角撐加錨桿在基坑圍護中的應用

董軍兆，柳家海

（1.江蘇新亞勘測設計有限公司，江蘇 蘇州 215021；2.常州市基礎工程公司，江蘇 常州 213017）

隨著經濟的發展，城市化步伐的加快，在用地愈發緊張的密集城市中心，結合城市建設和改造開發大型地下空間已成為一種必然。隨之而來的基坑工程也日益增多，且規模越來越大，但同一基坑的不同圍護設計方案其造價往往差別很大，對周圍環境的保護程度也不同。為此，本文通過對一個基坑兩種圍護設計方案的比較，力求說明在基坑設計時應進行多種方案的比選，在保證安全的前提下，應選擇經濟合理的圍護設計方案。

1 概述

蘇州某辦公大樓，地上21層，地下2層，剪力墻結構，基坑開挖深度10.735～12.035m，基坑呈不規則長方形，基坑開挖面積10000m2，基坑周長為500m。基坑北側地下室外墻距離用地紅線約40.1m，紅線外側約15m 為中央河；西側地下室外墻距離用地紅線約26.9m，紅線外為南施街；南側地下室外墻距離用地紅線約24.3m，紅線外即為旺墩路；東側地下室外墻距離用地紅線約19.5m，紅線外現為空地，本工程的周邊環境見圖1。

2 場地工程地質與水文地質條件

場地工程地質條件見圖2，基坑圍護設計參數如表1所示。

圖1 基坑周邊環境

圖2 工程地質剖面

水文地質條件：場地內對本工程有影響的地下水有：（1）第四系上層潛水，賦存于表層填土層中；（2）微承壓水含水層，賦存與③粉質粘土夾粉土及④粉質粘土夾粉土層中，主要接受徑流補給，本次勘察期間測得其初見水位埋深4.8～5.3m，穩定水位標高為1.2m 左右。

表1 基坑圍護設計參數一覽

3 設計方案比選

3.1 原設計方案〔1〕

采用排樁加對撐及角撐的支護型式，典型剖面見圖3。

圖3 排樁加鋼筋砼內支撐剖面

該方案具有能較好地控制基坑變形，受力明確，整體性強，支撐剛度大，基坑周邊施工場地預留較大的優點，缺點是圍護造價較高，且須等支撐強度全部達到要求后方可開挖，延長了施工進度，另外出土作業面較少，不利于流水施工。

3.2 改進后的方案〔2〕

設計思路：基坑四周距離用地紅線尚有19.5～40.1m的距離，具有一定的放坡條件，但是由于基坑開挖深度較大（10.735～12.035m），全面放坡的可能性不大，所以在充分利用放坡方案的基礎上，結合其它支護方案；由于南側、東側和西側的磚砌圍墻及其外側的管線、道路對基坑位移和沉降的反應較為敏感，經過綜合考慮，具體方案如下：由于北側有40 m 的場地，且場地外無需保護的建筑物，擬采用“Φ850＠1200三軸帷幕+12m 寬平臺+三級放坡土釘墻”圍護方案，剖面見圖4。

南側為城市主要道路，且地下有許多管線需要保護，擬在東南角和西南角采用“淺層卸土放坡+12m 寬平臺+Φ850＠1200三軸帷幕+鉆孔灌注排樁+角撐”圍護方案，剖面見圖5。

圖4 北側支護剖面

圖5 南側支護剖面

西側與東側距離用地紅線有19～26m 距離，采用“淺層卸土放坡+12m 寬平臺+Φ850＠1200三軸帷幕+鉆孔灌注排樁+加勁樁拉錨”圍護方案，剖面見圖6。

經過估算，該方案的造價比原方案低約30%，且由于角撐是相對獨立的，易于實現流水施工，大面積的無支撐的出土作業面亦加快了施工進度。

4 改進后的支護方案的設計重點和難點

4.1 重點和難點1

東南角、西南角以及東西兩側均有一寬12m 的平臺，一開始設計時并未考慮利用該平臺，后考慮到該平臺施工單位肯定不會浪費掉，會放置一些材料，設計計算時考慮20 kPa的附加荷載，計算時將該12m 寬，2m 高的土層換算為條形荷載施加于基坑上進行計算，超載信息如表2所示。

圖6 西側與東側支護剖面

表2 基坑邊超載信息一覽

經計算，其變形指標＜30 mm，抗傾覆指標＞1.3，滿足規范要求。

4.2 重點和難點2

本工程存在兩種不同受力機理的支撐系統，一種是錨桿錨拉系統，一種是內支撐系統，兩種支撐系統的受力機理完全不同，在這兩種支護形式相交處的剛度協調至關重要，否則會在相交處產生應力集中，影響圍護結構的安全。本工程在兩種支護形式相交處采用雙排樁的圍護形式來提高剛度（見圖7）。

圖7 支護類型不同剛度變換處平面

4.3 重點和難點3

本工程錨桿的預應力施加時間及大小是至關重要的。因本工程的錨桿采用高壓旋噴樁錨桿，注漿材料為水泥漿，既要考慮圈梁的砼強度，又要考慮水泥漿的強度，因此經過綜合考慮確定，待旋噴錨桿養護7天且樁頂圈梁達到設計強度80%后方可開始施加預應力。另預應力的大小也很重要，考慮到本工程錨桿系統與內支撐系統的協調作用，以及場地的土質情況，綜合考慮取設計值的30%～35%，即取值為150kN（設計值為420kN）及200kN（設計值為620kN），未按規范的75%～90%取值。

5 改進后的設計方案實施效果

該基坑工程已于2012年8月開始施工，2013年6月10日施工完畢，基坑變形穩定，總體安全，基坑開挖對鄰近道路管線沒有產生明顯影響，基坑全程監測過程中，未出現報警及預警情況。基坑各項監測數據結果見圖8～圖12。

圖8 水平位移變化曲線

由圖8可以看出，在2012年9月底到11月中旬，土方開挖階段坡（樁）頂水平位移變化趨勢隨基坑開挖深度增加而增大。土方開挖完成后，11月底，底板澆筑完畢后變化趨勢趨于穩定狀態。整個基礎施工期間水平位移變化趨勢狀態穩定。

圖9 豎向位移變化曲線

由圖9可以看出，在2012年9月底到10月下旬，樁頂豎向位移由于基坑開挖引起土體回彈，曲線變化呈上升趨勢，至11月初，基坑土體應力釋放完畢，曲線呈緩慢下降趨勢。11月中旬，底板澆筑完畢后，數據逐漸趨于穩定。

由圖10可以看出，各個支撐軸力監測變化趨勢基本一致，即在基坑剛剛開挖到坑底過程中，軸力增長速度較快，在隨后的施工階段，軸力逐漸保持在一定的范圍內。

圖10 支撐軸力變化曲線

圖11 水位時程變化曲線

由圖11可看出，基坑降水期間，坑外水位在整個基坑開挖過程中，變化量正常，未出現異常變化趨勢。考慮到冬季降雨量少，水位下降量數值為正常變化，后期春季雨水增多，水位處上升趨勢。開挖過程中坑壁極少處出現滲水現象，已及時采取相應的處理措施。本基坑止水帷幕經驗證效果滿足基坑安全要求，達到了預期的止水效果。

圖12 深層水平位移曲線

為了更方便直觀的對深層土體進行分析，抽取比較典型的深層水平位移曲線圖，由圖12可以看出，主要變化量處在-3m（支撐下方）到-13m 的位置，變化量最大的出現在坑底-9m 的位置。曲線呈典型的“D”字型。基坑開挖過程中，深層水平位移變化穩定，變化速率緩慢。

6 結語

1）基坑工程的設計應綜合考慮基坑所處場地的工程地質、水文地質和周圍環境條件，結合主體工程地下室的建造層數、開挖深度、基坑面積及形狀、施工方法、造價、工期等多方面因素，同時應兼顧基坑工程設計方案的經濟合理性。

2）在基坑圍護設計時，應進行多種方案比選，優選一種安全可靠，經濟合理，技術可行，施工便利的設計方案。

3）本工程采用了錨桿與內支撐兩種不同的支護形式，在其聯結處的剛度采用雙排樁進行了局部加強，且在預應力施加的時間及大小方面根據實際情況進行了調整，具有一定的借鑒意義。

4）該方案設計時，將放坡平臺的寬度放大為12m，人為降低了基坑開挖深度，減小了風險，并在計算時將其換算為條形荷載參與計算，保證基坑的安全。

〔1〕劉國彬，王衛東.基坑工程手冊〔M〕.北京：中國建筑工業出版社，2009.

〔2〕常士驃，張蘇民.工程地質手冊（第四版）〔M〕.北京：中國建筑工業出版社，2007.

〔3〕上海市勘察設計協會，DBJ08-61-97，基坑工程設計規程.上海.1998.

〔4〕山東省建設廳，GB50497-2009，建筑基坑工程監測技術規范.北京：中國計劃出版社，2009.