桩锚结构在基坑支护中的应用研究

盛 利

（湖南化工地质工程勘察院有限责任公司，湖南 长沙 410004）

0 引言

1 工程概况

拟建的长沙市内某基坑支护工程，位于湖南省长沙市雨花区桂花路与东二环线交汇处西北角，高桥大市场西侧，交通便利。基坑支护进场前，已进行场地内的遗留建筑物拆除，和部分的场地平整，所以场地内高差小，整体相对平整。项目由2栋住宅楼、1 栋商业办公综合楼、2～3 层裙楼组成，住宅为地上45 层；商业办公综合楼地上34 层，地下3 层，建筑基础拟采用桩基础，基坑深度为12.0～13.5m。

此基坑支护工程周边环境较复杂，场地西邻京广铁路，用地红线距京广线最近距离约16.50m；且每日经过的列车数量多；北侧为现状建筑（6～7F），用地红线距离建筑最近约17.6m；为20 年外的老旧市场综合小区，小区内1F 为对外经营商铺及小型加工厂，2F 以上为住宅；场地东侧临近二环线-长沙大道匝道，用地红线距匝道边线最近距离约14.00m，为长沙市内的主要环城交通要道；南侧临近长沙大道的高架路段，用地红线距离长沙大道边线最近距离约13.00m，长沙大道与二环线内相交叉的高架路段下有市民的休闲健身公园及一些城市管理单位临时场所，人员相对密集。

基坑开挖前场地平坦，根据地勘报告地层有：杂填土（Q4ml），回填年限20年以上，层厚0.50～4.30m，平均厚度：2.30m，层底标高为33.21～35.99m。粉质黏土（Q3al+pl）层厚1.30～5.20m，平均厚度：3.51m，层底标高为29.32～33.93m。粉土（Q3al+pl）层厚0.90～4.50m，平均厚度：2.29m，层底标高为27.81～29.77m。圆砾（Q3al+pl）层厚1.80～3.80m，平均厚度：2.89m，层底标高为25.01～27.00m。残积粉质黏土（Qel）层厚0.20～1.30m，平均厚度：0.54m，层底标高为24.71～26.40m。强风化泥质性粉砂岩（E）层厚1.90～6.40m，平均厚度：3.95m，层底标高为18.80～23.77m。中风化泥质性粉砂岩（E）体比较完整，质量等级属V 类。最大揭露厚度为15.27m。勘察时水量不大，地下水的主要类型还是为留滞水和潜水；上层的留滞水大多存于杂填土中；测得初见水位埋深33.83～36.20m；稳定水位埋深33.33～35.80m。潜水主要在圆砾中；初见水位标高27.71～28.26m 出现；稳定水位27.21～27.76m。地层内圆砾为强透水性地层，渗透系数K=14.53m/d（1.68×10-2cm/sec）。根据试验结果场地内粉土为弱透水性地层，渗透系数K=0.072m/d（8.32×10-5cm/sec）。其余各层均可视为不透水层。

2 基坑支护结构方案设计

2.1 边界条件

此实例的基坑支护工程为临时支护，使用年限为两年，侧壁安全等级为一级，重要系数为1.1，详见表1。

2.2 基坑支护方案的选择

基坑支护工程的地下水控制方式：支护桩和桩间高压旋喷止水帷幕和集水明排。

基坑支护采用桩锚、土钉墙、止水帷幕等支护形式，采用支护形式如表1 所示。

文中所设计的三角函数加速核用Verilog硬件语言实现。使Questa Sim进行仿真测试，并用MATLAB对比硬件和软件计算结果的精度。

表1 基坑支护形式表

3 基坑施工流程

在此基坑支护工程中，从初平整的原地表地面标高34.50m处土方开挖下5.0m 左右出现粉土并逐渐呈现圆砾，含水量丰富，且水质清澈。施工中的绝大部分用水都是从挖槽取用的，同时给支护工程中的支护桩施工带来较大的施工难度。此实例基坑支护工程流程主要可以被分为以下三个施工部分。

第一部分主要是支护桩、止水帷幕和土钉墙的施工。由于基坑内水量丰富，拟采用的旋挖成孔和泥浆护壁施工在进行试桩的时候，护壁情况不好，因在市内，场地受限，泥浆池临时占地不便。施工实际改用支护桩采用的是旋挖桩机成孔和钢护筒护壁，大大节省施工占地和缩短施工周期。场地西侧为京广铁路，施工不能对铁路造成影响，进行一个小放坡的土钉墙，此侧支护桩降至土钉墙下施工。止水帷幕采用的是支护桩桩间止水，桩间的高压旋喷桩和支护桩相结合形成止水帷幕墙。桩间两个旋喷桩，采用钻喷一体旋喷钻机，且不进行分序施工，后期开挖旋喷桩成桩效果明显，达到了止水效果，后期每天渗水的集水明排，只需1～2h，给开挖土方也提供了极大的便利。

第二部分先预应力锚索再冠梁施工，冠梁那排锚索施工和冠梁施工都较为顺利。先进行锚索成孔并放置锚索后进行锚索的注浆，然后再进行冠梁的施工也可与冠梁浇筑前的部分工作交叉施工，预应力锚索在冠梁预留的穿束孔洞后张拉锁定。原设计采用的截面矩形梁，采用角度垫板进行预应力锚索张拉受力，施工方与设计师沟通改用异型梁，取消角度垫板，减少了钢材的消耗，简化一道程序，响应了国家节能减材的号召，且增加了冠梁当排锚索的稳定性。

第三部分主要为后排两道预应力锚索、腰梁和挂网喷锚的施工。在第一阶段的止水帷幕的高压旋喷桩施工中，止水效果较好，未出现支护桩侧壁的渗水现象，给后期挂网喷锚带来便利。

4 桩锚结构在深基坑支护中的应用

4.1 钢护筒旋挖钻孔灌注混凝土桩的施工

钢护筒旋挖钻孔灌注混凝土桩施工流程：测量放线并定位→振动锤沉钢护筒→旋挖桩机就位，旋挖→成孔、清孔并验孔→安放钢筋笼→混凝土灌注→拔钢护筒→成桩检测。

根据测量控制网（点），确定定位每个支护桩桩位中心点。然后以双向十字交叉法控制桩位中心。振动锤振沉钢护筒前必须保证钢护筒的中心点与桩位中心点必须重合。钢护筒采用长10m 的钢护筒保证沉入深度超过护壁部分，插入进岩层风化层。厚度为12mm 卷钢制作，双面坡口焊，焊面规整。钢护筒顶部宽150mm 处进行包边加强处理，防止振动锤夹具的振锤受力变形。护壁钢护筒的直径应大于支护桩直径200mm，保证桩的有效直径。钢护筒沉筒后，旋挖桩机就位，开钻前复核钻头中心点与钢护筒中点以后进行旋挖钻进，桩径偏差≤50mm，垂直度≤0.5%，主筋间距偏差≤10mm，桩的定位偏差不大于50mm。钻进至指定深度，安放钢筋笼前进行清孔和验孔。钢筋笼制作与安放严格按照设计图纸及规范要求。钢筋笼的焊接双面焊≥ 10d，单面焊≥ 5d，焊缝高度≥ 0.3d，焊缝宽度≥ 0.8d，焊缝饱满，同一截面的钢筋接头数≤主筋数的 50%，相邻的焊缝接头相互错开，间距≥500mm 且≥ 35d[1]。根据钢护筒的顶标高提前制作好相应吊筋，再来安放钢筋笼。验收合格的桩孔，安放完钢筋笼后，混凝土浇筑时间≤210min。混凝土浇筑应连贯及均匀，片刻间断，间断浇筑时间也要≤15min，每辆混凝土罐车内的混凝土量应在1h 内浇筑完成。浇筑前，应逐节安装好导管，导管下放于成孔支护桩孔底500mm 处，导管安装完毕后连接好接料“漏斗”。漏斗选用2.0m3保证第一斗混凝土能顺利“沉起”浮渣。灌注材料选用c30 水下商品砼，坍落度控制在180～210mm，利用汽车泵进行浇筑。混凝土浇筑时，成孔的孔底以上5m 内，浇筑下料浇筑速度不能过快，也要注意导管的提升速度，防止钢筋笼的上浮。若出现钢筋笼上浮现象，应立即停止浇筑，重新固定好钢筋笼工作后继续浇筑工作。浇筑完成后，混凝土初凝前应缓缓拔起钢护筒，还要观察混凝土的沉入量，并进行及时的补充。

支护桩的检测：施工完成后，土方开挖前，对临时性支护桩检测总桩数≥20%。当动测法结果，桩身存在严重影响桩身质量的问题时，应对其采用钻芯法进行验证，并应对桩身完整性检测增加数目。

4.2 三重管高压旋喷的施工

三重管高压旋喷施工流程：测量放线并定位→旋喷钻机就位→试喷→ 钻孔至设计标高→由下而上开始注浆旋喷→终孔→旋喷完成。

工艺简介：旋喷钻机钻杆内部三套管道分别输送水、气、水泥浆三种介质的三重管注浆。以高压泥浆泵，螺杆式空压机，泥浆泵产生高压水和压缩空气和水泥浆，通过2～4 层钢丝的高压软管输送至钻机的水接头经过钻杆的三套管道至钻杆底部钻头上部的喷头部分。高压水和压缩空气通过喷头侧面的喷嘴和气嘴喷出，高压水喷射流的周围，包裹着一股圆筒状的气流，此时高压水喷射流和压缩空气同轴喷射冲切土体，并充分旋转拌和，另外水泥浆通过钻杆底部注入浆液填充，钻杆的旋转和提升运动，便形成了圆柱状固结体。

高压旋喷桩工艺参数：

灌浆材料为P·O42.5 普通硅酸盐水泥，泥浆水灰比0.8 ∶1，有效桩径≥900mm；

高压水压力：35～40MPa，水量：70～75 L/ min；

空压机压力：0.60～0.80 MPa，气量：1.5～2.0m3/min；

水泥浆液压强：0.70～1.00 MPa，排量：70～80L/min；

水泥浆比重：1.60g/cm3；

旋转速度：9～11 r·p·m，提升速度：10～15cm/min；

误差要求：水泥浆比重≤0.1，钻孔误差≤50mm，钻孔允许垂直度误差≤1%。

高压旋喷桩应进入不透水层的深度应满足地下水绕过止水帷幕底部的渗透稳定性要求，且不少于1.5m，并采用L ≥0.2Δh-0.5B 进行验算。式中：L 为帷幕进入下卧隔水层的深度（m），Δh为基坑内外的水头差值（m），B 为止水帷幕的厚度（m）。施工完成高压旋喷桩之后，做围井注水实验，确保止水效果，渗透系数应不大于1×10cm/s。高压旋喷桩每米水泥用量满足：

式中：M 为每米水泥用量（kg）；a ∶b 为水灰比，c 为提升速度（cm/min），d 为浆液流速（L/min）[2]。

4.3 预应力锚索施工

预应力锚索的施工流程：锚索制作→检验锚索质量→测量放线确定孔位→钻机就位并复测孔位和角度→钻机成孔→安放锚索→第1次注浆→第2次注浆→养护→安装锚具→张拉锁定→封孔。经过以上施工流程锚索与冠梁、腰梁以及支护桩组合成共同的承载体系，减小基坑内土体开挖期间基坑侧壁外土体发生的沉降和水平位移，确保基坑内的稳定和与其紧邻的建筑物的安全[3]。

施工技术要点：预应力锚索的钢绞线下料长度应为自由段、锚固段及端头长度之和端头预留长度需满足张拉、锚固作业要求。锚索制作时定位支架安装正确，确保每根钢绞线顺直且排列均匀，且各根钢绞线相互分离成束。自由段将钢绞线20mm塑料波纹管套好扎牢，自由段和锚固段都应和设计要求一致。安装前对钢绞线进行外观和质量检查，并除去钢绞线上的铁锈和油污等。钻机就位钻孔前，应采用测量工具控制钻孔角度以确保锚索孔的角度，钻机动力头的轨道倾角的误差≤1°，方位误差≤50mm。钻机钻进孔深达到设计深度时可再钻进一定深度以满足沉渣要求和锚索能顺利安放至指定深度，终孔前对孔内沉渣进行及时清理保证孔壁内圆顺，终孔后及时进行锚索安放，并进行注浆，以避免锚索孔长时间搁置而造成孔壁塌落。向锚索孔内注浆时间应不超过24h。注浆材料采用P·O42.5 普通硅酸盐水泥，第一次注浆灰砂比0.5～1.0，水灰比0.40～0.45，注浆压力0.5～1.0MPa。水泥浆液通过预留的锚索束内注浆管从锚索孔内的底部流出，第一次注浆锚索孔内孔口有浆液溢出即表示锚索孔内注满浆液，可停止注浆。待第一次注浆初凝后将进行第二次注浆，第二次注浆的浆液可以稍浓，采用水灰比0.45～0.55 的水泥净浆，注浆压力2.0～4.0MPa，二次注浆管应在埋设至锚索末端-锚固段长度范围内，注浆压力稳定5～8min，保证浆液充满锚索孔内空隙，即注浆终孔。预应力锚索的张拉锁定：锚索锁定前，应按照锚索轴向拉力设计值（Nak）的1.4 倍进行锚索预张拉，锚索张拉应平缓加载，加载速度比率不宜大于0.1Nak/min；锚索锁定时，锚索拉力应考虑锁定过程当中的预应力损失值，锁住时的拉力值可取锁定值的1.1～1.15 倍。

锚索应采用抗拉试验去检测承载力；注浆后，锚固体的强度达到75%时，应及时进行验收试验，取锚索总数的5%，且不得少于3 根；对于锚索抗拔承载力检测值取轴向拉力标准值的1.4 倍。

5 支护结构及基坑监测

桩锚结构结合桩间止水帷幕高压旋喷的支护体系，既能较好地提高土体的各项物理力学性能，又有效地结合固结土层，且隔绝地下水的侵入，适用于富含地下水区域地层的深基坑开挖。钢护筒护壁的旋挖钻孔桩施工占地方少，工作效率高，施工质量好，相对泥浆护壁的污染小，对周边环境影响也小。加上锚索的加持，极大地提高了支护桩的抗滑、抗剪能力，能垂直开挖深基坑，充分利用土地的使用率，适用于当今社会的发展。

基坑监测：支护桩桩顶冠梁完成后，基坑坑顶水平和垂直位移监测，在冠梁上每隔20～30 m 设置1 个监测点。当支护结构顶部水平位移累计值超过50mm，变化速率超过 6mm/d 时应报警，当支护结构顶部垂直位移累计值超过 30mm，变化速率超过2.5 mm/d 时应报警，锚索内力监测在锚头接入监控装置，监测点为锚索总数的 3%。当锚索张拉锁定值的累计超过80%f时应报警[4]。在基坑外侧四周每间隔50m 设置一个水位监测点，记录水位的变化情况，地下水水位的累计值1 000mm 或变化速率超过 500mm/d 时应报警。支护体系结构水平位移及垂直沉降，预应力锚索的预应力监测，地下水位的监测，在基坑支护施工阶段，应每日监测一次。基坑开挖完成，可以减少监测次数，直至地下室完成施工且土方回填完毕后即可停止监测工作。监测结果显示水平位移，垂直位移，地下水位监测都变化极微，锚索也未出现报警。证明了此基坑支护体系结构稳定性好、变形小。

6 结论

本深基坑实例中采用的桩锚结构和桩间止水帷幕的支护形式，能有效的保证深基坑的安全及应对基坑周边环境复杂的情况下施工。深基坑支护往往不是单单的某种支护技术，而是利用多种支护施工工艺相结合，同时存在着多种施工工艺相交叉，根据每一种支护施工技术的不同特点和适用范围，在实际应用中根据工程的具体情况合理选用、调整及配合也是深基坑支护应用研究的关键。