祝冰青

（安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥 231603）

随着城市建设的发展、建筑用地的紧张，建筑物的高度和荷载越来越大，加之地下空间的有效利用，深基坑施工的需求越加广泛。由于土质、开挖深度、施工工艺、技术、施工机械、建设投资等条件的不同，深基坑支护的形式多种多样。桩+锚索支护在深基坑支护中是一种经济效益较好的支护方法，它是利用桩和预应力锚索共同形成联合体抵抗排桩上受到的弯矩和变形，共同承担桩后的土压力。在深基坑支护中桩+锚索支护比内支撑形式提供更多的土方开挖面，便于土方快速机械开挖，缩短土方开挖工期。

1 桩锚支护结构的设计

桩锚支护结构由锚索（杆）、腰梁、锚具、围护桩、冠梁组成。锚索（杆）分为自由段和锚固段，锚索（杆）采用二次注浆，其中自由段通常采用黄油涂抹并用塑料薄膜缠裹或者外套PVC管处理，保证其不受水泥浆影响；锚索一般用钢绞线，锚杆采用锚筋。腰梁材料多采用型钢，其中工字钢较多，为了保证腰梁与围护桩之间的传力和耐久，中间用混凝土浇筑，锚具采用钢垫板和高强螺栓。围护桩采用钢筋混凝土桩或组合加劲混凝土桩。冠梁采用现浇钢筋混凝土。

桩锚支护结构的设计步骤为土压力计算，围护桩在各种工况下的位移、弯矩、剪力计算，围护桩的桩径、配筋、桩距、锚索（锚杆）验算，冠梁设计，整体稳定性、抗倾覆、抗隆起验算。

1.1 土压力计算

一般采用Zemochkin方法进行桩锚支护结构土压力分析，作用在桩上的集中力用带有刚度的弹簧表示，赋予每种土层一个刚度系数，同时锚索（杆）也用带刚度的弹簧表示。静止土压力根据弹性平衡条件求解，与土层自重应力成正比，引入静止土压力系数，分析静止土压力强度，根据合力计算方法求解静止土压力。目前工程中常用的计算软件较多，在软件中考虑基坑深度、嵌固深度、放坡信息、荷载大小、土层参数、支锚道数、支锚信息等因素，根据开挖步骤工况信息，采用弹性法土压力模型和经典法土压力模型计算土压力。

1.2 支护结构设计

根据开挖卸载的工序不同，考虑开挖、锚索（杆）施工的工况，利用弹性法、经典法土压力模型计算内、外侧土压力及桩身产生的位移、弯矩、剪力，进行桩身强度、刚度验算。弹性土压力和经典土压力计算条件和计算假定不同，故计算结果差距较大。经典法计算简单，弹性法接近实际土压力分布，考虑桩和土的相互作用，在软件中都需考虑。如图2所示为某项目（设置2道锚索）5中工序下的位移、弯矩、剪力包络图（弹性法用蓝色表示，经典法用红色表示）。冠梁按受弯构件进行计算截面和配筋。锚索（杆）的设计根据所采用锚索（杆）材料级别，判别其材料强度设计值和弹性模量，根据弹性法和经典法分别计算锚索（杆）水平方向内力和轴向内力，确定其自由段、锚固段长度，然后进行整体稳定验算。

1.3 整体稳定性验算

根据基坑设计要求，桩+锚索支护必须进行整体稳定、抗倾覆验算和抗隆起验算。整体稳定验算在我国常采用瑞典条分法，应力状态有有效应力法和总应力法，根据软件验算整体稳定系数满足规范即可。抗倾覆验算，采用公式（1）验算抗倾覆系数，满足规范要求即可。

式中，Mp为基坑被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩，对于锚索（杆），支点力为锚索或锚杆的锚固力和抗拉力的较小值。Ma为基坑主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

由于基坑开挖导致坑内土体产生的荷载卸除，坑外土体的自重及支护外地面上的各种荷载作用，导致基坑外土体产生向着基坑内的位移，即为隆起现象，这种现象可引起坑外产生较大沉降或相邻建筑物破坏，所以抗隆起验算必不可少。抗隆起验算从支护结构底部开始逐层进行满足规范要求即可。

2 桩锚支护结构的施工关键

根据安徽地区桩+锚索支护结构的施工工艺，总结施工关键为桩身质量控制、预应力锚索（杆）质量控制。

2.1 桩身质量控制

桩位：严格根据图纸进行桩位放线，控制其水平位置和高程位置，偏差不应超过50mm。

垂直度：桩身成孔过程中一定要控制其垂直度，垂直度偏差不应超过0.5%。若采用组合加劲混凝土桩，型钢要控制好与冠梁中心线的垂直。

2.2 预应力锚索（杆）质量控制

锚索（杆）成孔：孔位置准确，统一在支护桩上标记，钻孔倾角按照图纸要求，偏斜不超过5%，孔中严禁注水，及时做好成孔保护。

锚索（杆）安装：当成孔深度达到图纸要求，放入锚索（杆），不能将孔放置时间长。锚索采用钢绞线，锚杆采用锚筋，安装时每隔1.5m设置一对中支架。

注浆：采用两次注浆方式，第一次低压注浆为重力注浆，第二次高压注浆，两次注浆的时间间隔为4～5h，控制两次注浆的水灰比。

自由段留置：自由段要不受水泥浆影响，一般采用黄油涂抹并用塑料薄膜缠裹或者外套PVC管。

预应力张拉：当锚固段强度达到设计强度等级的75%后方可张拉，先进行预张拉1～2次，然后按设计荷载的1.05～1.1倍进行超张拉，稳定5～10min后，减少至设计荷载锁定。

3 深基坑支护施工优化

将BIM技术运用到深基坑支护施工管理中，根据三维模型模拟施工，对施工方案进行优化处理，可节约施工工期和施工成本。

3.1 工程概况

某项目地处主干道交口，属于车流、人流密集地段及沉降敏感区域，该工程深基坑工程施工较为复杂，原设计有一侧采用排桩+双斜撑支护形式。

通过BIM建模，模型如图3所示，模拟施工过程发现：第一次开挖土方至第一道斜撑安装后，第二次开挖的预留土范围只有4.5m高，水平宽度6.3m的空间，小挖机不具备施工作业面，如采用人工破碎的方式，工期将延后3个月以上。即使第二次开挖预留土能够成功实施，第二道斜撑顺利安装，但是第二道斜撑下至筏板底标高只有4.95m高，且斜撑下角度只有35度，挖机无法作业。只有采用人工开挖形式，工期遥遥无期。

3.2 优化方案

通过与设计单位沟通，建议取消两道斜撑、桩顶挡板，取消转角处钢筋砼支撑，不改变桩径，增加支护桩长度，采用放坡+桩锚支护结构，见图4所示。设计单位对该方案重新进行计算，满足规范设计要求，同时建设单位也认为此方案施工可行。

利用BIM建模软件，构建三维模型，设计开挖顺序，模拟施工过程。用小型挖掘机挖至工作面，即可调用大型挖掘机翻土。当挖土挖至坑底最内侧时，采用小型挖土机械进行转运。这样设计挖土顺序和机械，提高整个基坑的土方开挖效率。土方开挖中严格基坑变形监测，随着基坑深度增加，监测到基坑坡顶水平、竖向位移离报警值较远。虽然测出轴力增加，但在规范允许范围内，基坑周边道路及建筑物也未发现沉降及其他变形异常现象。

3.3 优化效果

经过对原设计方案的优化，有利于现场土方大型机械施工，出土难度减小、出土速度快，减少支护工程施工难度，缩短支护施工周期。开挖由人工转为大型机械，开挖成本降低，经济效益增加。从基坑监测来看，基坑的累计变形及日变形速率均没达到报警值。

4 结语

桩+锚索支护结构是目前深基坑处理中的经济效益和工程效益都较好的支护方案，该方法比地下连续墙施工难度小，成本低，同时施工需要的作业面小，适用的土质范围广，能处理10m以上的深基坑。但桩锚支护也存在资源浪费、影响环境及影响周围地下工程等的缺点，希望后期能采用桩锚支护材料的绿色回收。