桩锚支护体系在成都深基坑工程中的应用

李育枢，谭建忠

(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059;2.成都四海岩土工程公司，成都 610041)

随着成都市经济的快速发展，城市中心用地越来越紧张，建筑物深基坑数量迅速增多，目前最大深度已达35 m(在建的成都国际金融中心)，基坑支护问题显得愈加突出。桩锚支护体系是将受拉杆件一端固定在开挖基坑侧稳定地层中，另一端与围护桩相联的一种挡土结构，在实际应用中表现出良好的安全性和经济性［1］，尤其适用于复杂施工场地的基坑工程。成都市中心区由于特定的砂卵石地层条件和基坑深度加大后对周边变形的严格控制要求，桩锚支护方式已逐步开始在深基坑支护工程得到广泛应用和推广。

本文以成都某大型商住楼地下停车场深基坑工程为例，对桩锚支护体系进行了详细分析和设计计算，并提出了设计施工中应注意的几个问题，以供同类工程参考。

1 工程概况

1.1 基坑周边环境

该商住楼工程位于成都市中心繁华地带，地上32层，地下3层，拟采用筏板基础，基坑开挖深度为16.0 m。基坑西北侧有一栋7层和一栋3层建筑，东北侧为两栋7层建筑，均为省级机关的早期住宅楼;另两侧为繁华市政道路，管线密布。四栋住宅建筑均为预制桩基础，桩基埋置深度均达地面以下7.0 m。已有建筑边界线距基坑开挖线水平距离最近仅2.0 m。基坑平面布置及周边环境如图1所示。

图1 基坑工程平面布置(单位:m)

1.2 场地地质条件

场地地形平坦，地貌属岷江一级阶地。从上往下依次为①第四系全新统人工填土层(Qml4)、②第四系全新统冲积层(Qal4)的粉质黏土、粉土、砂土和卵石土。其中①层以杂填或素填的黏性土夹少量砖头、瓦块及卵石为主，结构松散，层厚1.5～3.0 m，厚度变化较大，分布不均。②-1粉质黏土或粉土层，可塑，稍湿～湿，层厚1.2～3.0 m;②-2中粗砂层，松散 ～稍密，湿～稍湿，夹少量粉土团，部分泥质充填，层厚2.0～4.0 m;②-1、②-2层工程地质条件较差，为拟挖除地层。②-3砂卵石层，湿～饱和，磨圆度较好，稍密～密实，工程地质条件较好，是良好的持力层。

地下水以孔隙潜水为主，勘察期间实测地下水位埋深9.80～10.20 m，丰水期正常水位埋深 5.00～5.50 m。卵石土渗透系数K=22 m/d。

2 支护体系设计方案

基坑整体近似呈方形，东西长约51 m，南北宽约63 m，周边长约230 m，基坑整体深度16.0 m。周边紧邻原有住宅建筑和市政道路繁华道路及管网设施。受场地限制，开挖必须严格控制周边变形，同时施工工期要求非常紧。综合以上因素，结合本地经验，采用了如下设计方案:

1)A-B-C段(邻住宅侧)。由于紧邻已有建筑，变形控制严格，采用A型人工挖孔桩+两道预应力锚索进行支护。C-D-A段(紧邻市政道路侧)。采用B型人工挖孔桩+两道预应力锚索进行支护;

2)桩间土支护采用挂钢筋网喷射混凝土，同时兼作止水帷幕。

3)A-B-C段第一道锚索支护施作之前的开挖过程中，根据实时监测结果若临近建筑物或地坪变形过大，局部动态加设注浆锚杆，以防止地面开裂。

3 桩锚支护体系设计及计算

3.1 设计参数

主要设计参数如下:

1)A-B-C段(邻住宅侧)围护桩采用φ1 200 mm@2 000 mm人工挖孔桩;C-D-A段(邻市政道路侧)围护桩采用φ 1 200 mm@2 500 mm人工挖孔桩，钢筋混凝土护壁厚150 mm。桩长均为20.7 m，嵌固段长度5.0 m，桩主筋采用 18φ25 mm，箍筋 φ8 mm@200 mm。

2)考虑到基坑深度大、变形控制要求严格，沿桩竖向设两道锚索，水平间距2.0 m，即一桩一锚;竖向深度分别设在-7 m和-10 m处。锚索与围护桩间设钢腰梁(2根［25a槽钢)连接;桩间土采用挂钢筋网喷射混凝土封闭。

图2 桩锚支护结构剖面(A-B-C段)(单位:mm)

3)锚 孔 直 径 130 mm，俯 角 15°，拉 杆 采 用4φ15.24 mm预应力锚索;注浆材料采用标号425水泥砂浆，水灰比0.38～0.50，强度等级M25。

4)为加强各桩整体协调性，桩顶设一道1 500 mm×750 mm冠梁，冠梁主筋采用14 mmφ18 mm，箍筋φ8 mm@200 mm。

其中A-B-C段(邻住宅侧)支护剖面见图2。

3.2 支护体系计算

以对变形控制要求更为严格的A-B-C段(邻住宅侧)为例进行介绍。

3.2.1 计算参数

场地地层和计算参数如表1所示。

表1 土层计算参数

3.2.2 支护结构计算

桩锚体系结构采用逐层开挖锚拉力不变计算假定，按2层弹性支点法进行计算［1-2］，计算模式示意如图3，支护结构水平位移及弯矩计算结果如图4所示。

图3 计算模式示意

图4 支护结构位移及弯矩结算结果

挖孔桩长取20.7 m，嵌固段置于砂卵石层中，长度取5.0 m，基坑侧壁重要性系数取1.1。结合现场实际条件，两道锚索分别设置在-7 m和-10 m处，根据测算结果，水平力设计值分别取为

第一道锚索M1

第二道锚索M2

基坑抗倾覆稳定性系数Kq为

Kq，满足规范要求。其中，Eak为桩后主动土压力之和;ak为Eak合力相对于弯矩零点的力臂;Epk为桩前被动土压力之和、bk为Epk合力相对于弯矩零点的力臂;Tdi为水平支撑力、ai为各道水平支撑力相对于弯矩零点的力臂。

基坑整体抗滑稳定性按瑞典条分法搜索潜在最危险滑面后进行计算:

Kh，满足规范要求。其中，Wi为第i条块的重量;ai为第 i条块滑面倾角;Ci为第i条块滑面内聚力;Li为第i条块滑面长度。

3.2.3 锚杆计算

以第一道锚索为例，锚索水平拉力设计值为809 kN。

1)锚杆杆体截面积计算

式中，Td1为水平支撑力;fy为钢绞线抗拉强度设计值;θ为锚索俯角。

锚索拉杆选用 φ15.2 mm钢绞线，所需根数 n=450.3/(1/4×3.14×15.22)=2.48根

抗拉选用4φ15.2 mm钢绞线，安全系数为1.61。

2)锚杆长度计算

锚固段长度

式中，Nμ为锚杆承载力设计值;d为锚孔直径;qsk为地层与锚固体黏结强度特征值，一般由现场试验确定，本工程取230 kPa;la为锚固段长度;γs为锚杆轴向受拉抗力分项系数，按规定取1.3。

la=1.3×809/(cos15°×3.14×0.13×230)=11.4 m，取12 m。

自由端长度

式中，lf为锚索自由段长度;lt为锚杆锚头中点至基坑底面以下基坑外侧荷载标准值与基坑内侧抗力标准值相等处的距离;φk为各层土层厚度加权内摩擦角标准值;θ为锚索俯角。

lf=8.2 ×sin(45°-0.5 ×28°)/sin(45°+0.5 ×28°+15°)=4.4 m，取 5 m。

同时考虑破裂面位置，最终锚索杆总长lf=12 m+5 m=17 m，拉杆材料采用4φ15.2 mm钢绞线。同理，第二道锚索 M2总长取为14 m，锚固段长度为9 m，拉杆材料采用4φ15.2 mm钢绞线。

3.2.4 腰梁设计与验算

已有桩锚支护体系破坏案例分析［3］表明:由于锚杆承载力或桩体强度不够导致围护失效的情况很少见;而因为桩锚连接体系出现问题使得桩体侧向荷载无法有效传递到地层深部并最终导致支护体系破坏的案例则较为常见。

因此，应该重视桩锚连接部位的设计和验算。本设计采用图5所示腰梁连接方式，每道锚索端部采用2根［25a槽钢连接形成腰梁;采用规格为200 mm×200 mm、厚20 mm的方形Q235钢垫板与两槽钢焊接，再外接张拉锚具。焊缝高度严格要求不小于8 mm。

图5 锚索与腰梁连接示意

据文献［1］，按腰梁与护壁桩及基坑壁紧密接触考虑，一般可将腰梁视为受均布荷载作用的简支梁体系进行计算，且结果偏安全。第一道腰梁(-7 m)，按均布荷载70 kPa，梁跨度2.0 m考虑，通过验算，最大弯矩35 kN·m，最大剪力70 kPa，腰梁最大拉应力为61.7 MPa;而该型槽钢抗拉强度设计值为235 MPa，焊缝按三级考虑，抗拉强度设计值为185 MPa，经验算均满足要求。同样第二道腰梁经过验算也满足要求。

4 施工组织及施工监测

2008年1月初开始降水井施工，地下水位深度始终控制在地面以下21 m左右;同年3月完成人工挖孔桩及冠梁施工［4-6］。由于桩间距最小仅为2.0 m，桩径1.2 m，净间距0.8 m，为防止混凝土窜孔并保证施工人员的安全，采用了跳桩开挖方式。2008年7月完成全部基坑开挖和锚索施工工作。期间在施工第一道锚索(1月24日至2月15日)前，A-B-C段局部由于周边旧水管渗漏，大片浸水引发该段周围地表沉降变形速率过快，导致地坪出现开裂，为此在该段基坑各边中部、阳角等变形较大位置(-2.0 m深度)增加一排间距为2 m临时注浆锚杆，长度保证进入临近建筑桩基础范围1.0 m以上，以控制沉降变形。

由于地处闹市区，施工过程中在桩顶冠梁、围护桩以及基坑周边建筑物和道路上共布置了12个位移监测点和20个沉降监测点。最终监测结果表明:桩顶水平位移为1.4～20.0 mm，桩后地表沉降量为0.19～18.10 mm。其中，3#监测点(26#围护桩桩顶)水平位移量最大，12#监测点(25#桩后地坪上)地表沉降量最大。图6和图7分别给出了3#监测点的水平位移监测曲线和12#监测点的地表沉降监测曲线。

图6 3#监测点(26#围护桩桩顶)水平位移—时间监测曲线

图7 12#监测点(25#桩后地坪上)地表沉降—时间曲线

由图6、图7中可看出，基坑开挖初期，桩顶位移和地表沉降均增长较快，约占最终总变形量的1/3～1/2;待第一道锚索全部施工完并施加预应力后(2月15日)，变形得到了很好的控制;随着基坑进一步开挖，变形又开始逐步增长，在第二道锚索全部施工完并施加预应力后(4月2日)，变形再次得到控制;在4月下旬以后，随着基坑挖至预定深度，桩顶水平位移和桩后地表沉降均逐步趋于平稳。期间承受住了2008年“5.12”汶川特大地震考验，两者变形均出现小量跳跃，分别增加了2.0 mm和0.7 mm，并保持了继续平稳发展的趋势。最终总变形均小于监控报警值(取H/600，H为基坑开挖深度，根据地方经验考虑为 30 mm)，且地表未出现进一步的开裂，整体支护达到了预期效果。

5 结语

该商住楼地下停车场深基坑工程采用桩锚支护体系，成功地解决了周边复杂场地条件下的支护问题，且经受住了“5.12”汶川特大地震的考验。

通过这一工程实例的实施，主要有以下认识:

1)桩锚索支护体系由于其良好的受力结构和灵活的锚点设置方式，在变形控制方面比悬臂桩具有明显优势，在成都地区卵石地层的基坑支护中效果显著，而且造价比纯悬臂桩普遍节约20%左右，具有良好的推广应用价值。

2)由于成都中心城区以砂卵石地层为主，地下水位较高，自立性较差，应做好基坑降水工作和地表水的防排导工作，特别应切实避免水管破裂漏水、绿化浇水、持续降雨等引发基坑周边岩土体C和φ值大幅降低，使基坑局部变形过大甚至局部垮塌。

3)桩锚连接部位通常是桩锚支护体系最容易出现问题的环节，应重视桩与锚连接系统的设计验算，严格按设计要求施工，避免连接强度不够导致支护失效。

［1］刘建航，侯学渊.基坑工程手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1997:731-748.

［2］郑晓，刘胜群.深基坑工程变形特性及有限元法［J］.铁道建筑，2008(5):89-91.

［3］中华人民共和国建设部.JGJ120—99 建筑基坑支护技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，1999.

［4］张钦喜，霍达.桩锚支护破坏形式及实例分析［J］.工业建筑，2002，32(6):77-79.

［5］中华人民共和国建设部.GB50330—2002 建筑边坡工程规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［6］曾裕平，耿冬青，许楷英.复杂深基坑的施工支护［J］.铁道建筑，2010(4):63-65.