大角度锚索在复杂条件基坑中的应用

刘 琦

（辽宁省建筑设计研究院岩土工程有限责任公司，辽宁 沈阳 110005）

1 概述

在上覆深厚填土，下卧花岗片麻岩的典型“上软下硬二元地层”地区，当基坑临近桩基础的既有建筑物时，采用大角度锚索将锚索锚固段进入到桩基础桩端以下的稳定岩层中，既可以避免采用内支撑方案对地下结构施工的影响，又可以减小锚索对周边桩基础的影响。本文通过介绍大角度锚索的方案，旨在总结该方案支护结构及周边环境的变形规律，以提出相关注意事项供工程技术人员参考。

2 工程概况

某工程位于抚顺市城东新区，场区所处地貌单元为河流冲积阶地。

拟建26#～28#高层建筑，采用框剪结构，筏板基础，地上34 层，大底盘地下室为地下2 层。场区整平地面标高为88.80m，基础底标高为78.20m，开挖深度10.60m，强风化岩层顶标高为77.47～78.93m，基坑底部位于强风化花岗片麻岩层顶±0.73m。基坑南北宽度约54m，东西长约223m，周长554m，占地面积12518m2。

2012年之前场区局部因人工挖砂取土致使大部分区域原始土层缺失,堆积大量回填物且未整平,拟建场区挖砂后未及时回填而形成一水塘，2014 年前后，因45#～47#楼建设的需要，对本场区进行了回填。

本文主要针对支护难度较大的南侧ABC段基坑进行论述。

ABC 段基坑外侧临近建筑物：拟建高层地下室外墙与南侧围挡距离为3.1m，地下室外墙与45#楼的距离为11.0m，与46#楼外墙的距离约9.0m，45#～47#楼场地回填土层底标高为78.16～81.96m，回填土厚度为6.84～10.64m。45#～47#楼为框架剪力墙结构，地上6 层，设1层半地下室，地下室埋深约2.2～2.5m，桩基础（螺旋钻孔压灌混凝土桩，桩径为400mm）单桩竖向承载力特征值为450kN，采用2～4 桩承台，桩端进入持力层强风化岩0.8～1.0m。

ABC 段基坑外侧临近管线：拟建高层地下室与45#～47#楼之间埋藏众多管线，管线主要分布于45#～47#楼外墙以北6.5m 范围内。管线有供电、通讯、自来水、供暖、燃气、雨水、污水管线，最靠近基坑边的为供暖管线。基坑平面图见图1。

图1 基坑平面图

3 工程地质条件

3.1 水文条件

场内地下水埋藏类型为第四系松散层孔隙潜水，局部具承压性，地下水主要含水层为砂土和圆砾层，相对隔水层为粉质粘土及淤泥质土层，天然条件下其补给源主要为大气降水及河流侧向补给，排泄以蒸发和地下径流为主，水位有季节性变化，年变化幅度为1.50m 左右，地下水抗浮设防水位标高为85.30m。表1为各土层的渗透系数经验值。

表1 各层土的渗透系数经验值

3.2 地层条件

2012 年年初对拟建场地进行勘察，勘察钻孔深度范围内揭露地层主要为杂填土层与第四系全新统冲洪积层，基底由太古界花岗片麻岩组成，各岩土层工程地质特征分述如下：

①杂填土层：场区因人工挖砂致使大部分区域原始地基土被剥离，地表广泛分布杂填土层，其呈杂色或黄褐色，主要成分为砂土、碎石、碎砖、粘性土、灰渣及建筑垃圾等组成，局部层底为扰动淤泥质土、砂土，欠固结，松散，稍湿—饱和。层底埋深0.80～10.50m，层厚0.80～10.50m，层底标高78.08～86.01m。

①1素填土层：该层分布不连续。黄褐色，主要成分为砂土、粘性土、碎石组成。松散，稍湿—饱和。层底埋深1.50～7.10m，层厚1.50～7.10m，层底标高80.97～82.34m。

①2冰水层：该层分布在场区北侧26#～28#地下室和46#、47#楼处的水塘之中，冰水层厚度0.60～3.70m，水底标高81.12～85.18m。

②淤泥质土层：该层分布不连续。灰褐色或灰黑色，团粒结构，层状构造，无摇震反应，干强度低，韧性低，切面略有光泽，具腥臭味，流塑，很湿，夹砂土薄层。层底埋深为3.00～6.80m，层厚0.50～3.10m，层底标高80.70～84.41m。

②1粉质粘土层：该层分布不连续。黄褐色，局部灰绿色，局部夹有粉土或砂土薄层。软塑，稍湿—湿。层底埋深为2.00～5.50m，层厚0.60～1.30m，层底标高83.44～85.32m。

③粗砂层：该层分布较连续。黄褐色，局部灰褐色，混有少量砾石，局部夹中细砂或淤泥质土薄层。湿—饱和，松散，局部与粘性土或圆砾互层。层底埋深为2.30～9.20m，层厚0.50～6.20m，层底标高78.21～83.63m。

④圆砾层：该层在场区内分布较连续，局部因人工取土已尖灭。砾石一般粒径2～20mm，最大粒径40～80mm，充填中粗砂，密实状态多变，各亚层形状不再赘述。

⑤构造破碎带：灰白色，局部灰绿色，主要成分为构造蚀变次生矿物及构造岩屑，充填断层泥，构造岩屑原岩成分为花岗片麻岩。

⑥1花岗片麻岩（强风化）：该层为场区基底岩石层。黄褐色，局部灰绿色，软岩，岩体破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

⑥2花岗片麻岩（中等风化）：灰色或灰绿色，中等风化，节理裂隙较发育，较软岩，岩体较破碎，岩体基本质量等级为Ⅳ级。

ABC段基坑外侧典型地质剖面参见图2，相应地基土(岩)层物理力学指标参见表2。

表2 地基土(岩)层物理力学指标统计表

图2 典型地质剖面图

2014年，因45#～47#楼建设的需要，对场区原水塘、低洼进行回填。回填后场地的平均标高均在89.00m左右，形成上部为深厚填土的地层分布情况。

4 支护选型及降水设计

本文仅针对支护难度较大的南侧ABC段进行论述。

支护方案：鉴于复杂、不利的地质条件、周边环境，南侧必须垂直支护，需要采用支护桩，支护桩需要嵌岩，并保证3.0m 以上的嵌固深度。考虑到北侧基坑放坡，则南北两侧难以形成连续贯通的水平内支撑体系。如采用斜支撑，则斜撑需要穿越顶板、地下室侧墙，地下结构留置洞口太多；且基坑肥槽工作面狭窄，较大截面的混凝土围檩难以实现。故不建议采用内支撑、斜撑的方案。同时考虑现场平面尺寸，也不具备双排桩施工条件，故考虑采用单排桩+锚索支护方案。

支护桩可有三种选择：第一种螺杆桩，该设备功率较长螺旋大，钻进过程基本不返土，可进入强风化岩，完成600mm直径的支护桩；第二种旋挖桩，该设备预计需要280型以上，钻进过程采用钢护筒或泥浆护壁，可进入强风化岩，完成600～1000mm支护桩；第三种冲击成孔，适用地层广，速度慢。

南侧锚索可采用如下方案：第一种，通过躲避45#～47#楼桩基础的方式，施工倾角为10°～20°的普通锚索；第二种，采用大角度锚索，锚固段达到45#～47#楼桩基础桩端以下。由于45#～47#楼回填土质量无法评判、回填土类多种、而且存在原有水塘底层淤泥，众多不确定性及考虑到锚索躲避45#～47#楼工程桩的难度，故决定采用第二种锚索方案。

最终确定支护方案确定为：单排桩+锚索支护。经计算：支护桩采用∅800@1300，设2～3 排45°角锚索，腰梁采用钢筋混凝土结构，与支护桩植筋相连。支护方案详见图3、图4。

图3 AB段支护设计剖面图（单位：mm）

图4 BC段支护设计剖面图（单位：mm）

降水方案：大口井降水+明排+盲沟。降水井布置于支护桩的外侧（基坑外侧降水）。盲沟纵横网格状布置于地下室大底板范围内，将水导向坑内集水井。盲沟内填充大粒径碎石。支护结构下部1.0m 左右不喷护，支护桩部位采用桩身插筋塞砂草袋进行反滤及排水，放坡部位采用堆码砂袋进行反滤及排水，具体方案视工作面宽度而定。坑内底板范围内的降水井施工过程中注意做好封井防水措施。

为保证基坑施工及使用期间安全，本工程采用动态设计法，信息化施工。

5 支护桩施工设备

根据调查，抚顺当地最大功率的长螺旋钻机该场地可进入强风化岩1.2m；根据本工程场地的施工经验带合金钻头的普通长螺旋钻机可进入强风化岩0.8m；螺杆桩施工800mm直径支护桩难度较大。综合考虑施工机械的实用性及生产能力，最终采用旋挖钻机进行支护桩的成孔施工。现场实际先后采用了山河260 型旋挖钻机及徐工280型旋挖钻机，根据施工情况，本工程采用280型旋挖钻机更适合。

6 锚索施工设备

不具透气性且抗风能力差的地层采用高压气动的施工机械进行锚索或土钉成孔时，会使孔周边土体产生很大的塑性区，即扰动影响比较大[1]。为保证基坑周边建筑物及管线的正常使用，本工程设计方案要求锚索不得采用风压钻机成孔，应采用液压顶驱钻机或带合金钻头的回转钻机成孔，钻进过程应采用套管跟进。根据现场实际情况，结合本工程的特点，选用安曼HDL-180C 型顶驱钻机施工，该类型钻机采用顶驱钻机，避免了高压气动对土体的塑性破坏。在施工过程中，该钻机的日进尺约为100m。

7 基坑监测

本基坑工程ABC 段安全等级为一级，对基坑的桩顶水平位移、地面沉降、建筑物沉降、周边管线沉降、锚索内力等进行了监测，监测平面图详见图5。

图5 基坑监测点平面图

本工程于2020 年9 月开始基坑支护桩的施工，并于2020年11月中旬完成南侧支护桩的施工，2020年12月4日开始挖土方至第一排锚索标高。受新冠疫情等影响，项目施工进展缓慢。2021 年3 月24 日开始挖土并陆续开始第一排锚索施工，2021 年6 月10 日第一排锚索张拉、锁定；2021 年6 月14 日施工第二排锚索，2021 年7 月23 日第二排锚索张拉锁定；然后陆续施工第三道锚索，大约于2021 年8 月30 日完成了第三排锚索的施工、张拉及锁定。截至2022年3月7日，本项目尚在进行地下室主体的施工，南侧局部区段基坑已回填。桩顶水平位移、地面沉降、建筑物沉降及周边管线沉降的监测数据（累计值）详见表3～表6。

表3 基坑ABC段桩顶累计水平位移一览表

表4 基坑ABC段地面累计沉降一览表

表5 基坑ABC段临近建筑物累计沉降一览表

表6 基坑ABC段临近管线累计沉降一览表

基坑ABC段支护桩的水平位移主要发生在基坑开挖至第一排锚索标高的阶段（图6），分析原因为：2020年12月～2021年3月，锚索尚未施工，支护桩上部悬臂段土压力较大，且经历冬季，基坑侧壁受冻胀力影响较大；该阶段的变形量约占到累计总变形量的50%～70%。第二、三排锚索施工阶段，桩顶水平变形的增量较小。但在2022年11月～2022年3月，基坑第二次越冬，期间桩顶变形量均大于锚索施工各阶段累计的变形量。根据分析，可知：基坑在越冬期间，支护桩悬臂高度及冻胀力对支护桩顶的水平变形影响最大。

基坑ABC 段地面沉降主要发生在两个阶段，第一阶段为2021 年3 月之前，该阶段的沉降变形量约占到累计总变形量的60%。第二阶段为2021年3～8月，沉降量约占到累计总变形量的40%。基坑第二次越冬期间，地面沉降或隆起量较小，可不予考虑。根据经验，第一阶段的沉降主要是因为基坑采用上部放坡+下部桩锚支护的方案对地面沉降影响较大；第二阶段主要是施工工艺（比如震动等）及支护结构受力变形所造成的地面沉降。见图7。

基坑ABC 段建筑物沉降主要发生在2021 年3～8月（图8），该阶段的沉降变形量约占到累计总变形量的50%～70%。即：桩基础的沉降一直伴随着锚索的施工持续发展，直至锚索施工完毕，沉降变形方才收敛、稳定。由于建筑物采用的是桩基础，与基坑的最小距离为6.2m，支护结构的变形对建筑物的沉降影响较小。根据经验分析，建筑物沉降的主要原因应是锚索施工时的震动影响，受基坑开挖支护过程产生的变形的影响较小。

基坑与临近建筑物之间的地下管线，沉降主要是发生在2021年3月23日～5月13日（图9），即第一层锚索施工阶段。有个别监测点沉降过大，但经监测发现后期沉降都基本稳定。该阶段沉降较大的原因主要是锚杆施工时的震动，造成松散的杂填土产生了竖向变形。第二排、第三排锚索施工时，由于锚索角度较大，震动对上部管线的影响明显减弱。

图9 基坑ABC段管线沉降时程曲线

结合基坑周边建筑物的沉降、管线的沉降，发现支护桩顶部的水平位移一直处于较小的状态，尤其是锚索施工期间，桩顶水平变形增量不大于10mm。可以推测，锚索采用顶驱钻机成孔的工艺对桩顶的水平变形影响不大。

8 结论

（1）在上覆填土，下卧基岩的典型“上软下硬”二元地层地区，基坑临近采用桩基础的既有建筑物时，采用大角度锚索并将锚索锚固段设置在桩基础桩端以下的稳定岩层中，既可以避免采用内支撑方案对地下结构施工的影响，又可以减小锚索对桩基础的影响。大角度锚索方案具有适用性、可靠性，可为类似工程借鉴参考。

（2）对于上述地层的地区，确定合理的施工方案及选择合理的施工设备都十分重要。基坑外侧存在重要建筑物时，为避免高压气荷载的影响，锚索的施工设备不宜采用风压成孔的钻机，而应采用液压顶驱钻机或带合金钻头的回转钻机成孔。从基坑变形监测数据规律可知，顶驱锚杆钻机施工时的震动亦会对临近采用桩基础的建筑物产生影响，而且桩基础的沉降一直伴随着锚索的施工持续发展，直至锚索施工完毕，沉降变形方才收敛、稳定，但桩基础的累计沉降值基本都处于可控范围；浅层锚索施工时的震动对上部管线的影响较大，随着一排排锚杆标高的降低，底层锚索施工时的震动对上部管线的影响明显减弱。采用顶驱钻机进行锚索成孔时，对桩顶的水平变形影响不大，但应注意对周边建筑物的沉降、管线的沉降的监测。

（3）越冬期间的基坑，受冻胀力的影响，桩顶的水平位移较大。建议越冬的基坑，尽量减小支护桩悬臂段高度，以控制桩顶的水平变形。

（4）采用放坡+桩锚支护的方案，上部放坡段的稳定性及沉降控制同样重要；放坡段较高时，可适当采用放缓坡度、土钉墙、注浆加固等方式对上部土体进行处理，以免地面发生过大沉降。