柔性預應力錨索支護法在深基坑永久性邊坡支護的應用

王金華

中國二十冶集團有限公司，中國·上海 201901

1 引言

基坑邊坡支護的形式很多，具體工程中采用何種形式主要根據(jù)基坑開挖深度、基坑邊坡巖土性質(zhì)、基坑邊坡周邊場地情況以及施工條件等因素綜合考慮決定。目前在工程中常用的支護結(jié)構(gòu)圍護墻的支撐形式有內(nèi)支撐、錨桿(索)、與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的基坑支護結(jié)構(gòu)。

城市工程建設(shè)一般地處城市中心，寸土寸金，建筑設(shè)計時往往盡可能接近紅線，致使可供支護的空間往往較小，且周邊環(huán)境復雜，對邊坡變形要求較嚴。論文利用中國湖南湘雅五醫(yī)院基坑邊坡工程實踐，根據(jù)開挖深度、巖土性質(zhì)、周邊場地情況以及施工條件等因素綜合分析比較了不同支護方式的優(yōu)缺點，最終選用合理可行的柔性預應力錨索支護形式。

柔性預應力錨索支護是用于基坑開挖和邊坡穩(wěn)定的一種新的支護技術(shù)。從實踐來看，該方法在經(jīng)濟、技術(shù)、安全等方面均具有良好的性能，但人們對該方法運用于永久性邊坡的研究較少，缺乏深入系統(tǒng)的研究，缺少工程實踐的試驗資料。中國湖南湘雅五醫(yī)院基坑邊坡工程中采用柔性預應力錨索支護法進行設(shè)計，對完工后邊坡進行了長時間的位移監(jiān)測工作。從監(jiān)測數(shù)據(jù)看，邊坡位移、周邊建構(gòu)筑物沉降均較小，邊坡工程歷經(jīng)4年，目前狀況良好，柔性預應力錨索支護法在永久性邊坡工程中的應用是成功的。

2 工程概況

2.1 基坑建筑設(shè)計要求

擬建湘雅五醫(yī)院工程位于中國長沙市天心區(qū)果子園路與新谷路交匯處的東南角，工程東側(cè)為仙姑嶺森林公園。山體標高介于68.00～74.30m。設(shè)計±0.00標高為61.30m，因此東側(cè)山體±0.00標高以上13m高邊坡部分應作永久性邊坡支護設(shè)計。

2.2 工程環(huán)境

工程地下室3層結(jié)構(gòu)，基坑開挖底標高為49.30m，東側(cè)山體邊坡開挖深度達25.00m?；娱_挖底邊線周長1900m。基坑上口邊線到工程山體用地紅線距離6m。

2.3 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

（1）工程東側(cè)是仙姑嶺森林公園，工程基坑邊坡自上而下地質(zhì)結(jié)構(gòu)為：

第一，地表植物土層約0.5m厚。

第二，粉質(zhì)粘土④：局部含少量卵石，呈稍濕，硬塑狀態(tài)，該層約5.500m厚。

第三，粉質(zhì)粘土⑥：局部含少量強風化巖塊，呈硬塑狀態(tài)，該層約1.10m厚。

第四，強風化泥質(zhì)粉砂巖⑦：紫紅色，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，大部分礦物已風化。遇水易軟化，屬極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ類，該層約2.20m厚。

第五，中風化泥質(zhì)粉砂巖⑧：紫紅色，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀構(gòu)造，遇水易軟化，巖體較完整，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ類。

（2）設(shè)計采用的巖土參數(shù)見表1。

表1 巖土參數(shù)表

（3）場地地下水類型主要為上層滯水，上層滯水主要賦存于第四系土層中，分布不均勻，受大氣降水和地表水補給，水量、水位均隨季節(jié)而變化，未形成連續(xù)穩(wěn)定水面。此外，場地內(nèi)基巖裂隙中局部存在基巖裂隙水，未形成連續(xù)水位面，水量小且埋藏較深。

3 工程特點、難點

（1）工程東面山體開挖邊坡高度較高，高達25m，邊坡上層有6m深左右粉質(zhì)粘土，土體結(jié)構(gòu)松散，滲透性強，山體植被不能受破壞。

（2）擬建地下室靠近邊坡邊線，地下室外墻距邊坡只有2.0m，扣除局部承臺外挑及施工操作空間，可支護空間約1.0m，非常狹小，無法采用放坡卸載方案。

（3）基坑上部約13m開挖邊坡屬永久性邊坡，應按永久性邊坡?lián)鯄紤]。

4 支護結(jié)構(gòu)的比選

根據(jù)工程邊坡支護條件及工程特點，常規(guī)優(yōu)先選擇地下連續(xù)墻+鋼筋錨桿支護形式，但該工程主要受以下幾方面原因，不適合采用鋼筋錨桿支護方式。

（1）支護空間小，邊坡高差25m，若采用地下連續(xù)墻+鋼筋錨桿支護形式，地下連續(xù)墻一次性施工達不到這個深度，分階梯完成空間無法滿足要求，地下室施工受影響。選用旋挖樁基能為工程提供30m以上支護結(jié)構(gòu)體。

（2）工程該邊坡地質(zhì)條件，需要對該邊坡土體提供一定的預壓應力，才能保證土體不松散，邊坡土體才能不產(chǎn)生滑動位移，鋼筋錨桿支護形式提供預壓應力不滿足要求。

綜上所述幾點原因，在現(xiàn)有的支護技術(shù)條件下，采用旋挖樁+柔性預應力錨索支護也許是比較適合該邊坡的支護形式。

5 柔性預應力錨索支護法的工作機理

柔性預應力錨索支護體系由支護面層、支護懸背結(jié)構(gòu)體、錨下承載結(jié)構(gòu)、排水系統(tǒng)及預應力錨索組成，其中預應力錨索由眾多小噸位預應力錨索系統(tǒng)組成。其支護原理是通過灌注樁+冠梁、腰梁+預應力錨索將被加固區(qū)錨固于潛在滑移面以外的穩(wěn)定巖土體中。錨索的預應力通過錨下承載結(jié)構(gòu)和支護面層傳遞給加固巖土體，預應力在被加固巖土中產(chǎn)生壓應力區(qū)，大大減少了塑性區(qū)的范圍，延緩了潛在滑移面的形成和巖土體的破壞。這種對加固區(qū)巖土體主動的約束機制，增加了基坑的穩(wěn)定性，同時有效地控制了基坑的變形。

6 柔性預應力錨索支護法與土釘墻支護法的比較

從分類看，一方面拉錨式支護結(jié)構(gòu)包括樁錨支護和墻錨支護，屬剛性支護體系，土釘支護和預應力錨桿支護為柔性支護體系；另一方面土釘支護屬被動支護體系，而拉錨式支護和柔性預應力錨索支護為主動支護體系。從作用機理講，拉錨式支護結(jié)構(gòu)主要為錨固機制，土釘支護主要為加固機制，而柔性預應力錨索支護為加固基礎(chǔ)上的錨固機制，它們有相似之處，但也有不同點，柔性預應力錨索支護比土釘墻支護有以下幾方面優(yōu)勢。

6.1 邊坡變形小

土釘支護只有當土體發(fā)生一定變形后才能被動受力，隨著開挖深度的加深，坑壁的位移也不斷加大；而柔性預應力錨桿支護由于施加了預應力，在土體中產(chǎn)生壓應力，減小了土體剪切變形，同時錨固段內(nèi)砂漿錨固體與巖土間的剪切變形以及錨桿的彈性變形也隨著預應力的施加而相繼發(fā)生。因此，盡管基坑坑壁位移的形態(tài)兩者相似（在地面處最大，隨深度的增加逐漸減?。穷A應力錨索支護的位移要比土釘支護的位移小得多。

6.2 施工工期短

由于柔性預應力錨索支護中單根錨索的承載力要比單根土釘?shù)某休d力大，錨索的水平間距和豎向間距要比土釘?shù)拇?，對相同深度的基坑，錨索的層數(shù)要比土釘少，需要分層循環(huán)施工的次數(shù)減少，尤其漿體達到一定強度需要一定的時間。因此，相對而言,柔性預應力錨索支護的工期較短[1]。

6.3 支護的深度大

對兩種支護方法邊坡的極限深度做出估計是件困難的事情。一方面由于預應力的存在，柔性預應力錨索支護的坑壁位移比土釘支護的位移要小得多，特別是對坑壁位移有嚴格要求的區(qū)域，柔性預應力錨索支護的邊坡可以做得深一些。另一方面，由于預應力改變了土體單元的受力狀態(tài)，延緩了土體單元發(fā)生剪切破壞或主拉應力破壞的過程，提高了坑壁的穩(wěn)定性。因此，從理論上講，預應力錨索支護邊坡的深度要大得多[2]。

7 柔性預應力錨索支護法的實踐

以湘雅五醫(yī)院工程基坑東面山體邊坡為例，依據(jù)土層、支護條件、開挖深度，經(jīng)過計算，該基坑邊坡采用圖1所示的支護。

圖1 基坑邊坡EG段柔性預應力錨索支護剖面圖

7.1 支護設(shè)計

基坑邊坡EG支護段采用柔性預應力錨索支護，支護詳見圖2、圖3。

圖2 柔性預應力錨索詳圖

圖3 柔性預應力錨索錨固詳圖

7.2 邊坡支護施工順序

邊坡支護施工順序：邊坡開挖線及支護樁位放線、復核—變形觀測點（含基準點）的設(shè)置—變形初始觀測—樁施工—樁頂連梁施工—錨（桿）索、樁間土處理、腰梁施工—基坑施工—基坑土方回填—樁頂施工—土方回填至設(shè)計頂標高。施工過程中及竣工后一定時期內(nèi)按要求進行變形觀測工作。

7.3 柔性錨索施工及檢測

（1）錨索施工前應先查明坡頂建筑物基礎(chǔ)位置及地下管線分布情況，以便施工中采用避讓措施。

（2）在預應力錨索正式施工前，按設(shè)計要求先進行錨索基本試驗，即抗拔拉破壞試驗。在基本試驗錨孔施工完成后，在錨固漿體達到28d齡期且錨頭混凝土強度達到80%后進行試驗。

（3）基本試驗的目的在于驗證設(shè)計采用的工作錨索的性質(zhì)和性能、施工工藝、設(shè)計質(zhì)量、設(shè)計合理性以及所提供的安全儲備，同時考慮有關(guān)搬運、儲存、安裝和施工過程中物理破壞的能力。

（4）預應力錨索采用鉆孔干成孔工藝成孔，成孔直徑150mm，鉆孔前應根據(jù)設(shè)計要求定出孔位，孔位允許偏差為50mm，鉆孔傾斜度允許偏差為±5%。

（5）錨索錨固段應清污除銹，張拉段、自由段錨索應涂抹專用防腐油脂，并且外套φ22聚乙烯塑料套管隔離防護。

（6）預應力錨索采用強度為1860的15.2鋼鉸線制作，二次注漿工藝注漿，注漿材料為普硅42.5水泥，漿液為純水泥漿，水灰比0.45～0.50。注漿應采用孔底注漿法，保證一次灌漿漿液不進入二次灌漿管內(nèi)，空壓機清孔后，第一次注入純水泥漿至孔口冒漿，封堵孔口，注漿壓力不宜小于0.6～0.8Mpa，兩小時后在錨固段二次高壓注入純水泥漿，二次注漿壓力2.5～3.0MPa，二次注漿時間通過實驗確定。

（7）錨索應設(shè)置一定數(shù)量的錨索計對錨索軸力進行長期監(jiān)測，錨桿鎖定后10d內(nèi)每天一次，10d后每10d一次，1個月后每月一次，以掌握錨索應力變化情況，數(shù)量不少于該工點錨索孔數(shù)的5%，且不少于3孔。

（8）預應力錨索在噴射混凝土達到設(shè)計強度80%后方能進行張拉鎖定錨索，張拉順序應考慮對邊坡支護體系的影響，為避免相鄰錨索張拉的應力損失，可采用“挑張法”，即隔一拉一的方法。

（9）錨索采用千斤頂對錨頭施加預應力，正式張拉前取張拉設(shè)計值的10%預張拉，使其各部位接觸緊密、鋼絞線完全平直。錨索設(shè)計施工張拉力為設(shè)計張拉力的60%。錨索張拉分五級進行，每級荷載分別為設(shè)計拉力的0.25、0.5、0.75、1.0、1.1倍，除最后一級需要穩(wěn)定10～20min外，其余每級需要穩(wěn)定5min，并分別記錄每一級鋼絞線的伸長量。在每一級穩(wěn)定時間里必須測讀錨頭位移三次。當張拉到最后一級荷載且變形穩(wěn)定后，卸載至鎖定荷載鎖定錨索。錨索鎖定后，鋼絞線預留不切除。

8 結(jié)語

該工程邊坡采用柔性預應力錨索支護法，其主要優(yōu)點體現(xiàn)在支護結(jié)構(gòu)占用空間??；工程造價低；施工速度快，工期短；邊坡變形?。皇┕ず唵?，安全性好等方面。需要注意的是，由于鋼絞線較軟，為方便施工，在桿體內(nèi)增加1Φ25鋼筋，增強桿體的剛度，同時增強永久性錨桿的防腐性能。但是，由于永久性邊坡的需要設(shè)置了擴大頭錨墩，錨墩與面板需驗算局部承壓、抗沖切，此部分的計算按無梁樓蓋的模型進行計算，該計算方法有待進一步的理論研究與工程實測數(shù)據(jù)的驗證。該工程自建造完成至今已4年時間，目前狀況良好，說明預應力錨桿柔性支護法在該工程上的應用是成功的。當然，如上所述，錨墩與面板間如何計算、面板內(nèi)力實測、優(yōu)化設(shè)計、方便施工等方面有待我們進一步探索。