樁錨支護體系在基坑工程中的應(yīng)用

穆海旺 張訓玉 文萌 劉靜 曹磊 徐磊

摘 要：樁錨支護體系是由護坡樁和預(yù)應(yīng)力錨桿組成的基坑支護體系，在基坑工程中有著廣泛的應(yīng)用。以北京某項目為例，通過對地質(zhì)條件及周邊環(huán)境的分析，確定了樁錨支護體系的設(shè)計方案。在施工期間及后續(xù)使用中，持續(xù)對水平位移、豎向位移、錨桿軸力進行了監(jiān)測，確保基坑支護體系處于穩(wěn)定狀態(tài)，周邊建筑物、地下管線能夠正常使用。

關(guān)鍵詞：基坑支護;護坡樁錨桿支護;基坑監(jiān)測

Application of pile anchor support system in foundation pit construction

MU Haiwang， ZHANG Xunyu， WEN Meng， LIU Jing， CAO Lei， XU Lei

（Beijing Institute of Ecological Geology， Beijing 100143， China）

Abstract： Pile anchor support system is a foundation pit support system composed of slope protection pile and prestressed anchor rod， which is widely used in foundation pit engineering. Taking a specific project in Beijing as an example， based on analysis of the geological conditions and surrounding environment， this paper determines the design scheme of pile anchor support system， implements the corresponding construction scheme on site and successfully completes the construction of pile anchor support system. During construction and subsequent use， the horizontal displacement， vertical displacement， axial force of anchor rod and other items are continuously monitored to ensure that the foundation pit support system is in a stable state and the surrounding buildings and underground pipelines function and perform normally.

Keywords： foundation pit support; pile-anchor support; foundation pit monitoring

隨著北京城市建設(shè)發(fā)展的需要，城市用地越來越緊俏，場區(qū)周邊及地下空間的開發(fā)和利用尤為重要（張訓玉，2021）。豐臺西局公共租賃住房工程基坑外場地狹小，開挖范圍內(nèi)3～4 m以下為圓礫、卵石層，局部夾雜粉質(zhì)黏土及黏質(zhì)粉土，場地周邊地質(zhì)條件不具備放坡開挖的條件（張欽喜等，2008），同時工程東側(cè)和北側(cè)存在已有建筑物，需要采用對建筑物影響較小的支護結(jié)構(gòu)。土釘墻支護的施工成本較低，但其在雜填土、卵石地層中施工難度大，變形不易控制，不利于周邊建筑物的安全穩(wěn)定;樁錨支護的施工速度快，雖然成本較土釘墻高，但變形容易控制，對施工道路及周邊建筑物影響小。工程設(shè)計遵循安全可靠、經(jīng)濟可行、施工高效的原則，選擇了支護剛度大而變形較小的樁錨支護體系。通過施工監(jiān)測及第三方監(jiān)測，表明了本基坑在結(jié)構(gòu)施工期間以及后續(xù)長達5年的使用中，基坑支護體系處于穩(wěn)定狀態(tài)，周邊建筑物、地下管線正常使用，證明了基坑支護方案設(shè)計合理，為樁錨支護體系在深厚卵石層中的應(yīng)用獲取了經(jīng)驗。

1? 工程概況

工程項目位于北京市豐臺區(qū)西三環(huán)外，東側(cè)為紅木家具城，建筑紅線距離結(jié)構(gòu)邊線4～5 m;南側(cè)為代征道路，建筑紅線距離結(jié)構(gòu)邊線3～4 m;西側(cè)為待施工場地，建筑紅線距離結(jié)構(gòu)邊線7～8 m;北側(cè)為居民住宅小區(qū)，建筑紅線距離結(jié)構(gòu)邊線8～9 m（圖1）。擬建工程由3棟住宅樓、管理用房、門衛(wèi)室以及地下車庫組成，其中住宅樓為地上22～27層，管理用房為地上2層，設(shè)3層地下室，埋深為11.25 m;地下車庫為地下2層，與住宅樓和管理用房位于同一底板之上。門衛(wèi)室為地上1層，無地下室。

2? 地質(zhì)條件

2.1? 地層條件

根據(jù)前期地質(zhì)資料，基坑開挖范圍內(nèi)地層按成因年代可劃分為人工堆積層、新近沉積層、第四紀沉積層（圖2）。

1）人工堆積層

①為雜填土：雜色;稍密;以房渣土為主，含磚塊、碎石塊，局部含水泥路面。

①1為黏質(zhì)粉土素填土：黃褐色;密實;含磚塊、植物根等，局部含粉土素填土。

2）新近沉積層

圓礫②層，細砂、粉砂②1層，砂質(zhì)粉土②2層及黏質(zhì)粉土②3。

②為圓礫：雜色;密實;顆粒級配良好，中細砂填充。②1細砂、粉砂層：褐黃色;密實;含云母、石英、長石、圓礫等。②2黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土層：褐黃色;密實;含云母、氧化鐵等。②3粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土層：褐黃色;可塑;含云母、氧化鐵等。

3）第四紀沉積層

卵石、圓礫③層，中砂、細砂③1層及卵石混黏性土③2層;卵石④層，粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土④1層及重粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土④2層;卵石⑤層;卵石⑥層。

2.2? 水文地質(zhì)條件

擬建場區(qū)賦存單層潛水含水層，巖性為砂卵礫石，滲透性好，水位降深5 m時，單井出水量約5000 m3·d-1（許亮等，2021），穩(wěn)定水位標高為20.80～21.07 m（埋深為25.00～25.90 m）。地下水動態(tài)主要受大氣降水影響，每年7—9月豐水期水位開始上升，到2—3月達到最高水位后逐漸下降，至次年6月水位最低，水位年變化幅度為5～6 m。地下水補給來源主要為大氣降水入滲和地下水側(cè)向徑流補給，主要排泄方式為地下水側(cè)向流出和人工開采（歐志亮等，2022）。

3? 基坑支護工程設(shè)計

本工程需要穿過卵石層，需要嚴格控制施工步驟及施工質(zhì)量，合理地安排好各工序之間的銜接與交叉作業(yè)，才能保質(zhì)保量地完成本項目;考慮到項目的地理位置，施工進出大門只能設(shè)置在西南角，場區(qū)內(nèi)僅西側(cè)和北側(cè)可以設(shè)置行車道路，外圍還有居民區(qū)和建筑物，故基坑安全尤為重要。采取剛度大、變形小的樁錨支護結(jié)構(gòu)，能有效降低基坑對道路及周邊建筑物的影響。

3.1? 基坑支護設(shè)計

選用樁錨支護結(jié)構(gòu)方式，根據(jù)現(xiàn)場實際情況共分3 段支護（圖3）。

1-1剖面：實際挖深11.42 m，采用樁錨支護，樁頂位于自然地面下0.6 m，Φ800@1600樁錨支護，有效樁長16.48 m;設(shè)置2道預(yù)應(yīng)力錨桿，第一道為1樁1錨，鎖定值為350 kN，第二道為3樁2錨，鎖定值為354 kN（圖4）。

2-2剖面：西北側(cè)既有建筑物區(qū)域，實際挖深11.42 m，采用樁錨支護，樁頂位于自然地面下0.6 m，Φ800@1400樁錨支護，樁長16.48 m;設(shè)置2道預(yù)應(yīng)力錨桿，第一道為1樁1錨，鎖定值為350 kN，第二道為3樁2錨，鎖定值為354 kN。

3-3剖面（馬道口）：實際挖深11.42 m，采用擋土墻結(jié)合樁錨支護形式，樁頂位于自然地面下2.60 m（張欽喜等，2008），Φ800@1600樁錨支護，有效樁長14.48 m;設(shè)置2道預(yù)應(yīng)力錨桿，第一道為1樁1錨，鎖定值為350 kN，第二道為3樁2錨，鎖定值為354 kN;頂部設(shè)置2 m高擋土墻。

3.2? 基坑支護設(shè)計參數(shù)

掛網(wǎng)錨噴、樁間錨噴設(shè)計參數(shù)：錨噴邊坡面層及樁間噴護掛22#鋼板網(wǎng)，鋼板網(wǎng)與樁間坡面間用墊塊墊起，墊起高度不小于20 mm;面層噴射不小于50 mm厚C20混凝土，混凝土配合比為水泥∶中砂∶細石=1∶2∶2。

護坡樁支護設(shè)計參數(shù)：支護樁樁頂位于自然地面，馬道口處樁頂位于地面下2 m，設(shè)置Φ800混凝土灌注樁，樁身混凝土強度C30，具體參數(shù)見表1。

預(yù)應(yīng)力錨桿設(shè)計參數(shù)：設(shè)置2道預(yù)應(yīng)力錨桿，桿體材料采用4-7Φ5鋼絞線，灌漿材料采用P.O42.5水泥配置，強度不小于M20，具體參數(shù)見表2。

4? 樁錨支護結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

4.1? 鉆孔灌注樁施工

1）施工工藝流程

場地平整→測量定位→護筒埋設(shè)→鉆機對位→復驗樁點→制備護壁泥漿→鉆孔并投放泥漿護壁→成孔至設(shè)計高程→提鉆→清孔→置換泥漿→檢查成孔質(zhì)量→鋼筋籠制作檢驗→吊放鋼筋籠→下導管→水下灌注砼→控制樁頂標高→養(yǎng)護→成樁。

2）主要工序施工方法和技術(shù)要求

測量放線及復驗：依據(jù)基坑設(shè)計和灌注樁平面布置分布，定出樁位及高程控制點，經(jīng)復核無誤后方可施工。

護筒埋設(shè)、鉆機就位：灌注樁作業(yè)面土層為雜填土，厚度2～3 m，選擇埋設(shè)直徑1.0 m、長度3.5 m護筒，護筒中心保持與設(shè)計樁中心一致，底部深入原狀地層內(nèi)，頂部應(yīng)略高出地面，護筒外縫隙使用素土填實，復測樁位點，做好測量標識和測量記錄。鉆機對位允許偏差2 cm（王玉洲等，2017）。鉆機作業(yè)場地應(yīng)平整并滿足鉆機作業(yè)所需的承載能力，應(yīng)能保證鉆機機身穩(wěn)定，不發(fā)生傾斜、移位現(xiàn)象（謝春來，2011）。

泥漿護壁成孔：采用旋挖鉆機專用護壁泥漿，隨鉆機鉆進隨注漿。護壁鉆進過程中時常檢查鉆桿垂直度、鉆進速度，鉆進至設(shè)計深度后，清除孔底殘渣（何旭龍，2011）。

成孔質(zhì)量檢查：當鉆進至設(shè)計深度后，使用測量器具對孔深、孔徑、孔底沉渣等指標進行檢驗。

鋼筋籠制作與安裝：按圖紙技術(shù)要求制作灌注樁鋼筋籠。縱向受力筋采用HRB400鋼筋，焊接連接，斷面接頭數(shù)量不大于主筋總數(shù)的一半，錯開焊制，斷面間距2 m。縱向受力筋與加強筋間點焊焊接，箍筋與縱向受力筋間綁扎連接。鋼筋籠外側(cè)焊接保護鋼筋，確保受力鋼筋保護層厚度。鋼筋籠使用25 t汽車吊安裝。整體、平直起吊，利用鋼筋籠自重，實現(xiàn)鋼筋籠由平直狀態(tài)轉(zhuǎn)為垂直狀態(tài)，鋼筋籠中心對準鉆孔中心，緩慢放入孔內(nèi)。入孔后，控制好籠頂標高。

水下砼灌注：水下灌注混凝土連續(xù)不斷灌入直至樁頂，嚴禁中途停工。在灌注過程中需掌握砼面高度，常用探測導管測量砼埋入的深度，保證導管底口與砼面之間不小于2.0 m。當灌注砼至設(shè)計樁頂標高時，繼續(xù)澆灌砼，確保實際澆筑砼面標高高出設(shè)計樁頂標高。

4.2? 預(yù)應(yīng)力錨桿施工

1）施工工藝流程

工作面開挖、鉆機就位→校正位置及角度→鉆進至設(shè)計深度→制作安裝錨桿桿體→灌注水泥漿、養(yǎng)護→制作安裝鋼腰梁→張拉、鎖定（韓同輝，2015）。

2）主要工序施工方法

工作面開挖、鉆機就位：作業(yè)面開挖至錨桿標高下500 mm。工作面寬度6～8 m，鉆機就位，調(diào)整機身，用量角器測定鉆桿角度。工程施工地層主要為圓礫、卵石地層，設(shè)備選用進口液壓套管鉆機。

鉆孔施工：鉆進過程中隨時觀察進尺速度、鉆桿出水口反水量、鉆進角度，鉆進深度超過設(shè)計深度0.3～0.5m。用水反復沖洗管中殘渣，直到外管管內(nèi)溢出清水，然后退出鉆桿。當鉆進過程中遇到不明障礙物時，立即停止鉆孔（謝校亭，2013），查明原因后方可繼續(xù)施工。

錨索制作安裝：錨索自由段按設(shè)計要求長度套塑料管，套管兩端用膠布封閉（黃德新，2012）;每隔2 m設(shè)置1道隔離架。桿體的外露部分長度1.2 m。注漿管從隔離架內(nèi)孔穿過，與錨索一同通過外套管放入鉆孔內(nèi)，端頭注漿管內(nèi)端距孔底100 mm。

灌注水泥漿：水泥凈漿采用P.O42.5水泥配置，水灰比0.5。孔內(nèi)注漿由孔底至孔口進行，孔口反漿后，開始拔出注漿管和外套管，每拔2根外套管補漿1次，直至將孔口注滿。

錨桿張拉鎖定：在水泥凈漿同條件試塊達到15 MPa后，進行預(yù)應(yīng)力張拉。預(yù)張拉錨具上不安裝夾片，張拉至設(shè)計荷載后卸載。正式張拉時按設(shè)計荷載的5%、50%、80%、100% 進行，達到設(shè)計荷載后，保持15 min。在預(yù)應(yīng)力沒有明顯變化后，用夾片鎖緊。

5? 基坑監(jiān)測內(nèi)容及要求

5.1? 基坑監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)工程特點，現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容包括4項，見表3。

5.2? 監(jiān)測頻率及監(jiān)測值

根據(jù)現(xiàn)場情況及現(xiàn)行相關(guān)施工規(guī)范，基坑監(jiān)測的監(jiān)測頻率、監(jiān)測項目控制值及報警值詳見表4、表5（張艷芳等，2021）。

當監(jiān)測值、變形速率超過有關(guān)標準以及場地各方面條件變化較大或遇惡劣天氣時，應(yīng)加密觀測。

5.3? 監(jiān)測方法

基坑支護樁頂部水平位移監(jiān)測：在基坑四周樁頂冠梁上設(shè)置，根據(jù)現(xiàn)場條件監(jiān)測采用坐標法，使用全站儀進行觀測（張紹輝，2018）。

基坑支護樁頂部豎向位移監(jiān)測：依據(jù)現(xiàn)場條件及設(shè)計文件要求，基坑支護樁頂部豎向位移使用水準儀觀測，記錄觀測數(shù)據(jù)。

錨索內(nèi)力監(jiān)測：采用MSJ-201型測力計，采用ZXY-2型頻率讀數(shù)儀進行測讀。

5.4? 數(shù)據(jù)處理及分析

基坑支護樁頂部水平位移監(jiān)測：數(shù)據(jù)采集完畢后，將各監(jiān)測點的平面坐標值所有數(shù)據(jù)輸入計算機，對比監(jiān)測初始值，計算各監(jiān)測點垂直于基坑方向的水平位移變化值。通過各期數(shù)據(jù)變化，計算基坑水平位移的變化量、變化速度，累計變化值等。

基坑支護樁頂部豎向位移監(jiān)測：數(shù)據(jù)采集完畢后，所有數(shù)據(jù)輸入計算機，計算各監(jiān)測點的高程值，對比監(jiān)測點初始高程值，從而得出基坑豎向位移變化值。通過各期數(shù)據(jù)變化，計算基坑豎向位移的變化量、變化速度，累計變化值等。

錨索內(nèi)力監(jiān)測：數(shù)據(jù)采集完畢后，所有數(shù)據(jù)輸入計算機，按照測力計所帶的“頻率-內(nèi)力”轉(zhuǎn)換公式，計算錨桿軸力，對比監(jiān)測初始值變化，從而得出錨桿內(nèi)力變化值。通過各期數(shù)據(jù)變化，計算錨索內(nèi)力的變化量、變化速度，累計變化值等。

6? 基坑監(jiān)測

項目于2013年11月份開始施工，圍護結(jié)構(gòu)體系于2014年4月全部完成，總承包單位開始施工墊層、基礎(chǔ)底板等結(jié)構(gòu)。由于建設(shè)的原因，項目于2014年7月停止施工，地下結(jié)構(gòu)未完成，不能進行肥槽回填，基坑支護體系一直處于使用狀態(tài)，其間一直進行樁頂水平位移、豎向位移和錨桿軸力等數(shù)據(jù)監(jiān)測，時間長達5年之久。經(jīng)長時間數(shù)據(jù)測量和分析，支護頂部豎向位移最大值為6.98 mm，支護頂部水平位移最大值為11.35 mm，錨桿軸力變化17.87 kN，具體數(shù)據(jù)及變化曲線詳見圖5、圖6、圖7。

依據(jù)設(shè)計文件及建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標準，基坑支護樁頂部水平位移累計值的監(jiān)測預(yù)警值為20～30 mm，基坑支護樁頂部豎向位移累計值的監(jiān)測預(yù)警值為10～20 mm，錨索內(nèi)力累計值的監(jiān)測預(yù)警值為80%～100%設(shè)計值，各監(jiān)測項目最大值小于監(jiān)測預(yù)警值，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明目前基坑處于安全狀態(tài)。

7? 結(jié)語

本工程整體采用樁錨支護體系，依據(jù)設(shè)計規(guī)范，臨行性圍護結(jié)構(gòu)使用期限為1年。因其他原因?qū)е聡o結(jié)構(gòu)超期使用長達5年之久，基坑支護體系處于穩(wěn)定狀態(tài)，周邊建筑物、地下管線正常使用，證明了深厚卵石地層基坑支護方案設(shè)計合理，施工措施得當，達到并超出了預(yù)期的目標。

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