桩锚支护体系在基坑工程中的应用

2022-07-18穆海旺张训玉文萌刘静曹磊徐磊

城市地质 2022年2期

穆海旺张训玉文萌刘静曹磊徐磊

摘要：桩锚支护体系是由护坡桩和预应力锚杆组成的基坑支护体系，在基坑工程中有着广泛的应用。以北京某项目为例，通过对地质条件及周边环境的分析，确定了桩锚支护体系的设计方案。在施工期间及后续使用中，持续对水平位移、竖向位移、锚杆轴力进行了监测，确保基坑支护体系处于稳定状态，周边建筑物、地下管线能够正常使用。

关键词：基坑支护;护坡桩锚杆支护;基坑监测

Application of pile anchor support system in foundation pit construction

MU Haiwang， ZHANG Xunyu， WEN Meng， LIU Jing， CAO Lei， XU Lei

（Beijing Institute of Ecological Geology， Beijing 100143， China）

Abstract： Pile anchor support system is a foundation pit support system composed of slope protection pile and prestressed anchor rod， which is widely used in foundation pit engineering. Taking a specific project in Beijing as an example， based on analysis of the geological conditions and surrounding environment， this paper determines the design scheme of pile anchor support system， implements the corresponding construction scheme on site and successfully completes the construction of pile anchor support system. During construction and subsequent use， the horizontal displacement， vertical displacement， axial force of anchor rod and other items are continuously monitored to ensure that the foundation pit support system is in a stable state and the surrounding buildings and underground pipelines function and perform normally.

Keywords： foundation pit support; pile-anchor support; foundation pit monitoring

随着北京城市建设发展的需要，城市用地越来越紧俏，场区周边及地下空间的开发和利用尤为重要（张训玉，2021）。丰台西局公共租赁住房工程基坑外场地狭小，开挖范围内3～4 m以下为圆砾、卵石层，局部夹杂粉质黏土及黏质粉土，场地周边地质条件不具备放坡开挖的条件（张钦喜等，2008），同时工程东侧和北侧存在已有建筑物，需要采用对建筑物影响较小的支护结构。土钉墙支护的施工成本较低，但其在杂填土、卵石地层中施工难度大，变形不易控制，不利于周边建筑物的安全稳定;桩锚支护的施工速度快，虽然成本较土钉墙高，但变形容易控制，对施工道路及周边建筑物影响小。工程设计遵循安全可靠、经济可行、施工高效的原则，选择了支护刚度大而变形较小的桩锚支护体系。通过施工监测及第三方监测，表明了本基坑在结构施工期间以及后续长达5年的使用中，基坑支护体系处于稳定状态，周边建筑物、地下管线正常使用，证明了基坑支护方案设计合理，为桩锚支护体系在深厚卵石层中的应用获取了经验。

1 工程概况

工程项目位于北京市丰台区西三环外，东侧为红木家具城，建筑红线距离结构边线4～5 m;南侧为代征道路，建筑紅线距离结构边线3～4 m;西侧为待施工场地，建筑红线距离结构边线7～8 m;北侧为居民住宅小区，建筑红线距离结构边线8～9 m（图1）。拟建工程由3栋住宅楼、管理用房、门卫室以及地下车库组成，其中住宅楼为地上22～27层，管理用房为地上2层，设3层地下室，埋深为11.25 m;地下车库为地下2层，与住宅楼和管理用房位于同一底板之上。门卫室为地上1层，无地下室。

2 地质条件

2.1 地层条件

根据前期地质资料，基坑开挖范围内地层按成因年代可划分为人工堆积层、新近沉积层、第四纪沉积层（图2）。

1）人工堆积层

①为杂填土：杂色;稍密;以房渣土为主，含砖块、碎石块，局部含水泥路面。

①1为黏质粉土素填土：黄褐色;密实;含砖块、植物根等，局部含粉土素填土。

2）新近沉积层

圆砾②层，细砂、粉砂②1层，砂质粉土②2层及黏质粉土②3。

②为圆砾：杂色;密实;颗粒级配良好，中细砂填充。②1细砂、粉砂层：褐黄色;密实;含云母、石英、长石、圆砾等。②2黏质粉土、砂质粉土层：褐黄色;密实;含云母、氧化铁等。②3粉质黏土、黏质粉土层：褐黄色;可塑;含云母、氧化铁等。

3）第四纪沉积层

卵石、圆砾③层，中砂、细砂③1层及卵石混黏性土③2层;卵石④层，粉质黏土、黏质粉土④1层及重粉质黏土、黏质粉土④2层;卵石⑤层;卵石⑥层。

2.2 水文地质条件

拟建场区赋存单层潜水含水层，岩性为砂卵砾石，渗透性好，水位降深5 m时，单井出水量约5000 m3·d-1（许亮等，2021），稳定水位标高为20.80～21.07 m（埋深为25.00～25.90 m）。地下水动态主要受大气降水影响，每年7—9月丰水期水位开始上升，到2—3月达到最高水位后逐渐下降，至次年6月水位最低，水位年变化幅度为5～6 m。地下水补给来源主要为大气降水入渗和地下水侧向径流补给，主要排泄方式为地下水侧向流出和人工开采（欧志亮等，2022）。

3 基坑支护工程设计

本工程需要穿过卵石层，需要严格控制施工步骤及施工质量，合理地安排好各工序之间的衔接与交叉作业，才能保质保量地完成本项目;考虑到项目的地理位置，施工进出大门只能设置在西南角，场区内仅西侧和北侧可以设置行车道路，外围还有居民区和建筑物，故基坑安全尤为重要。采取刚度大、变形小的桩锚支护结构，能有效降低基坑对道路及周边建筑物的影响。

3.1 基坑支护设计

选用桩锚支护结构方式，根据现场实际情况共分3 段支护（图3）。

1-1剖面：实际挖深11.42 m，采用桩锚支护，桩顶位于自然地面下0.6 m，Φ800@1600桩锚支护，有效桩长16.48 m;设置2道预应力锚杆，第一道为1桩1锚，锁定值为350 kN，第二道为3桩2锚，锁定值为354 kN（图4）。

2-2剖面：西北侧既有建筑物区域，实际挖深11.42 m，采用桩锚支护，桩顶位于自然地面下0.6 m，Φ800@1400桩锚支护，桩长16.48 m;设置2道预应力锚杆，第一道为1桩1锚，锁定值为350 kN，第二道为3桩2锚，锁定值为354 kN。

3-3剖面（马道口）：实际挖深11.42 m，采用挡土墙结合桩锚支护形式，桩顶位于自然地面下2.60 m（张钦喜等，2008），Φ800@1600桩锚支护，有效桩长14.48 m;设置2道预应力锚杆，第一道为1桩1锚，锁定值为350 kN，第二道为3桩2锚，锁定值为354 kN;顶部设置2 m高挡土墙。

3.2 基坑支护设计参数

挂网锚喷、桩间锚喷设计参数：锚喷边坡面层及桩间喷护挂22#钢板网，钢板网与桩间坡面间用垫块垫起，垫起高度不小于20 mm;面层喷射不小于50 mm厚C20混凝土，混凝土配合比为水泥∶中砂∶细石=1∶2∶2。

护坡桩支护设计参数：支护桩桩顶位于自然地面，马道口处桩顶位于地面下2 m，设置Φ800混凝土灌注桩，桩身混凝土强度C30，具体参数见表1。

预应力锚杆设计参数：设置2道预应力锚杆，杆体材料采用4-7Φ5钢绞线，灌浆材料采用P.O42.5水泥配置，强度不小于M20，具体参数见表2。

4 桩锚支护结构施工技术

4.1 钻孔灌注桩施工

1）施工工艺流程

场地平整→测量定位→护筒埋设→钻机对位→复验桩点→制备护壁泥浆→钻孔并投放泥浆护壁→成孔至设计高程→提钻→清孔→置换泥浆→检查成孔质量→钢筋笼制作检验→吊放钢筋笼→下导管→水下灌注砼→控制桩顶标高→养护→成桩。

2）主要工序施工方法和技术要求

测量放线及复驗：依据基坑设计和灌注桩平面布置分布，定出桩位及高程控制点，经复核无误后方可施工。

护筒埋设、钻机就位：灌注桩作业面土层为杂填土，厚度2～3 m，选择埋设直径1.0 m、长度3.5 m护筒，护筒中心保持与设计桩中心一致，底部深入原状地层内，顶部应略高出地面，护筒外缝隙使用素土填实，复测桩位点，做好测量标识和测量记录。钻机对位允许偏差2 cm（王玉洲等，2017）。钻机作业场地应平整并满足钻机作业所需的承载能力，应能保证钻机机身稳定，不发生倾斜、移位现象（谢春来，2011）。

泥浆护壁成孔：采用旋挖钻机专用护壁泥浆，随钻机钻进随注浆。护壁钻进过程中时常检查钻杆垂直度、钻进速度，钻进至设计深度后，清除孔底残渣（何旭龙，2011）。

成孔质量检查：当钻进至设计深度后，使用测量器具对孔深、孔径、孔底沉渣等指标进行检验。

钢筋笼制作与安装：按图纸技术要求制作灌注桩钢筋笼。纵向受力筋采用HRB400钢筋，焊接连接，断面接头数量不大于主筋总数的一半，错开焊制，断面间距2 m。纵向受力筋与加强筋间点焊焊接，箍筋与纵向受力筋间绑扎连接。钢筋笼外侧焊接保护钢筋，确保受力钢筋保护层厚度。钢筋笼使用25 t汽车吊安装。整体、平直起吊，利用钢筋笼自重，实现钢筋笼由平直状态转为垂直状态，钢筋笼中心对准钻孔中心，缓慢放入孔内。入孔后，控制好笼顶标高。

水下砼灌注：水下灌注混凝土连续不断灌入直至桩顶，严禁中途停工。在灌注过程中需掌握砼面高度，常用探测导管测量砼埋入的深度，保证导管底口与砼面之间不小于2.0 m。当灌注砼至设计桩顶标高时，继续浇灌砼，确保实际浇筑砼面标高高出设计桩顶标高。

4.2 预应力锚杆施工

1）施工工艺流程

工作面开挖、钻机就位→校正位置及角度→钻进至设计深度→制作安装锚杆杆体→灌注水泥浆、养护→制作安装钢腰梁→张拉、锁定（韩同辉，2015）。

2）主要工序施工方法

工作面开挖、钻机就位：作业面开挖至锚杆标高下500 mm。工作面宽度6～8 m，钻机就位，调整机身，用量角器测定钻杆角度。工程施工地层主要为圆砾、卵石地层，设备选用进口液压套管钻机。

钻孔施工：钻进过程中随时观察进尺速度、钻杆出水口反水量、钻进角度，钻进深度超过设计深度0.3～0.5m。用水反复冲洗管中残渣，直到外管管内溢出清水，然后退出钻杆。当钻进过程中遇到不明障碍物时，立即停止钻孔（谢校亭，2013），查明原因后方可继续施工。

锚索制作安装：锚索自由段按设计要求长度套塑料管，套管两端用胶布封闭（黄德新，2012）;每隔2 m设置1道隔离架。杆体的外露部分长度1.2 m。注浆管从隔离架内孔穿过，与锚索一同通过外套管放入钻孔内，端头注浆管内端距孔底100 mm。

灌注水泥浆：水泥净浆采用P.O42.5水泥配置，水灰比0.5。孔内注浆由孔底至孔口进行，孔口反浆后，开始拔出注浆管和外套管，每拔2根外套管补浆1次，直至将孔口注满。

锚杆张拉锁定：在水泥净浆同条件试块达到15 MPa后，进行预应力张拉。预张拉锚具上不安装夹片，张拉至设计荷载后卸载。正式张拉时按设计荷载的5%、50%、80%、100% 进行，达到设计荷载后，保持15 min。在预应力没有明显变化后，用夹片锁紧。

5 基坑监测内容及要求

5.1 基坑监测内容

根据工程特点，现场监测内容包括4项，见表3。

5.2 监测频率及监测值

根据现场情况及现行相关施工规范，基坑监测的监测频率、监测项目控制值及报警值详见表4、表5（张艳芳等，2021）。

当监测值、变形速率超过有关标准以及场地各方面条件变化较大或遇恶劣天气时，应加密观测。

5.3 监测方法

基坑支护桩顶部水平位移监测：在基坑四周桩顶冠梁上设置，根据现场条件监测采用坐标法，使用全站仪进行观测（张绍辉，2018）。

基坑支护桩顶部竖向位移监测：依据现场条件及设计文件要求，基坑支护桩顶部竖向位移使用水准仪观测，记录观测数据。

锚索内力监测：采用MSJ-201型测力计，采用ZXY-2型频率读数仪进行测读。

5.4 数据处理及分析

基坑支护桩顶部水平位移监测：数据采集完毕后，将各监测点的平面坐标值所有数据输入计算机，对比监测初始值，计算各监测点垂直于基坑方向的水平位移变化值。通过各期数据变化，计算基坑水平位移的变化量、变化速度，累计变化值等。

基坑支护桩顶部竖向位移监测：数据采集完毕后，所有数据输入计算机，计算各监测点的高程值，对比监测点初始高程值，从而得出基坑竖向位移变化值。通过各期数据变化，计算基坑竖向位移的变化量、变化速度，累计变化值等。

锚索内力监测：数据采集完毕后，所有数据输入计算机，按照测力计所带的“频率-内力”转换公式，计算锚杆轴力，对比监测初始值变化，从而得出锚杆内力变化值。通过各期数据变化，计算锚索内力的变化量、变化速度，累计变化值等。

6 基坑监测

项目于2013年11月份开始施工，围护结构体系于2014年4月全部完成，总承包单位开始施工垫层、基础底板等结构。由于建设的原因，项目于2014年7月停止施工，地下结构未完成，不能进行肥槽回填，基坑支护体系一直处于使用状态，其间一直进行桩顶水平位移、竖向位移和锚杆轴力等数据监测，时间长达5年之久。经长时间数据测量和分析，支护顶部竖向位移最大值为6.98 mm，支护顶部水平位移最大值为11.35 mm，锚杆轴力变化17.87 kN，具体数据及变化曲线详见图5、图6、圖7。

依据设计文件及建筑基坑工程监测技术标准，基坑支护桩顶部水平位移累计值的监测预警值为20～30 mm，基坑支护桩顶部竖向位移累计值的监测预警值为10～20 mm，锚索内力累计值的监测预警值为80%～100%设计值，各监测项目最大值小于监测预警值，监测数据表明目前基坑处于安全状态。

7 结语

本工程整体采用桩锚支护体系，依据设计规范，临行性围护结构使用期限为1年。因其他原因导致围护结构超期使用长达5年之久，基坑支护体系处于稳定状态，周边建筑物、地下管线正常使用，证明了深厚卵石地层基坑支护方案设计合理，施工措施得当，达到并超出了预期的目标。

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