桩锚—内撑联合支护结构在深基坑中的应用

2011-07-03邱洪志甄西刚乐金朝

河南城建学院学报 2011年5期

邱洪志，甄西刚，乐金朝

(郑州大学水利与环境学院，河南郑州450001)

近年来，随着高层建筑的不断增加、市政建设的大力发展和地下空间的开发利用，深基坑支护工程在设计与施工方面得到了很多的发展。深基坑设计与施工是基础工程中一个古老传统课题，同时又是一个综合性的岩土工程难题。目前基于排桩和锚索与排桩和内支撑的组合支护结构已广泛应用于实际深基坑工程中，根据工程实践与理论研究，人们逐渐积累形成了桩锚和桩－内支撑组合结构的成功使用经验，在基坑开挖过程中支护结构变形及受力分析方法中也取得很多成果。

桩锚—内支撑联合支护结构结合了桩锚支护结构和内支撑支护结构的各自优点，保证了深基坑工程施工过程的安全，而且也保证了对基坑周边环境不造成破坏。在城市旧区改造时，对深基坑开挖提出了更高更严的要求，即不仅要保证基坑稳定，还要满足变形控制的要求，以确保基坑周边原有建筑物、构筑物、地下管线及道路等的安全。实践表明，桩锚—内支撑联合支护结构在这些地区得支护工程中取得了很好的效果。该深基坑工程是城市道路改建工程，基坑所处的周围环境十分复杂，这对基坑的安全施工带来了很大的挑战，为保证施工正常进行，对基坑工程监测数据进行了分析，探讨桩身及土体的水平位移、锚索轴力和钢筋混凝土内支撑轴力的变化规律。

1 工程概况及基坑周边环境条件

拟改扩建工程标段位于郑州市西南部，该工程为原有道路改扩建工程，南起郑航北路，北至新莆南街，全长2.1 km。

道路南侧多为商铺及居民住宅楼等。周边建筑物距隧道基坑边线最近距离约为12 m，大多建筑物位于隧道基坑边线20 m以外，建筑大都为多层建筑，仅在京广路与代庄南街交叉口西南角处有一在建高层建筑，距隧道基坑边线18 m左右，京广路与航海中路交叉口西南角九州大酒店为10层建筑，距隧道基坑边线约25 m。这两处建筑的基础埋深较大，设有地下室，其它位置的建筑物基础埋深都不大，均采用天然地基。拟建工程范围内，地下雨水污水管道、通信电缆、燃气及自来水管道等市政设施众多，分布复杂。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

地貌单元为黄河一级阶地，微地貌上有一定起伏，路段地面标高一般为105.36～110.64 m(国家85高程)，地势呈南高北低态势。

2.2 地震地质条件

根据郑州市地震工程勘察事务所技术部对本区的调查显示，该区不存在深断裂构造，最深断裂只能进入结晶基底，新生代以来活动微弱，不具备发生6.5级以上强震的地质构造条件。

2.3 地层结构

表层为人工堆积的杂填土，其下为第四纪沉积地层，其成因为黄河冲洪积沉积物，土层分布相对均匀稳定，地面以下55 m深度范围内的土层物理力学参数见表1。

2.4 地下水

经过对拟建场地经勘查，地下水位在地表以下20.5～21.5 m，据此可以推断地下水位不会影响工程的正常施工。

表1 土层物理力学参数

3 基坑支护监测方案

3.1 基坑支护方案

因基坑深度不一，且周边环境复杂，市政设施较多，故要根据基坑所处地段以及隧道主体设计深度，按照建筑基坑支护的有关规范和规定分段进行支护。本文只对部分区段内的隧道基坑的支护结构讨论，在 k1+540.012 ～ k1+589.659、k1+969.159 ～ k2+020.159 和 k2+422.659 ～ k2+479.659 范围内，基坑支护结构采用排桩+一道顶撑+两道锚索的支护形式，钻孔灌注桩桩径为900 mm，间距为1.5 m。桩长随基坑深度变化，支护方案剖面图见图1。

3.2 监测方案

本工程基坑侧壁安全等级为一级，根据施工特点和现场的周边环境情况，监测内容主要由包括深层水平位移监测、临近建筑物沉降观测、内支撑轴力监测及锚索轴力监测。考虑到地质条件及基坑自身的特点等因素，监测频率为开挖阶段所有监测点每天至少监测一次，底板浇筑完成后三天监测一次。监测点沿着基坑两边对称布置，见图2。

图1 支护方案剖面图

图2 各个监测点布置图

4 监测结果及分析

该工程是原道路改建工程，工程量较大，需要监测的内容也较多。本支护结构体系是在整个基坑工程中选取部分区段，在选取的区段中，对各个监测点连续观测。并对监测结果进行分析。监测工作从2011年1月基坑开挖开始，至2011年6月主体结构施工完成、基坑土体回填结束停止。因监测点及数据采集次数多，数据量较大，如何提取有效的数据是结果分析的关键，经过对各测点的时程曲线进行分析筛选，最后得到一组有代表性的曲线，在选取代表性曲线时，倾向于选择桩身水平位移、内支撑轴力和锚索拉力互相对应的监测点。

4.1 钻孔灌注桩桩身水平位移监测分析

桩身水平位移测点号为C1～C16，监测采用CX3系列测斜仪进行观测，测斜管均埋设在冠梁下面的钻孔灌注桩内。通过对施工过程中桩身变形的连续观测，并将观测得到的数据进行处理筛选，最后得到一组桩身变形曲线图见图3。所有监测点桩身水平位移最大累计位移量见表2。

表2 基坑水平位移累计位移量 mm

图3给出了从基坑开挖到顶板浇筑完成整个过程中4个监测点坑壁侧向累计水平位移。图中右栏中的数字为开挖时间点。由图3可以看出，所选取的4条桩身水平位移曲线除了C14曲线变化比较剧烈且最终位移的最大值较大外，其余各点随开挖深度增加水平位移变化均较为缓和。

图3 各监测点测斜累计位移曲线图

通过对图3中的各条水平位移曲线的分析，来了解支护桩在整个施工过程期间的变形情况，现以C3监测点为例。

(1)在基坑开挖初期(即2月27日至2月29日)土体深层水平位移主要出现在冠梁下部浅层土体位置，随着基坑开挖深度的增加，土体从上到下变形也逐渐增大;从3月3日到3月18日，坑壁水平位移增加速率较快，此开挖阶段基坑已开挖至底部，基坑内的土体被移走，支护桩受到单侧的土压力作用，所以坑壁就会向着基坑内侧产生变形。从3月21日到4月2日坑壁水平位移增加速率逐渐减缓，这是由于在此段时期内基坑已经开挖完毕，且正在进行底板结构施工。从图3中可以看出，土体水平位移在所有深度处并非有着相同的变化速率，在某些深度位置处，随基坑开挖深度增加的情况下，位移变化值却并不显著，这主要是由于在此期间进行锚索施工的缘故，锚索施工会在一定程度上限制土体侧向位移。

(2)从图3中的四个位移曲线图可以看出，最大位移累计值出现在桩顶以下4～6 m处，桩顶处最终水平位移只有5 mm左右，这是因为桩顶处设置了一道钢筋混泥土内支撑，在桩顶下4 m处和8 m处各设有一道预应力锚索(见图2)，内支撑和预应力锚索的设置均限制了坑壁的水平位移。C5和C8曲线变化情形同C3曲线，不再赘述。C14曲线除了C3曲线中分析的结果外，还有一个显著的变化特点：基坑从开挖到底板浇筑完成，在此期间，基坑深度方向上，在某些位置处，土体变形是剧烈，并且坑壁最大水平位移值较其他监测点要大许多，分析其原因，发现C14监测点附近的周围环境十分复杂，距监测点不远处，是两条交通主干道的交汇处，过往车辆流量十分庞大，除此之外，该监测点附近还有一下水管道，距基坑约20 m处有一多层建筑，由于这些因素的存在，使得此段基坑开挖过程中，基坑壁变形较剧烈。

4.2 内支撑轴力

图4给出了实测的钢筋混凝土内支撑轴力随基坑开挖施工时间的变化曲线。监测结果显示，基坑开挖初期，支撑轴力较小，随基坑开挖深度的增加，支撑轴力也不断增加，开挖至基坑底部，轴力达到最大值，底板浇筑过程中，轴力略有减小，主体结构施工段，逐渐趋于稳定。

图4 钢筋混凝土内支撑轴力变化趋势图

4.3 锚索轴力

锚索的轴力随时间变化曲线如图5所示，锚索应力在基坑开挖阶段整体上呈波动上升状态，在基坑开挖至基底后锚索拉力增加到最大值，其后随着底板混凝土浇筑和主体结的施工逐渐减小，在主体结构施工阶段，锚索拉力基本趋于稳定，各道锚索的轴力实测值规律与经典土压力理论得到的设计值有些不符。

锚索拉力出现波动上升状态，主要原因有以下几个：(1)拉力上升主要是由于随着基坑开挖，作用支护桩上的土压力增大，支护桩向坑内位移，从而使作用在锚索上的拉力增大;(2)波动原因可能是由于锚索装置本身应力松弛所致;(3)从图上看出，其波动幅度在锚索安装前期波动较大，后期基本稳定。这主要是因为锚索预应力损失是一个长期的过程，在锁定初期由于锚具、腰梁和钢绞线及支护桩的结合不紧密所致，随着基坑持续时间的延长，当接触紧密后这种波动自然逐渐减小。