預應力錨索在特定基坑工程中的設計與施工應用討論

余德彬 武 超

（四川省川建勘察設計院，四川 成都 610000）

隨著經濟水平和城市建設的迅速發展，高層建筑的多層地下室等構筑物日益增多，基坑深度越來越大，且工程多處于市區繁華地段，周邊環境條件復雜，對基坑支護措施的要求越來越高。錨拉樁支護結構形式是采用錨索拉力和樁體共同平衡土壓力，改變支護樁單一靠嵌固段地基抗力平衡土壓力的機理，使得支護樁內彎矩大大減少，鋼筋配筋率變小，樁的埋置深度變淺，達到結構受力合理、節省投資、節約材料、縮短工期的目的，是深大基坑支護工程中采用的主要支護形式。

由于受地質條件的復雜性、圍護結構的強度、整體穩定性和變形的影響較大，施工工藝和技術上對預應力錨索錨固的質量要求高，因此制訂合理的施工工藝和施工技術控制手段，有助于提高錨索錨固效果，進而提高基坑支護體系的整體安全。在特定的地質環境中，若原有支護體系已形成，但基坑深度進一步加深的情況下，采用預應力錨索對原有支護體系的加固，往往是現場最有效的措施，它能在保證圍護體系安全的基礎上節省工程造價、縮短工期，并對主體施工造成的影響較小。下面就其在某特殊基坑工程中設計應用的一些問題進行探討。

1 工程概述

該項目位于綿陽市涪城區中心位置，原方案設計1棟6F地上商業中心，設地下室3F、筏板基礎，總建筑面積約80000m2。±0.00下基坑開挖標高-15.55m,錨拉樁支護結構形式，設2排錨索，排樁嵌固深度5.0m，該深基坑支護工程前期由某單位進行基坑支護設計與施工。基坑在大面積完成支護和開挖后，建設單位擬加設地下室至4F，基坑開挖深度19.7m，局部電梯井位置基坑開挖高程21.2m，原有支護樁樁底的嵌入深度減小為0.95～1.20m。

由于基坑開挖的絕對深度增加，原支護體系已無法滿足地基基礎施工及基坑工程設計、施工的要求，故本次基坑支護加固方案設計是在原有的支護體系的基礎上采取增設預應力錨索+鋼腰梁鎖定及樁間護壁的措施進行設計施工。

該基坑工程屬于深基坑，基坑安全等級為一級，基坑支護的難度大。

周邊環境條件：涉及多條市政通訊井、預埋管道、道路及既有建筑等：

（1）基坑北側為會仙路，距基坑開挖線約5.0m；

（2）基坑南側為工程一期5F（現為家樂福商場、人員密集），距基坑開挖線約5.0m，設1F地下室，深度約6.0m，在一、二期之間預埋了大量管道，埋深1.0-4.5m不等。

（3）基坑東側為益州大廈14F，距離本基坑約9.0m,采用筏板基礎，基礎埋置深度約-10.0m。

（4）基坑西側為工地臨時構筑物等2F,距離基坑約11.0m,基坑圍墻外為居民樓2F，獨立基礎，基礎埋置深度約-2.5m，該建筑距基坑開挖線約11.2m。

2 場地的工程地質水文地質條件

據區調資料表明，擬建區域場地地貌單元屬涪江水系Ⅰ級階地，地下水位埋深約在5.00～6.00m之間，卵石層富水性和透水性均較好，屬強透水層，卵石與基巖的交界面處，水量豐富。該場地卵石層滲透系數K=25m/d。

基坑支護深度影響范圍內主要地層為雜填土、粉土、細砂、卵石，下伏泥巖，基巖頂面埋深15.20～23.00m，頂面埋深起伏較大，分為強風化、中風化2個亞層。

3 基坑支護設計方案

該基坑開挖深度較深、場地周邊環境復雜，地質條件一般。原支護設計方案中針對-3F地下室，基坑開挖深度15.55m，支護體系為在場地四周設置樁錨結構，樁徑1.0m、間距2.5m、樁長19.5m，同時在樁身設置2排預應力錨索，長度15.5～20.0m。

原有支護體系形成之后，基坑大面已開挖至14.50m，由于設計變更地下室由-3F加深至-4F，基坑開挖深度變為19.7m，局部21.2m；樁身錨固段只有約1.0m進入穩定地層。若按原有支護體系開挖，必然會造成基坑支護體系不穩定，一旦基坑變形過大造成垮塌，將會對周邊道路及建筑等都會造成不可估量的破壞和損失。

圖2 典型支護段計算模型比較

表1 各工況開挖及加撐情況統計表

本次基坑設計施工方案是在利用原有支護體系樁錨結構的前提下進行加固，在原有護壁樁嵌固深度無法增加、基坑四周的排水難度增加等因素制約下，綜合考慮采取增設預應力錨索+鋼梁鎖定的措施；同時為增加安全儲備，在可以預留平臺的北、東、西側進行了平臺的預留，平臺寬2.0、高約2.0m；同時在基坑四周增加兩道腰梁，設置鋼支撐進行角撐，見圖1。

本工程地下水含水層厚度大，水量豐富，屬降水工程的復雜場地。由于開挖深度達到基巖面，原有井點降水不能完全解決工程的施工降水問題，基巖頂面上約1～2m左右地下水無法通過降水井降水，該深度范圍采用明排方式解決。施工時在場地周邊設置排水溝和集水坑采用水泵抽排地下水，須避免基坑內積水軟化地基。

預應力錨索作為深基坑施工措施，有成熟的施工經驗和國家標準。但國內的深基坑設計軟件沒有相應的此類型工況演算，具體工程中如何設計、如何替代，安全性能否保障，是解決的重點和難點。

（1）設計計算方法的比較

由于采用理正軟件對計算樁嵌固段不夠的情況的計算依據不充分，因此本設計采用三種計算方法進行對比復核的方式，即模式①《基坑工程手冊》樁錨支護樁基坑破壞模型（手算）、模式②《建筑邊坡工程技術規范》錨桿式擋土墻模型（軟件計算）和模式③《建筑基坑支護技術規程》錨拉排樁模型（軟件復核）。

模式①：該項目3F地下室基坑設計與施工采取錨拉樁懸臂式支擋結構理論計算，基坑加深為4F地下室后，原支護樁嵌固深度局部地段甚至樁端處于基底之上，按照傳統規范要求的支護理論，樁的嵌固深度也不宜小于0.2h。由于基坑周邊環境無法重新施工支護樁，只能在已有現狀環境條件解決工程難題，但目前工程支護軟件均無法進行此工況的理論計算，故決定采用《基坑工程手冊》樁錨支護樁基坑破壞模型（手算）。根據《基坑工程手冊》（第二版），樁錨支護型基坑破壞模式主要為：

（1）支護樁插入深度不足，導致基坑 “踢腳”破壞模式（繞樁頂）；

（2）設計拉錨強度不足，導致基坑“傾覆”破壞模式（踢樁底）；

（3）由于錨桿與樁均處于破裂面以內，導致基坑整體滑移破壞。

為了避免出現上述基坑失穩破壞模式，現按照經典力學理論采用人手復核抗傾覆驗算，采用多支點力的極限平衡原理對防踢腳驗算以及整體穩定性的驗算，同時按瑞典圓弧滑動法，取理正深基坑軟件的計算結果（整體穩定性安全系數）復核：

模型如下：

（a）抗傾覆驗算

即主動土壓力對樁體底部產生傾覆力矩與被動土壓力錨索水平拉力對樁底產生的抗傾覆力矩之比，為抗傾覆安全系數：

K1=抗傾覆力矩/傾覆力矩（對樁底取矩）

（b）防踢腳驗算

即主動土壓力對樁體頂部產生破壞力矩與被動土壓力錨索水平支反力對樁頂產生的抵抗力矩之比，為防踢腳安全系數：

K2=對樁頂抗滑力矩/對樁頂產生滑動破壞力矩（對樁頂取矩）

其中：K =ΣFili/ΣEihi

式中：Fi為錨索水平拉力；

li為錨索據樁頂豎向距離；

Ei為主動土壓力合力；

hi為主動土壓力合力點據樁頂距離；

計算模型如圖2。

經過驗算，邊坡安全穩定性均大于1.30。

模式②：按照該基坑真實的工況采用理正巖土5.11錨桿式擋土墻進行復核，該種方式的計算模型如圖3。

經復核，②模式錨桿式擋土墻計算結果經復核后安全系數均大于1.25。

模式③：在以上兩種驗算的情況下，《建筑基坑支護技術規程》錨拉排樁模型（軟件復核），開挖工況模型需與實際情況相吻合，工況情況如表1：

經復核，該基坑整體穩定性均大于1.35。

通過對第一、二種方法的驗算，再采取第三種計算方式的復核比較，計算方式與理論模型合理，有計算依據作為支撐，故決定采用在原有支護體系基礎上增設四排預應力錨索后再進行開挖。

4 施工工序、工藝與監測

（1）施工工序

施工過程中預應力錨索主要施工工藝流程：搭高架從上往下順序施工（圖4）→定位→鉆機就位→鉆孔至設計深度→放入預制錨索→壓漿→腰梁施工→到齡期后張拉鎖定→穿插基坑四周斜撐加固（圖5）。

（2）預應力錨索施工中主要技術控制

鑒于預應力錨索是本工程中重要控制標準，施工時嚴禁錨孔內漿體不飽滿和預應力鎖定的失效等。施工過程中主要按以下兩方面進行控制：

（a）內錨段灌漿采用水泥濃漿灌漿，要求使用新鮮PO42.5普通硅酸鹽水泥,漿材水灰比為0.5～0.55:1左右，采用了在漿液中添加外加劑、改善漿液濃度、控制注漿壓力以及循環注漿等措施；經過多次失敗試驗、多次總結后形成了“穩定動態循環注漿法”的實踐經驗。

圖3 ②模式東側典型剖面

（b）施工中碰到了強透水層卵石與基巖交界面，地下水無法全部排除，因地下水的地質原因出現灌漿中漿體集中滲漏或錨孔成孔后多個鉆孔口同時出水、裂隙竄通，導致錨孔無法灌漿飽滿或失敗。為解決這此難題，達到設計要求抗拔力，施工過程中主要采取了以下措施：鉆孔過程中認真觀察記錄地質情況、鉆進速度，正確判斷地層位置和地下水出水位置；一般將鉆孔加深1～2m，在灌漿過程中調整灌漿漿體的濃度和配比，同時按試驗加入速凝劑和膨脹劑。根據錨孔出水情況，先行灌注水量較少的錨孔，待漿體飽滿有一定齡期后，錨孔無地下水滲出后，依次將滲水錨孔灌滿，將地下水排至坑壁上收集后一并排除。

（3）基坑監測結果

圖4 錨索施工

圖5 基坑開挖后地下室情況

根據信息化施工原則，工程從2013年3月開始施工至2014年6月回填期間，均進行了監測。基坑開挖后達到了預期效果，使用過程中安全穩定。對基坑體系及周邊建筑和道路全程的動態監測數據表明，開挖至-3F時支護樁頂的最大水平位移在基坑東側滲水嚴重地段，位移值18.2mm；預應力錨索施加后基坑開挖至-4F時，此處最終位移值26.5mm；同時基坑南側長邊中部支護較薄弱位置，最大水平位移值達到25.2mm，局部超設計要求25mm報警值。其余位置監測數據顯示均未達到報警值。在基坑開挖后后續地下室基礎的施工過程中，基坑體系均穩定且良好。

結語

通過基坑使用過程中和監測結果表明，樁錨支護結構在此種地質條件下能夠適用，同時每次的預應力錨索與支撐的加設能夠有效的控制基坑的水平位移和基坑周邊的沉降。

基坑支護方案設計時，應根據周邊環境條件要求不同，分階段、分部位針對關鍵問題考慮設計方案。

施工過程中，如遇地下水降水困難、排水條件復雜等特殊情況時，預應力錨索的施工壓漿質量的保證需有一定的輔助措施和施工順序的合理安排。實踐中，信息化的基坑設計與施工方案的調整是使最終所選方案能滿足安全、造價、施工工期、質量等多個目標要求。本工程中，采用《基坑工程手冊》樁錨支護樁基坑破壞模型（手算）的理論支撐進而選擇增設預應力錨索+局部角撐技術相結合的基坑支護方案，是保障整個項目全面達到預設目標的重要技術環節。

[1] DB51/T5072-2011，成都地區基坑工程安全技術規范[J].

[2] JGJ120-2012，建筑基坑支護技術規程[S].

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[4] 王曙光.深基坑支護事故處理經驗錄[M].北京：機械工業出版社，2005.

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