型钢+可拆卸浆囊袋预应力锚索组合围护的设计与施工

浙江中成建工集团有限公司 绍兴 312000

1 工程概况

瓜渚·御景园基坑工程位于绍兴市柯桥瓜渚湖附近，耶溪路和百舸路交叉口，由多层住宅、排屋及地下室组成。该工程用地面积54 430 m2，总建筑面积113 850 m2。基坑平面形状呈不规则长方形，东西为长向。基坑周长约500 m，基坑面积约17 000 m2，开挖深度为5.45 m。

2 工程地质情况

基坑开挖深度影响范围内土层主要为：①1层杂填土、①2层粉质黏土、②1层粉质黏土、②2层黏质粉土、③层淤泥质黏土。坑底位于③层淤泥质黏土上，该层土厚度不小于8.70 m，土性较差。基坑开挖影响深度内地下水主要为孔隙潜水，地下水位埋深较浅，主要接受大气降水及地表水体的补给，其变幅一般不大于1.50 m，场地地下水稳定水位在地表以下0.45～1.10 m。

3 基坑支护设计

3.1 基坑支护设计思路

该基坑采用型钢+浆囊袋预应力锚索组合围护的结构形式，500 mm×200 mm×10 mm×16 mm的H型钢与单轴水泥搅拌桩分离，型钢间距可以根据受力情况灵活设置。型钢主要用来承受弯矩与剪力，φ15.20 mm钢绞线制作的浆囊袋预应力锚索锁定型钢并承担拉力，水泥搅拌桩用来止水防渗。具体围护结构如图1、图2所示。

图1 平面结构示意

图2 侧面剖视结构示意

基坑开挖至坑底为最不利工况，通过浆囊袋预应力锚索与土体的摩阻力紧紧锁住型钢，控制基坑变形并保证整体稳定。该围护结构体系考虑软土本构关系与结构空间效应，采用理正深基坑软件和PLAXIS有限元软件评估开挖过程中的支护体系动态响应、基坑安全性以及环境影响，通过监测数据表明其基坑安全可靠，满足基坑设计规范要求。

3.2 基坑支护特点

1）围护桩每延米H型钢自重轻、抗弯性能好且打设、回收方便。

2）浆囊袋预应力锚索具有成本低、支护效果好、操作简便、可拆卸回收、占用施工净空少等优点。其施工机械化程度高，质量易保证，可提供较大且稳定的锚固力。

3）由于基坑内部无支撑，机械挖土施工面积大、工作面广，施工方便、安全，且大幅提高了工作效率、缩短了基坑施工工期。

4）型钢浆囊袋预应力锚索组合围护形式环保效果显著，不增添地下土体额外垃圾，且在施工中可大大减少取土量和混凝土的使用量，有效保护土地资源。

4 施工工艺流程及操作要点

4.1 工艺流程

开挖导沟→施工止水帷幕→放坡开挖并施工土钉墙→定位型钢→打设型钢→施工浆囊袋预应力锚索→施工冠梁→张拉固定锚索→开挖土方至坑底→施工地下室结构→拆卸锚索→回填基坑土方→拔出型钢

4.2 施工止水帷幕

4.2.1 施工流程

钻机就位→搅拌下沉、制浆→搅拌提升→重复上下搅拌、喷浆→清洗桩机、导管→移位重复施工

4.2.2 施工要求

1）水泥土搅拌桩采用直径500 mm的单钻头，搭接宽度为150 mm，搅拌桩采用P.O 42.5水泥。水泥掺量为15%，水泥浆的水灰比为0.45，并掺加0.05%的三乙醇胺及0.2%的木质素。

2）水泥搅拌机械就位时应对中，偏差不得大于20 mm，并且调整机械的垂直度，偏差不得大于1%桩长。相邻搅拌桩之间搭接时间不得大于12 h。

3）当搅拌头下沉到设计深度时，应再次检查并调整机械的垂直度。采用下沉（或提升）喷浆，提升（或下沉）搅拌各2次，喷浆时提升（或下沉）速度为0.80～1.00 m/min。

4）水泥搅拌桩作为主动区止水帷幕、被动区土体加固，应充分保证成桩质量，且水泥土无侧限抗压强度不小于0.80 MPa。

4.3 施工型钢

4.3.1 施工流程

定位放线→吊桩→插桩→锤击下沉→控制型钢标高→基坑土方回填后拔出型钢→填实钢桩孔隙

4.3.2 施工要求

1）型钢桩的平面布置应保证轴线平直顺畅，应尽可能避免不规则的转角。

2）型钢桩使用之前应进行矫正，弯曲、企口不正等用机械方法或火焰矫正，局部孔洞用焊接修补，端头矩形比失控时应予以切割修正。

3）拔桩前应进行土方回填，使板桩两侧土压力平衡。拔桩设备要同板桩保持一定距离，以减小板桩受到的侧向压力。拔桩顺序宜与打桩顺序相反，拔桩后形成的桩孔应及时回填处理（图3、图4）。

图3 打设型钢桩

图4 型钢桩成型

4.4 施工浆囊袋预应力锚索

4.4.1 施工流程

土方开挖→放样、钻机就位→造孔→安装锚索→注浆→锚索张拉锁定→基坑完成后拆卸锚索→锚孔封闭

4.4.2 施工要求

1）钻孔直径为150 mm，钻孔深度大于锚杆设计长度0.50 m。钻孔孔位误差垂直向≤50 mm，水平向≤100 mm。

2）锚固段地层为淤泥质黏土，具有高含水量、高灵敏度的特点，采用慢转速钻进，尽可能减少钻进过程中对锚固地层的扰动。

3）为防止钻孔颈缩，钻具应确保气孔畅通，必要时采用边拔、边注泥浆的方法来拔出钻具。

4）锚索注浆采用水泥浆，水灰比为0.45，孔体注浆的注浆管端部至孔底的距离不宜大于200 mm，在注浆及拔管过程中，注浆管口应始终埋入注浆液面内。

5）钢绞线应平行、间距均匀，不应相互穿绕，避免锚索体插入孔内时，钢绞线在孔内弯曲或扭转。钢绞线不得接长使用，成孔后及时插入杆体并注浆（图5、图6）。

图5 制作浆囊袋锚索

图6 安放浆囊袋锚索

6）锚索的预应力张拉在注浆、冠梁完成以后，且冠梁和锚索浆体达到设计强度方可按方案进行有序张拉[1-4]。

4.5 开挖土方及施工地下室结构

1）基坑内土方开挖应严格按照相关规范，分层、均匀开挖。挖土次序严格遵循大基坑、小开挖的原则，基坑底标高以上300 mm留作保护层，采用人工挖土。

2）开挖至坑底时，混凝土垫层应做到随挖随浇，无垫层坑底暴露面积不大于150 m2。电梯井、集水井等局部落深区必须先挖至大面积坑底标高，等大面积垫层形成后再向下开挖。

3）及时记录基坑监测原始数据，控制和调整施工进度和施工方法，对施工全过程进行动态控制。

5 质量控制

1）对每个施工环节严格把关，对成孔深度、锚索制作质量、水泥浆配合比、注浆饱满程度、张拉锁定等进行严格监督检查。

2）认真如实填写钻孔、下锚记录表、注浆记录表及锚杆的预应力张拉记录表等原始记录表格。

3）型钢桩顶标高偏差不大于100 mm，垂直度偏差不大于1%，桩间距偏差不大于50 mm。型钢桩接长可采用坡口对焊或加鱼尾板焊接，相邻桩的焊缝宜间隔设置，错开1.00 m以上。

4）锚索钻孔深度宜大于锚索设计长度0.50 m以上，钻孔轴线水平夹角误差不得大于5%，孔径误差小于5 mm，成孔孔深误差小于50 mm，成孔位置误差不得大于100 mm。

5）锚索锚固段的长度允许偏差为±200 mm，自由段内的套管长度允许偏差为±200 mm。

6）锚索分别用20 kN、50 kN二级荷载进行张拉，在正式张拉前先施加20 kN荷载进行预张拉，预张拉后卸荷到零再正式张拉， 张拉至50 kN后锁定。

6 基坑监测成果

基坑监测结果是基坑施工过程中结构与土层相互作用的真实反映，是各种复杂因素影响下基坑系统的综合体现。本工程按基坑开挖顺序对土体水平位移、地面沉降及地下水位等项目进行监测。

1）深层土体的水平位移。当开挖至坑底时，由于预应力锚索和坑底土嵌固作用这两方面的约束，型钢桩呈简支状态，变形在坑底附近侧移最大，为36 mm；底板传力带施工完毕并回填部分土后拆除预应力锚索，型钢桩呈悬臂状态，桩顶侧移最大，为23 mm。从空间分布上看，基坑形状为狭长形，在长边方向中部土体所受约束力最小，水平位移比其他测点要大。相邻测点位移差值最大为5 mm，最大位移值在控制范围内。

2）地面沉降。本工程基坑型钢桩插入深度到位时的坑底塑性隆起量比较小，且施工速度比较快、暴露时间短，基坑被动承压区土体流变的速率和幅度都比较小，减少了墙体被动压力区的土体位移和墙外土体向坑内的位移，因而地表沉降最大为20 mm。

3）地下水位。本工程采用单轴水泥搅拌桩作为止水帷幕，插入不透水层，坑外地下水位变化在300 mm以内。

7 效益分析

1）型钢+可拆卸浆囊袋预应力锚索组合围护与工法桩不同的是型钢与水泥搅拌桩分离，型钢外止水帷幕采用单轴水泥搅拌桩且长度较短，相对于三轴搅拌桩费用便宜不少，且型钢间距可以根据受力情况灵活设置；与刚度相近的拉森钢板桩相比，每延米自重大幅度降低，型钢与止水帷幕的联合费用也比拉森钢板桩的费用低一些[5,6]。

2）在保证同样拉拔力的前提下，拉锚体选择浆囊袋锚索比钢筋或钢绞线等介质的长度要短，且可以拆卸、重复利用，能节省不少费用。如表1、表2所示。

经对比分析，方案三造价最便宜，方案一与方案二比较接近。与最高价相比，型钢+可拆卸浆囊袋预应力锚索组合围护可节约42.00万元人民币，降低费用约14.2%。

表1 支护结构形式

表2 造价比照