预应力短锚杆在深基坑工程中的应用

李贤军，张晓明，曾海柏

（1.北京航天勘察设计研究院有限公司，北京100070；2.北京地矿工程建设有限责任公司，北京100093）

预应力短锚杆在深基坑工程中的应用

李贤军1，张晓明2，曾海柏1

（1.北京航天勘察设计研究院有限公司，北京100070；2.北京地矿工程建设有限责任公司，北京100093）

北京市二环内某工程紧邻已有地上17层、地下2层居民住宅楼，最近处相距13.5 m，周边环境复杂，开挖深度14.0 m；17层住宅楼2003年基坑开挖深度10.5 m，采用上部摘帽土钉墙，下部悬臂桩支护；常规基坑支护设计的难题是由于楼间距太小从而导致预应力锚杆长度不足。本工程设计时将常规锚杆拆分成预应力短锚杆，增加锚杆布设密度，改良基坑后岩土体，提高其整体性，限制基坑变形；施工中对坡顶水平位移、沉降、周边楼座沉降、锚杆轴力、深层土体位移分别进行监测。监测数据表明：护坡桩桩身呈现悬臂桩倾斜特征，水平位移最大不超过5 mm，锚杆轴力监测数据小于锁定荷载，其它各项数据均正常；最终基坑成功实施，目前已经回填完毕。本工程可供类似工程借鉴参考。

深基坑支护；短锚杆；变形监测；位移

0　前言

随着我国城市建设的纵深发展，新建建筑物越来越深，距离已有建筑物越来越近［1］。为了充分利用地下空间，已有建筑物周边分布众多的市政管线、燃气、电缆等，新建建筑物基坑本身的安全、稳定，基坑建设和作用过程中需保证周边建筑物、道路及地下管线的正常使用，因此必须严格控制基坑变形［2］，这类难题是工程技术人员必须面对的。一般深基坑采用护坡桩［3-4］、地下连续墙等均需要施工锚杆［5-7］。受制于施工现场周边环境限制，没有足够的空间施工锚杆，本文将常规锚杆拆分成“预应力短锚杆”，即通过加密短锚杆来替代常规锚杆平衡土压力［8］，成功地应用于工程实践中，在施工过程中对坡顶水平位移、沉降、周边楼座沉降、锚杆轴力、深层土体位移进行数据监测和分析，为类似工程提供借鉴。

1　工程概况

1.1工程地质条件

根据勘察报告，结合现场踏勘，对勘察报告中的现场勘探、原位测试与室内土工试验成果的综合分析，发现在岩土工程勘察的勘探深度范围内（最深50.00 m）的地层，按成因年代可划分为人工堆积层、一般第四纪沉积层三大类，并按岩性及工程特性进一步划分为9个大层及其亚层。现分述如下：

①1杂填土。杂色，以粘质粉土和粉质粘土为主，含碎石、碎砖、灰渣、砼块和草木根茎等，结构松散、不均，稍湿，层厚0～3.3 m。

①2素填土。黄褐色，以粘质粉土和粉质粘土为主，含灰渣和草木根茎等，结构松散、不均，稍湿，层厚0～3.8 m。

②粘质粉土。褐黄色，含云母、氧化铁等，土质较均匀，湿，中密，中压缩性，有粉质粘土夹层或透镜体，局部缺失，层厚0～3.30 m。

③1粉细砂。褐黄色，颗粒均匀，中密，湿，含云母、石英、长石，于场地不同部位以夹层或透镜体形式存在，层厚0～0.80 m。

③中砂。褐黄色，含云母、石英、长石等，湿，密实，局部缺失，层厚0～2.9 m。

④粉质粘土。褐黄色，颗粒均匀，含云母、氧化铁等，湿—饱和，可塑，中高压缩性，局部缺失，层厚0～3.2 m。

⑤细砂。褐黄色，含云母、石英、长石等，湿，密实，层厚1.8～3.7 m。

⑥粘质粉土。褐黄—黄褐色，含云母、氧化铁及粗砂粒等，局部夹粘土或粉质粘土夹层，湿—饱和，密实，中低压缩性—低压缩性，局部缺失，层厚0～2.1 m。

⑦1细砂。褐黄色，含云母、长石等，湿—饱和，密实，局部缺失，层厚0～3.8 m。

⑦砾石。杂色，成分以火成岩为主，密实，饱和，一般粒径0.5～2 cm，最大粒径为5 cm，次圆形，细中砂充填，局部缺失，层厚0～1.7 m。

⑧细砂。褐黄色，含云母、石英、长石等，饱和，密实，于场地不同部位以夹层或透镜体形式存在，层厚0～2.1m。

⑨卵石。杂色，成分以火成岩为主，密实，饱和，一般粒径7～9 cm，最大粒径为15 cm，次圆形，中粗砂充填，本次钻探未揭穿该层，最大揭露厚度为37.60 m。

典型地层剖面见图1。

基坑周边岩土体的主要物理力学参数见表1。

1.2水文地质简述

根据勘察报告，勘探期间钻探20 m范围内未揭露地下水。

根据收集的该地区水文资料可知，拟建工程场地历年最高水位近自然地面（相当于标高41.0 m），近3～5 a最高地下水位标高约17.6 m，水位年变化幅度为1.0～2.0 m。

图1　典型地层剖面Figure1　Typical strata profile

表1　基坑周边岩土体的主要物理力学参数Table1　Main physical and mechanical parameters of foundation pit surrounding rock and soil bodies

由于地下水埋藏较深，地下水对基坑设计和施工无影响。

1.3基坑概况

拟建场地位于北京市宣武区右安门半步桥。基坑长约58 m，宽约54 m，开挖深度14.0 m。拟建建筑物与已有1#、2#、东侧四层建筑物之间地面以下分布众多的市政管线、电缆、燃气管线，地面上停放众多私家车，同时也是小区的主要通行道路（图2）。

东侧2#楼地上17层，地下二层，筏板基础，2005年居民入住，当年基坑上部3.5 m采用土钉墙支护，下部7 m悬臂桩支护，坑深10.5 m，φ800 mm护坡桩，桩长15 m，嵌固深度8.0 m，肥槽0.8 m。南侧1#楼地上19层，地下三层，筏板基础，2000年居民入住，当年基坑采用土钉墙支护，坑深14 m，放坡比例为1∶0.3。东侧四层建筑物基础埋深2.7 m，60年代建成，砖混结构，条形基础。北侧、西侧围墙为二层楼房的居民区。

图2　场地位置及变形监测点平面布置图Figure2　Sites locations and deformation monitoring points planar layout

2　基坑支护设计

2.1设计难点

拟建场地位于北京市二环以内，场地周边环境复杂，基坑北侧、西侧、东侧局部地下地面4.0 m以下没有障碍物，可以施工锚杆，所以该区域可以采用常规桩锚支护；基坑南侧扣除肥槽宽度1.0 m，有17 m的施工空间，南侧已有1#楼原基坑采用土钉墙施工，锚杆施工穿透土钉墙面层，采用常规桩锚支护也可以确保基坑安全。

图3　拟建建筑物与原2#楼竖向剖面图Figure3　Vertical profiles of proposed building and original building 2

东侧靠近已有2#楼区域，扣除本次施工的肥槽0.8 m，原有2#楼施工时的肥槽0.8 m，2#楼护坡桩桩径0.8 m（图3），可施工的最大水平间距仅为：13.5-0.8×3=11.1 m，基坑开挖深度14.0 m，目前该类型基坑的设计关键点是控制基坑位移［9-10］变形，常规设计方案是内支撑、地下连续墙、双排桩。由于基坑长约58 m，宽约54 m，呈“L”型，内支撑方案施工工期长、后续土方作业困难、造价高，大量混凝土构件无法重复使用，工程材料浪费大，因而首先被排除。地下连续墙施工需要大型机械设备，本工程位于居民区，周边道路狭窄，施工所需大型机械无法进场，因而现场实际情况否决了地下连续墙方案。双排桩方案本质上就是悬臂桩原理，加上锚杆控制边坡变形，从而实现基坑安全，由于两楼间的水平间距限制，锚杆全部位于滑裂面以内，为了控制边坡的变形，确保基坑、周边建筑物［11］及邻近通行道路的安全稳定，必须施工长锚杆，因此双排桩无实施可能。

2.2设计方案

针对本工程实际情况，常规设计方案无法实施，因此需创新支护方式，该部位基坑创新采用“预应力短锚杆”设计方案，即将常规长锚杆拆分成短锚杆，通过增加锚杆布设密度，起到改良基坑边坡桩后岩土体，并提高其整体性的作用，限制基坑变形，从而保证基坑安全稳定。

护坡桩桩径φ1000 mm，桩长19.5 m，桩间距2.0 m，嵌固深度5.5 m，钢筋笼配筋为17根Φ22 mm，加强筋为φ14 mm@2000 mm，螺旋筋为φ6.5 mm@ 200 mm。连梁1000 mm×600 mm，主筋为6根Φ22 mm 4根Φ14 mm（角点为4根Φ22 mm），箍筋为φ6.5 mm@200 mm，桩身混凝土强度等级为C25。护坡桩采用人工挖孔桩工艺，人工护壁厚度为100 mm，护壁强度等级为C20，混凝土内配φ6.5间距300 mm盘条。

由于原2#楼导致无法施工长锚杆，最终采用预应力短锚杆，即采用短锚杆加密代替常规的锚杆，如图3所示。布置四道锚杆，锚杆从上至下距离自然地面3.0、5.0、7.0和10.0 m，一桩一锚，自由段长度均为5 m，孔径均为150 mm，锚杆入射角均为10°。前三道锚杆采用2根1860 MPa直径15.2 mm的钢绞线，第四道锚杆采用3根；锚杆锁定荷载从上至下，依次为：100、150、200和350 kN。前三道锚杆腰梁采用双拼22 b工字钢，第四道采用双拼25 b工字钢。

3　预应力短锚杆基坑变形监测分析

对已有2#楼布置6个楼座沉降观测点，边坡中间位置布置一组水平位移、沉降观测点及一个深层土体位移观测点，从上至下每层锚杆均布置一个锚杆轴力监测点，位置如图2。

3.1边坡沉降观测分析

本工程位于北京二环以内，土方开挖速度较慢，再加上甲方原因，工程进度一直缓慢。该基坑马道位于东南角，即预应力短锚杆支护段的南头，由于马道土方的支撑，反映到图4上就是2014年8月6日至2015年1月6日沉降量基本小于1 mm；2015年1月6日至2015年3月6日由于春节期间暂停施工，沉降变形趋缓，反映到到图4上就是一条近似“斜线”；2015年4月随着马道收口，沉降量迅速上升；2015年6月～2015年8月底板混凝土浇注完毕，沉降量随后稳定。

图4　沉降时间—位移曲线图Figure4　Settlement time-displacements curve

3.2水平位移观测分析

随着基坑开挖的进行，坡顶水平位移前期有显著增长趋势，但是由于马道土方的支撑和预应力短锚杆的拉力作用，坡顶水平位移基本保持不变，2015年4月随着马道收口，马道口处锚杆陆续施工，基坑到底，基坑水平位移迅速增长，但是基坑边坡的整体水平位移量没有超过5 mm（图5），说明预应力短锚杆可以有效控制边坡内力，从而控制边坡变形。

3.3东侧2#楼沉降观测分析

图5　坡顶水平位移—时间曲线图Figure5　Slope top horizontal displacements-time curve

随着基坑开挖，周边已有2#楼周边各个观测点的沉降量呈现振荡趋势（图6）。从数据上来看：2#楼沉降基本稳定，同时施工过程中周边居民没有反映有异常情况；原2#楼基底高程与本次基坑底面高差仅为3.5 m，所以本次基坑开挖对原2#楼的沉降变形影响不大。

3.4锚杆轴力观测分析

通过图7，可以发现第一层预应力短锚杆轴力随时间增长，第二层、第三层预应力短锚杆缓慢增长，第四层常规锚杆后期被破坏，故第四层常规锚杆后期图形不全；四层锚杆轴力初始监测数据均远小于锁定荷载［12］。导致这一现象的可能原因：①锚杆张拉锁定未按操作规程施工，锚杆张拉达到锁定力就开始锁定，未按设计要求进行“稳定”；②锚杆锁定后，预应力回弹损失；③锚杆监测所用的轴力计设备没有国家统一生产标准，都是由各个厂家制订企业标准，设备本身可能有失准。施工现场，没有用张拉锁定设备与监测所用轴力计进行互校，也没有对锁定后轴力衰减情况进行实时监测，这是本工程监测过程中的不足，因而无法确切分析监测数据小于锁定荷载的原因，但是从监测图形上，反映出锚杆轴力缓慢变化，处于稳定状态。

图6　周边楼座沉降—时间曲线图Figure6　Surrounding building settlements-time curves

图7　锚杆轴力时间曲线图Figure7　Anchor rod shaft-loads-time curve

3.5深层土体位移观测分析

为了真实反映护坡桩之绕曲状况及地层深部位移情况，本工程采用绑扎方法将测斜管埋设于基坑中间护坡桩内，测斜管使用PVC塑料管，直径90 mm，管内预设两组相互垂直的纵向导槽，使用测斜仪探头每米监测一次位移量（图8）。测斜仪的系统精度0.1 mm/m，分辨率0.02 mm/500 mm。

图8　深层土体位移—深度曲线图Figure8　Deep soil body displacements-depth curve

从图8可以看出，变形整体上呈现悬臂桩倾斜特征［13］，变形随时间整体上呈现“阶梯状”的增长规律［14］。

4　结论

基坑经历雨季、冬季考验，目前基坑已经回填完毕，基坑在土方开挖过程中、维护期内均安全稳定，无安全、质量隐患。本工程实例表明：预应力短锚杆可以成功应用相邻建筑物较近的深基坑，有效降低工程造价，控制边坡位移；护坡桩桩身整体上呈现悬臂桩倾斜特征。本文的不足是没有实时监测锚杆锁定后的轴力变化。

［1］王超，朱勇，张强勇，等.深基坑桩锚支护体系的监测分析与稳定性评价［J］.岩石力学与工程学报，2014，（S1）：2918-2923.

［2］周宸，李旭东，孙愿平.北京某深基坑桩锚支护结构监测及分析［J］.岩土工程技术，2011，25（1）：23-25.

［3］王家伟.季节冻土地区深基坑桩锚支护体系安全性研究［J］.交通科学与工程，2012，28（1）：52-55.

［4］白志华，郭金武，李哲琳，等.桩锚体系在人民日报社报刊综合业务楼超深基坑支护中的应用［J］.施工技术，2014，（6）：24-26.

［5］戴秀珍.深基坑桩锚复合土钉支护结构现场试验研究［J］.路基工程，2008（3）：106-107.

［6］吴文，徐松林，周劲松，等.深基坑桩锚支护结构受力和变形特性研究［J］.岩石力学与工程学报，2001，20（3）：399-402.

［7］王忠胜，宗瑞利，崔继升.高地下水位下的深基坑桩锚支护体系设计与施工［J］.西部探矿工程，2014，26（8）：15-18.

［8］武崇福，李长洪.深基坑桩锚支护结构桩身内力及土压力试验研究［J］.施工技术，2012，41（24）：4-7.

［9］官少龙，杜艳艳，蔡新森，等.深基坑桩锚支护体系变形特性研究［J］.路基工程，2015，（4）：139-143.

［10］杨校辉，朱彦鹏，郭楠，等.地铁车站深基坑桩锚支护结构内力试验研究［J］.岩土力学，2014，35（S2）.

［11］易领兵，杜明芳，苏冬霞，等.有限元模拟桩锚支护对邻近地铁的影响［J］.建筑工程技术与设计，2015.

［12］巩玉志，武换娥，袁志国.深基坑桩锚支护结构锚索轴力监测分析［J］.探矿工程：岩土钻掘工程，2012，39（10）：66-68.

［13］曹友杰，贾述望，肖光庆.郑州郑东新区某深基坑桩锚支护施工与监测［J］.探矿工程：岩土钻掘工程，2012，39（1）：53-56.

［14］来庆专，吴瑞刚，陈磊，等.深基坑桩锚支护下桩后土体深部水平位移的研究分析［J］.四川理工学院学报：自然科学版，2015，28（2）：57-62.

Application of Prestressed Short Anchor Rod in Deep Foundation Pit Engineering

Li Xianjun1，Zhang Xiaoming2and Zeng Haibai1
（1.Beijing Aerospace Geotechnical Engineering Institute Co.Ltd.，Beijing 100070；2.Beijing G&M Engineering Construction Co.Ltd.，Beijing 100093）

A project inside the 2nd Ring Road，Beijing is close neighboring an existed residential building with 17 floors above the ground and 2 floors basement；nearest distance to that building 13.5m，surrounding environment is complex，and excavation depth 14.0m.That building had a foundation pit with depth 10.5m，excavated in 2005 with upper part uncapped soil nailing wall，lower part cantilever pile retaining.The nodus to use conventional foundation pit support design is building span too small caused prestressed an⁃chor rod insufficient length.This project design has splitting up conventional anchor rod into prestressed short anchors，increasing an⁃chor rod layout density；improving foundation pit hinder rock-soil body，intensifying its integrity，to limit foundation pit deformation. During the construction carried out monitoring on slope top horizontal displacement，settlement，surrounding buildings settlement，an⁃chor rod shaft-load，deep soil body displacement respectively.The monitoring data has shown that slope supporting piles present canti⁃lever pile tilting，maximum horizontal displacement not exceeding 5mm，anchor rod shaft-load less than locking load；other data are all normal.Finally，the foundation pit successfully implemented，and already back filled at present.The project can be a reference for simi⁃lar projects.

deep foundation pit support；short anchor rod；deformation monitoring；displacement

TU473.2

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.10.12

1674-1803（2016）10-0053-05

李贤军（1979—），男，硕士，高级工程师，注册岩土工程师，一级建造师，从事岩土工程设计，施工工作。

2016-03-28

责任编辑：樊小舟