械施工有限公司，北京 100045）

樁錨支護(hù)體系在北京等土質(zhì)較好地區(qū)作為邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用，由于土的物理和力學(xué)性質(zhì)差異，深基坑施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)選型十分重要。深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)需滿足擋土、擋水、支撐三方面要求。要進(jìn)行深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先需要對(duì)擬建場地工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件進(jìn)行足夠了解從而進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型，再根據(jù)已經(jīng)確定的支護(hù)形式確定具體的施工工藝，同時(shí)施工過程中應(yīng)注意相應(yīng)工藝質(zhì)量通病的防治。

1 工程概況

本工程場區(qū)自然地面標(biāo)高在44.00～46.00m。按巖性及工程特性劃分為11個(gè)大層，由上到下分別為：①雜填土層厚3.5m；②粉土層厚4m；③粘性土層厚4m；④細(xì)砂層厚2m；⑤卵石層厚3m；⑥卵石層厚1.8m；⑦粉土層厚3.5m；⑧粘性土層厚1.4m；⑨細(xì)砂層厚1.8m；⑩卵石層厚6.5m；?粘性土層厚5.1m。工程場區(qū)內(nèi)量測到4層地下水，各層地下水的類型、埋深標(biāo)高情況詳見表1。

2 深基坑支護(hù)形式設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案的選擇

必須根據(jù)深基坑的開挖深度、土的性狀及地下水條件、基坑周邊環(huán)境對(duì)基坑變形的承受能力及支護(hù)結(jié)構(gòu)一旦失效可能產(chǎn)生的后果、主體結(jié)構(gòu)地下結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)形式、支護(hù)結(jié)構(gòu)施工工藝的可行性、施工場地條件及季節(jié)性施工等來設(shè)計(jì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行多種方案對(duì)比，選擇經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠、易于實(shí)施的最優(yōu)方案。

表1 各層地下水的類型、埋深標(biāo)高情況

王府井深基坑工程開挖范圍內(nèi)主要為素填土、粉土、粘性土、細(xì)砂、卵石層，土質(zhì)條件較好。基坑開挖深度約為23m，開挖深度較深。擬建基坑周邊地下管線設(shè)施極其密集，分布有多條雨污水、給水、電力、電信、熱力、燃?xì)夤芫€及人防結(jié)構(gòu)等，周邊環(huán)境復(fù)雜。同時(shí)基坑周邊分布有王府井大街、新東安商場、丹耀大廈等人流密集商業(yè)街及重要建筑物，場地條件十分有限且對(duì)變形敏感。若采用降水措施會(huì)對(duì)基坑周邊建（構(gòu)）筑物、地下管線、道路等造成危害。

綜合以上信息，確定采用適用于土質(zhì)較好地區(qū)的深基坑開挖，對(duì)場地要求小，造價(jià)較低的樁錨支護(hù)體系，并輔以帷幕樁+坑內(nèi)疏干井的方式對(duì)坑外地下水進(jìn)行有效阻截，對(duì)坑內(nèi)地下水進(jìn)行有效排降。

2.2 計(jì)算原理簡述

2.2.1 擋土系統(tǒng)

樁錨支護(hù)體系中主要擋土構(gòu)建為護(hù)坡樁。護(hù)坡樁的計(jì)算可分為土壓力計(jì)算、嵌固深度計(jì)算、內(nèi)力及變形計(jì)算、混凝土截面配筋4個(gè)部分。

1）土壓力計(jì)算 土壓力計(jì)算采用經(jīng)典法土壓力模型，基坑外側(cè)土壓力選擇主動(dòng)土壓力進(jìn)行計(jì)算。

式中 pak—— 支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)第i層土中計(jì)算點(diǎn)的

主動(dòng)土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；

ppk—— 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)第i層土中計(jì)算點(diǎn)的

被動(dòng)土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；

ρa(bǔ)k、ρpk—— 分別為支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)、內(nèi)側(cè)計(jì)

算點(diǎn)的土中豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值；

ka,i、kp,i—— 第 i層土的主動(dòng)、被動(dòng)土壓力

系數(shù)。

當(dāng)位于地下水位以下且水土分算時(shí)，還需考慮水壓力。

2）嵌固深度計(jì)算 采用圓弧滑動(dòng)條分法進(jìn)行嵌固深度計(jì)算，其整體穩(wěn)定性應(yīng)符合下列要求

式中 ks,i—— 第i個(gè)滑動(dòng)圓弧的抗滑力矩與滑動(dòng)力矩的比值；

ks——圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)。

3）內(nèi)力、變形計(jì)算 結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形計(jì)算值、支點(diǎn)力計(jì)算值應(yīng)根據(jù)基坑開挖及地下結(jié)構(gòu)施工過程的不同工況、根據(jù)受力條件分段按平面問題計(jì)算。變形計(jì)算包括位移與沉降計(jì)算。

①采用彈性分析法中的增量法計(jì)算模式進(jìn)行內(nèi)力、位移計(jì)算。

外荷載相當(dāng)于前一個(gè)施工階段完成后的荷載增量，支承由支撐彈性作用和地層彈性作用組成，求得的圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力相當(dāng)于前一個(gè)施工階段完成后的增量，當(dāng)墻體剛度不發(fā)生變化時(shí)，與前一個(gè)施工階段完成后的墻體已產(chǎn)生的位移和內(nèi)力疊加，可得到當(dāng)前施工階段完成后體系的實(shí)際位移和內(nèi)力。

新增荷載計(jì)算：每一步工況都只考慮當(dāng)前工況新增的荷載，新增加的荷載包括以下方面。

開挖過程：荷載增量為主動(dòng)側(cè)土壓力的增量、被動(dòng)側(cè)土體彈性作用由于開挖而造成的剛度損失以及主動(dòng)側(cè)土體彈性作用卸載后的土反力；支撐由支撐彈性作用和開挖面以下的土體彈性作用組成。

加撐過程：荷載增量為加在該支撐上的預(yù)加力，支承由其他支撐彈性作用、開挖面以下土體彈性作用以及主動(dòng)側(cè)土體彈性作用組成。

拆撐過程：荷載增量為與該支撐受力方向相反，大小相等的力。

加樓板（剛性鉸）過程：沒有荷載增量，但加剛性鉸處的位移在以后的工況中將不再變化。

內(nèi)力、位移計(jì)算：當(dāng)前工況的位移、彎矩、剪力和支撐反力可以通過前面工況每一步的位移、彎矩、剪力以及支撐反力值進(jìn)行累加后得到。

②采用拋物線法進(jìn)行沉降計(jì)算。各點(diǎn)的沉降

地表最大沉降

4）混凝土截面配筋計(jì)算 截面彎矩設(shè)計(jì)值

圓樁縱筋采用均勻配筋

配筋率ρ范圍取0.6%ρ≤5%。

2.2.2 擋水系統(tǒng)

擋水系統(tǒng)主要分為坑外截水與坑內(nèi)疏水兩個(gè)部分。

1）坑外截水計(jì)算 王府井深基坑工程基底以下10m處存在連續(xù)分布、埋深較淺的隔水層，因此采用落底式帷幕（將帷幕底落入粘性土⑦層）。落底式帷幕進(jìn)入下臥隔水層的深度應(yīng)滿足下式要求，且不宜小于1.5m。

式中 l——帷幕進(jìn)入隔水層的深度；

Δh——基坑內(nèi)外的水頭差值；

b——帷幕的厚度。

2）坑內(nèi)疏水計(jì)算 ①總涌水量計(jì)算：本工程場區(qū)地下水疏干的對(duì)象主要為基底以上卵石、圓礫④層的層間水，總涌水量為基坑內(nèi)的含水層中總水量Q＝shn+sh1；②疏干井影響半徑計(jì)算：根據(jù)本工程層間水含水層的巖性及分布條件，采用以下公式進(jìn)行影響半徑估算；③疏干井?dāng)?shù)量計(jì)算n=Q/(qT)。

式中 s——基坑面積；

h——含水層厚度；

n——含水層孔隙率；

h1——開挖期間降水量。

sw——井水位降深；

H——含水層厚度；

k——含水層的滲透系數(shù)；

q——單井設(shè)計(jì)流量；

T——抽水時(shí)間。

2.2.3 支撐系統(tǒng)

樁錨支護(hù)體系中主要支撐構(gòu)件為錨桿。錨桿的計(jì)算以擋土系統(tǒng)每米寬度內(nèi)的支點(diǎn)水平反力為依據(jù)，需進(jìn)行錨桿軸向內(nèi)力、錨桿長度、錨桿配筋三部分計(jì)算。錨桿參數(shù)如表2所示。

1）錨桿軸向內(nèi)力計(jì)算

表2 錨桿參數(shù)

式中 Fh—— 擋土系統(tǒng)每米寬度內(nèi)的支點(diǎn)水平反力；

S——錨桿水平間距；

α——錨桿傾角；

N——錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值；γ0——基坑重要性系數(shù)；

γF——錨桿荷載分項(xiàng)系數(shù)；Nk——錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值。

2）錨桿長度計(jì)算

①自由段長度計(jì)算

式中 h——簡化為各道錨索距離坑底高度；

φm—— 簡化為基底以上各土層按厚度加權(quán)

的等效內(nèi)摩擦角。②錨固段長度計(jì)算

式中 Rk——錨桿極限抗拔承載力；

d——錨桿直徑，通常取0.15m；

qsk,i——第i層土錨桿極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；

li——第i層土中錨固段長度；

Kt——錨桿抗拔出安全系數(shù)。③錨桿長度計(jì)算

式中 Ap——計(jì)算配筋面積；

fpy——錨桿材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

2.2.4 王府井深基坑工程設(shè)計(jì)成果展示工程設(shè)計(jì)成果如圖1所示。

3 施工工藝選擇

3.1 擋土系統(tǒng)

王府井深基坑工程開挖深度大，護(hù)坡樁長度較長，場區(qū)地下水位較高，基于上述特點(diǎn)，護(hù)坡樁施工采用旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)、靜態(tài)泥漿護(hù)壁的成孔工藝。

圖1 深基坑工程設(shè)計(jì)成果圖

3.2 擋水系統(tǒng)

根據(jù)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件及施工條件等綜合確定，王府井深基坑工程基坑截水選用高壓旋噴與排樁相互咬合的組合帷幕。由于高壓旋噴樁徑較大采用三重管施工方法。

3.3 支撐系統(tǒng)

王府井深基坑工程地下水位標(biāo)高位于地面以下約15m處，上方三道錨桿位于地下水位以上，因此本工程上方三道錨桿優(yōu)先選用錨桿鉆機(jī)干作業(yè)成孔施工工藝施工，若出現(xiàn)局部土層砂性大、含滯水量大塌孔的部位可使用套管濕作業(yè)工藝施工；由于下方三道錨桿位于地下水位以下，采用套管濕作業(yè)工藝施工。

4 質(zhì)量通病防治

4.1 擋土系統(tǒng)

質(zhì)量通病1:成孔過程中塌孔

防治措施：根據(jù)地質(zhì)報(bào)告和現(xiàn)場考察，結(jié)合工程實(shí)際情況，確定該工程不同地質(zhì)段、會(huì)存在問題與處理辦法。使用挖土機(jī)向孔內(nèi)回填可塑性好的粘性土，鉆機(jī)反轉(zhuǎn)向下加壓，正轉(zhuǎn)取土，充分壓實(shí)孔壁，重新成孔。本工程由于基坑周邊存在舊有人防結(jié)構(gòu)，護(hù)坡樁施工時(shí)遇舊有人防結(jié)構(gòu)或地下巨大障礙物地段，護(hù)坡樁施工前，有開挖作業(yè)面的區(qū)域還需采用機(jī)械開挖整體破碎，無開挖工作面區(qū)域采用人工開挖破碎，穿過障礙物后下放鋼套筒，再進(jìn)行后續(xù)護(hù)坡樁施工。

質(zhì)量通病2:混凝土水下灌注質(zhì)量不佳，出現(xiàn)堵管、斷樁等現(xiàn)象

防治措施：①在施工前要對(duì)商品混凝土廠家的資質(zhì)進(jìn)行考查，混凝土生產(chǎn)廠家應(yīng)出具所生產(chǎn)砼的開盤鑒定、材質(zhì)檢驗(yàn)報(bào)告等質(zhì)量證明資料；②塌落度控制在180～220mm，防止堵管現(xiàn)象發(fā)生；③準(zhǔn)確計(jì)量導(dǎo)管長度，確保導(dǎo)管下口在混凝土中的埋深，杜絕導(dǎo)管提離混凝土面導(dǎo)致斷樁事故發(fā)生。

4.2 擋水系統(tǒng)

質(zhì)量通病1:旋噴樁固結(jié)體強(qiáng)度不均、縮頸

防治措施：①由于噴射方法與機(jī)具沒有根據(jù)地質(zhì)條件進(jìn)行選擇可能造成旋噴樁固結(jié)體強(qiáng)度不均、縮頸，因此應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求和地質(zhì)條件，選用不同的噴漿方法和機(jī)具；②噴射設(shè)備出現(xiàn)故障（管路堵塞、串、漏、卡鉆）中斷施工可能造成旋噴樁固結(jié)體強(qiáng)度不均、縮頸，因此噴漿前應(yīng)進(jìn)行壓水壓漿壓氣試驗(yàn)，一切正常后方可配漿準(zhǔn)備噴射，保證連續(xù)進(jìn)行，配漿時(shí)必須用篩過濾；③拔管速度、旋轉(zhuǎn)速度及注漿量不配合，會(huì)造成樁身直徑大小不均，漿液有多有少，因此應(yīng)根據(jù)固結(jié)體的形狀及樁身勻質(zhì)性，調(diào)整噴嘴的旋轉(zhuǎn)速度、提升速度、噴射壓力和噴漿量；④穿過較硬的粘性土可能產(chǎn)生縮頸，因此應(yīng)對(duì)易出現(xiàn)縮頸部位及底部不易檢查處進(jìn)行定位旋轉(zhuǎn)噴射（不提升）或復(fù)噴的擴(kuò)大樁徑辦法；⑤噴射的漿液與切削的土粒強(qiáng)制拌和不充分、不均勻，會(huì)影響加固效果，因此應(yīng)控制漿液的水灰比及稠度；檢查噴嘴的加工和安裝精度，必須符合設(shè)計(jì)要求，確保噴漿效果。

質(zhì)量通病2:疏干井成井效果不佳

防治措施：①疏干井垂直度不滿足要求，此時(shí)鉆機(jī)安裝應(yīng)周正平穩(wěn)，嚴(yán)格按操作規(guī)程施工，保證鉆孔垂直度誤差小于1%。下管時(shí)濾水管接頭處要用竹片夾好綁牢，防止在下管過程中發(fā)生位移；下管時(shí)應(yīng)輕提慢放，遇阻時(shí)應(yīng)查明原因后再下放，嚴(yán)禁強(qiáng)行墩放，以防損壞井管；②避免成孔過程中出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，提升、下放鉆具時(shí)要輕提慢放，避免產(chǎn)生抽吸作用；③含水層部位的井管外要纏繞80目尼龍濾網(wǎng)；下至設(shè)計(jì)位置后，要保證井管口高出地面20cm以上，井口用蓋板蓋好，防止雜物掉入；填入濾料時(shí)，要仔細(xì)檢查濾料質(zhì)量，控制其含泥量不超過5% ；填入過程中要用鐵鍬沿井管四周緩慢均勻填入，防止投料不均或中途架橋；在降水過程中，如遇濾料下沉，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充。否則疏干井發(fā)生易堵管現(xiàn)象。

4.3 支撐系統(tǒng)

質(zhì)量通病：錨桿被拔出。

防治措施：嚴(yán)格控制好注漿工序，檢查水泥漿的配合比是否滿足設(shè)計(jì)要求，注漿上是否飽滿，必須進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)漿，必要時(shí)進(jìn)行二次壓力注漿。

5 結(jié) 語

樁錨支護(hù)體系從設(shè)計(jì)理論和施工工藝上都較成熟。用于深基坑支護(hù)工程，安全性較好，且工程造價(jià)較地下連續(xù)墻等其他適用于深基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)低，經(jīng)濟(jì)性好。通過施工過程中的信息反饋，能夠及時(shí)靈活的通過調(diào)整錨桿設(shè)計(jì)來達(dá)到調(diào)整受力體系的目的。配合基坑監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)深基坑工程的動(dòng)態(tài)管理，從而達(dá)到保證基坑安全的目的。因此值得在深基坑工程中進(jìn)一步推廣。 O