某深基坑桩锚结合支护结构方案设计与实践

2022-01-24鞠秀虹

国防交通工程与技术 2022年1期

鞠秀虹

(中铁十八局集团北京工程有限公司,北京 100162)

1 工程概况

北京市门头沟地区某土建工程项目位于门头沟区龙泉镇，葡萄嘴向北800 m。施工项目的水文地质条件如下：水位量测钻孔内，距离地面12.5 m深度范围内未探测到地下水，同时根据相关文献资料，该区域地表以下水位30～150 m，且地下水位埋深由南向北逐渐加大。深基坑区域的地质条件复杂、包含多种复杂土层：含回填垃圾的杂填土、粒径为5～6 cm碎石土和卵石土、含砂子的粉粘土和软基岩等。

由于该基坑深度大，达到了13.9 m，基坑区域的杂填土中含有回填垃圾(成分复杂)，粘土和卵石土层中混有较大比例的砂，软岩风化程度不均，因此，同一土层的的粘聚力和内摩擦角等参数的试验测试值差别较大。综上，该深基坑施工的危险性较大，需要科学设计支护和监测方案，确保施工安全。

2 基坑支护方案设计

2.1 支护方案比选

基坑支护的形式需要综合考虑拟建场区的周边环境、地下水位的高度、基坑深度、土质条件、工程造价、工期等诸多因素，科学选择并进行计算。

由于基坑深度大(深度接近14 m)，所以从受力方面分析，需要采用抗弯刚度(EI)较大的支护结构件，如大直径钢管桩、钢筋混凝土防护桩等作为支护主体。如果采用大直径的钢管桩支护，钢管桩还可以回收再利用，可以大大降低工程造价；但是根据地质资料，基坑区域土层中的卵石层、碎石层和软基岩的阻力较大，不适宜钢管桩的打入作业。经过现场对直径630 mm、壁厚10 mm的钢管桩试打作业，虽然采用了65 kN的重锤，依然无法将钢管桩打入到坑底以下位置。基于以上实际情况，考虑地下水埋深大的特点，最终决定采用钢筋混凝土钻孔灌注桩结合锚索作为支护主体：一方面钻孔灌注桩截面模量大，且钻孔灌注工艺非常成熟；另一方面采用锚索结构不侵占基坑的空间，便于基坑的开挖和工程结构的施工作业。施工的难点是锚索长度的确定和布置，必须保证锚索安全有效[1-2]。

2.2 支护方案设计

根据前面的分析，经过试算，13.9 m深基坑的桩锚支护具体方案如下：①防护桩结构。采用长度19 m、直径800 mm、间距1 600 mm的C30钢筋混凝土钻孔灌注桩。②锚索体系。锚索轴线与水平面的夹角为15°，锚索水平间距1 600 mm，第1、2道锚索采用3根标准钢绞线(1860级7Φ5)钢绞线，第3道锚索采用4根标准钢绞线(1860级7Φ5)，根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB50086-2015)对锚索长度的规定，最终确定了锚索自由长度和锚固段长度的数值。③腰梁结构。为了安装锚索，采用双拼28b工字钢作为腰梁，锚索(锚固在腰梁上)锚位于桩间空隙。基坑锚索布置如图1所示。

图1 基坑支护立面(单位：m)

此外，虽然地下水位在30 m以下，但是雨季施工需要考虑降水的影响，尤其是遇到大雨，雨水下渗，会在桩间渗透流入基坑，且有可能引起桩间岩土坍塌，为此基坑支护的钢筋混凝土防护桩间隙设置挂网、喷射混凝土作业，以保证雨季施工的安全。

3 支护主体结构计算

3.1 施工过程与计算工况

防护桩的计算与施工过程密切相关，因此首先需要明确施工流程：①施工钻孔灌注桩。钻孔灌注桩采用钻机进行钻孔作业，由于地下水位在地下30 m以下深度，所以无须泥浆护壁，干作业成孔即可。此外，为了降低钻孔对相邻刚浇筑的桩基产生扰动，钻孔桩施工采用隔桩施工的方法，切不可逐桩顺序施工。②基坑开挖作业。基坑逐层开挖，开挖过程中，及时在桩间挂网、喷混凝土作业。③第1层锚索体系施工。开挖到锚索位置下0.5 m处(开挖到4.5 m深度)，进行第1层腰梁和锚索施工，待第1层锚索的锚固段混凝土达到设计强度，即可张拉预应力，单束锚索的拉力锁定值为335 kN。④第2、3层锚索体系施工。继续开挖直到相应的2、3层腰梁位置以下0.5 m位置，进行第2、3层锚索体系的施工，单束锚索的预拉力锁定值分别为375 kN和420 kN。⑤开挖至坑底(深度13.9 m位置)。

根据以上施工过程，对应的施工工况一共有七个：①开挖到4.5 m深度，未设置第1层锚索体系。②开挖深度(4.5 m)不变，施工4 m深度的第1层腰梁、锚索，并完成预拉力锁定。③开挖至深度8.5 m深度，尚未设置第2层锚索体系。④开挖深度(8.5 m)不变，施工8 m深度的第2层腰梁、锚索，并完成预拉力锁定。⑤开挖至深度11.5 m位置，尚未设置第3层锚索体系。⑥开挖深度(11.5 m)不变，施工11 m深度的第3层腰梁、锚索，并完成预拉力锁定。⑦继续开挖至坑底13.9 m深度位置。

3.2 防护桩计算

防护桩的计算采用理正深基坑7.0进行计算，计算方法采用单元法，钢筋混凝土防护桩采用梁单元计算。单根防护桩所受荷载包括：①坑外一侧的土侧压力。土石侧压力软件可以根据土层的重度、粘聚力和内摩擦角自行计算，无须手工计算。②附加荷载。即距离坑边1.5 m以外的临时堆载、运输弃土车辆荷载，根据现场车辆情况，附加荷载采用40 kPa计算。

钢筋混凝土防护桩的边界条件如下：①坑内侧弹性支撑。基坑坑底标高以下土层，土对桩的约束采用弹性约束，弹簧的刚度软件会根据土层参数按照m法自动计算，基岩埋深11.5 m位置的土各层参数如表1所示。②锚索对桩的弹性约束。锚索通过腰梁对单桩产生弹性约束，其刚度效应理正软件可以根据输入的锚索材料、长度、间距自动计算，并将弹性刚度分配给单桩，其中各层预应力锚索的预拉力锁定值可在理正软件中直接输入。

表1 土层参数

计算工况方面，软件可以设定每次超挖0.5 m，自动生成7个工况；根据经验，一般都是开挖到坑底工况七的计算结果最不利，但是也不排除中间工况的计算结果控制设计的个例。因此，为了准确反映整个施工过程中防护桩的受力和变形，防护桩7个工况的计算结果包络图如图2所示。

从图2可以看出：直径800 mm的钻孔灌注桩的最大弯矩计算结果为314.99 kN·m。根据北京市地方标准《建筑基坑支护技术规程》(DB11/489-2016)，应该按照极限状态法对桩进行配筋设计和计算，因此该弯矩需要考虑1.25的荷载安全分项系数，同时考虑一级基坑重要性系数1.1，得到防护桩的弯矩设计值为Mmax=433.1 kN·m。防护桩的配筋：纵向竖筋采用12根∅22 mm的HRB400钢筋，保护层为5 cm。对于圆形的钢筋混凝土防护桩，其抗弯承载能力计算如下：

图2 钢筋混凝土防护桩计算结果

式中：Mu为单桩承载弯矩(kN·m)；fc为混凝土抗压强度设计值(MPa)；A为防护桩截面积(mm2)；r为防护桩的半径(mm)；fy为防护桩钢筋抗拉强度设计值(MPa)；As为受拉纵向钢筋的面积(mm2)；rs为受拉钢筋的形心半径(mm)；α为受压区混凝土截面积的圆心角(rad)与2π的比值；αt为纵向受拉钢筋截面积与全部纵向钢筋截面积的比值，αt=1.25-2α。

计算得到的结果为：Mu=570.5 kN·m>Mmax=433.1 kN·m，抗弯承载力满足要求，且有一定的安全储备；防护桩的抗剪一般不控制设计，因此无须进行抗剪计算。

刚度方面，同样参照北京市地方标准《建筑基坑支护技术规程》之规定，无特殊要求时，对于一级基坑，支护结构的最大水平位移应小于0.002h(h为基坑深度)，显然图2中计算得到桩的最大水平位移值14.21 mm<0.002×13 900 mm=27.81 mm，满足北京地方规范的要求。综上，防护桩的强度和变形均满足要求。

4 支护结构稳定性和地表沉降计算

该基坑在开挖到坑底时，基坑的整体稳定性控制设计，在基坑外侧土体侧压力(包括附加荷载)作用下，土体可能会绕过防护桩底部产生一个滑移面，支护结构有沿滑动面产生滑动失稳的风险，需进行滑动稳定计算。采用瑞典分条法计算，分条宽度0.5 m，计算结果如图3所示。

图3 支护结构稳定计算(单位：m)

图3中，滑裂面数据如下：滑动圆弧半径R=17.277 m；圆心坐标x=-8.837 m，y=9.240 m；计算得到的整体稳定安全系数2.236>1.2，满足要求。

为了确保基坑以及周边道路(最近的道路路缘石距离基坑边8.5 m)的安全，需要控制基坑周边的地表沉降量。根据经验和业主要求，距离坑边8.5 m道路边缘的地表沉降值不得超过基坑5 mm，理正软件计算得到的基坑周边沉降如图4所示。

图4 基坑周边地表沉降

从图4可以看出，基坑周边8.5 m位置(既有道路)的地表沉降，按照三角形法、指数法和抛物线法三种不同方法计算，得到的地表最大沉降值为2.3 mm，小于施工限值5 mm，因此基坑的支护方案引起的周边沉降满足要求。

5 基坑支护计算结果校验

为保证基坑支护施工过程的安全，必须做好施工过程的监测工作。虽然支护结构经过计算满足要求，但是由于岩土参数具有很大不确定性，例如：土层内摩擦角、粘聚力参数取值的准确性；降雨引起土壤含水量增加，会导致锚索的摩阻力变小，也会引起岩土的岩土参数(重度、内摩擦角、粘聚力)改变等，基坑施工仍然存在潜在的风险，施工监测是对基坑工程施工过程的监督和成果检验。

该深基坑监测项目有以下三项：①支护结构水平位移监测。采用国产CX-06A型测斜仪，固定在防护桩的钢筋笼上，可将测量的角度数据换算成水平位移。②地表沉降监测。采用精密水准仪沿基坑边每10m设一观测点，如果地面测点在车道上，则必须对测点设置保护措施。③锚索轴力监测。采用MSJ-201型振弦式应变计对锚索轴力量测。主要的监测结果与计算结果(锚索拉力的计算值即为锚索张拉锁定值)对比如表2所示。