超深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

賈紅軍 陳俊杰

山西建筑工程有限公司 山西 太原 030006

1 工程概況

中石化科學(xué)技術(shù)研究中心（北區(qū)）項(xiàng)目位于北京市昌平區(qū)沙河鎮(zhèn)，由4棟單體工程組成。其中，4#科研樓41 495 m2，能源中心12 556 m2，均為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，2棟樓之間通過(guò)連廊連接（圖1）。4#科研樓為地下2層結(jié)構(gòu)，基坑開(kāi)挖深度為10.15 m；能源中心為地下4層結(jié)構(gòu)，基坑尺寸為44.50 m×66.50 m，開(kāi)挖深度為31.40 m，距北側(cè)高教園南街道路2.00～5.85 m，現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件復(fù)雜，基坑支護(hù)難度大。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)平面位置

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探、原位測(cè)試及室內(nèi)土工試驗(yàn)的結(jié)果，按沉積年代及成因類(lèi)型，將本次勘察的最大勘探深度范圍內(nèi)的地層劃分為人工堆積層、新近沉積層、第4紀(jì)沉積層等3大類(lèi)，主要為素填土和粉質(zhì)黏土。

本工程勘察期間于勘探鉆孔深度45.00 m范圍內(nèi)實(shí)測(cè)到4層地下水，其中18.70 m以下為承壓水。

3 基坑支護(hù)方案

能源中心基坑支護(hù)方案在綜合考慮了安全性、技術(shù)先進(jìn)性、施工可行性、經(jīng)濟(jì)性及工期情況等因素后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)周邊工作面條件，采用復(fù)合土釘墻＋樁錨的基坑支護(hù)形式。上部采用復(fù)合土釘墻支護(hù)，確保邊坡支護(hù)安全；下部采用大直徑護(hù)坡樁并增加嵌固深度的形式抵抗側(cè)向土壓力；采用預(yù)應(yīng)力錨桿變被動(dòng)支護(hù)為主動(dòng)支護(hù)。同時(shí)采用三軸攪拌樁止水帷幕阻隔地下水，在基坑內(nèi)設(shè)置疏干井降低地下水位。出土坡道及后期倒土平臺(tái)位于西側(cè)并與4#科研樓連接。

該基坑采用復(fù)合土釘墻＋樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，上部8.39 m采用1∶0.3放坡，復(fù)合土釘墻支護(hù)；下部23.01 m采用樁錨支護(hù)體系，護(hù)坡樁樁長(zhǎng)39.00 m，護(hù)坡樁直徑均為1 200 mm，共設(shè)8道預(yù)應(yīng)力錨桿。錨索長(zhǎng)度分別為26、27、28 m，孔徑150 mm，機(jī)械成孔，錨索采用預(yù)應(yīng)力1 860-7φ5型鋼絞線(xiàn)，公稱(chēng)直徑15.20 mm，樁頂冠梁尺寸為1 500 mm×1 000 mm（圖2）。

4 方案優(yōu)化

4.1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

目前，國(guó)內(nèi)外超深基坑支護(hù)形式多以地下連續(xù)墻＋內(nèi)支撐為主，支護(hù)形式多為“大坑套小坑”和“梯形坑”的方式[1-4]。

圖2 能源中心基坑支護(hù)剖面

本項(xiàng)目經(jīng)過(guò)方案論證、分析、優(yōu)化，結(jié)合FLAC3D、PFC3D等三維有限元數(shù)值分析軟件和非線(xiàn)性理論模型，分析超深基坑開(kāi)挖過(guò)程中基坑周邊土體應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)的空間分布，最終基坑支護(hù)采用復(fù)合土釘墻＋樁錨組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)，將復(fù)合土釘墻＋樁錨組合支護(hù)發(fā)展到31.4 m基坑深度。通過(guò)優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而降低支護(hù)結(jié)構(gòu)施工難度和安全風(fēng)險(xiǎn)，縮短工期，降低造價(jià)。

4.2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面優(yōu)化

針對(duì)結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜、支護(hù)墻體陽(yáng)角較多、施工難度大的問(wèn)題，同時(shí)避免陽(yáng)角處應(yīng)力集中，對(duì)基坑截面進(jìn)行優(yōu)化，消除部分陽(yáng)角，可減少錨索施工的交叉，降低支護(hù)結(jié)構(gòu)施工難度和安全風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 基坑支護(hù)方式創(chuàng)新

對(duì)于基坑距道路較近的北側(cè)，施工場(chǎng)地狹窄，上部復(fù)合土釘墻無(wú)放坡空間，使用雙排鋼管樁＋三軸攪拌樁止水帷幕組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)（圖3），雙排鋼管樁與三軸帷幕樁組合使用，既能夠起到隔水的作用，也能提供足夠的支護(hù)強(qiáng)度，保證基坑施工的安全進(jìn)行。

圖3 雙排鋼管樁＋止水帷幕組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)

5 基坑施工措施

5.1 降水施工

本工程建設(shè)場(chǎng)區(qū)位于溫榆河故道，基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)共有4層地下水，水量豐富且下部2層水為承壓水，基坑降水是施工難題。工程采用降排結(jié)合的方式，坑壁采用三軸攪拌樁止水帷幕進(jìn)行隔水，坑內(nèi)采用無(wú)砂混凝土濾管疏干井進(jìn)行排降；為確保預(yù)應(yīng)力錨桿施工期間的施工質(zhì)量，基坑外設(shè)置臨時(shí)減壓井，每個(gè)減壓井均位于護(hù)坡樁的正后方，防止錨索施工時(shí)鉆孔穿透破壞，減壓井的位置一定要避開(kāi)預(yù)應(yīng)力錨桿，施工時(shí)要精準(zhǔn)測(cè)量定位，且井深至最下部錨桿標(biāo)高以下。施工期間，采用電子水位測(cè)量?jī)x對(duì)井內(nèi)水位進(jìn)行觀(guān)測(cè)，確保水位位于需施工錨桿的下方。

基坑采用長(zhǎng)34 m的φ850 mm@1 200 mm三軸水泥土攪拌樁止水帷幕，工程所處地層為硬塑土質(zhì)及砂層，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)調(diào)整水膠比、改進(jìn)樁頭、增大噴氣量等措施，使三軸攪拌樁施工在北京地區(qū)硬塑地質(zhì)成樁成功，效果良好。三軸攪拌樁按 “兩噴兩攪”工藝施工，水泥摻量20%，攪拌下沉速度為0.5～1.0 m/min，攪拌提升速度為1～2 m/min。施工時(shí)，要控制好三軸攪拌樁樁位偏差和垂直度。

為確保坑內(nèi)干燥及土方開(kāi)挖順利進(jìn)行，對(duì)止水帷幕以?xún)?nèi)的坑內(nèi)水采用疏干井進(jìn)行疏干，基坑內(nèi)均勻設(shè)置疏干井，本工程疏干井采用無(wú)砂混凝土濾管，井管外徑為400 mm；濾管接頭處須用竹片及鐵絲綁扎結(jié)實(shí)，接頭處包紗網(wǎng)，濾管安置后應(yīng)保持垂直和居中；成井后須及時(shí)洗井，做到隨打隨洗。

土方開(kāi)挖過(guò)程中，基坑內(nèi)采用明溝排水，保證基坑內(nèi)施工順暢。開(kāi)挖至坑底后在坑底肥槽內(nèi)設(shè)置400 mm（上口寬度）×300 mm（下口寬度）×300 mm（高度）明排水溝，排水溝向疏干井找坡0.5%，排水溝與肥槽內(nèi)疏干井相連，并放置流量20～30 m3/h、揚(yáng)程為50 m的變頻潛水泵進(jìn)行抽排水。

5.2 錨桿施工

本工程承壓水層、砂層中預(yù)應(yīng)力錨桿采用全套管跟進(jìn)成孔預(yù)應(yīng)力錨桿，注漿采用二次高壓劈裂工藝。

5.2.1 ?施工工藝

鉆機(jī)就位→調(diào)整角度、校正孔位→打開(kāi)水源、鉆孔→反復(fù)提內(nèi)鉆桿沖洗→接內(nèi)套管鉆桿及外套管→鉆至設(shè)計(jì)孔深→清孔→停水、拔內(nèi)鉆桿→插放鋼絞線(xiàn)及注漿管→注水泥漿→拔外套管并二次注漿→養(yǎng)護(hù)→安裝鋼腰梁→張拉預(yù)應(yīng)力錨索→鎖定

5.2.2 ?錨桿制作

1）高強(qiáng)鋼絞線(xiàn)使用前應(yīng)除銹去污，排列平直，截長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)預(yù)留有1.0～1.5 m以滿(mǎn)足張拉長(zhǎng)度要求。

2）沿桿體軸線(xiàn)方向按間距1.5 m設(shè)置1個(gè)梅花形支承隔離架，隔離架、一次及二次注漿管均要與桿體綁扎牢固。

3）錨桿自由段套波紋管，兩端要用鐵絲扎牢，自由段錨桿要做好防腐處理，桿體端部連接錨桿導(dǎo)向帽。

5.2.3 ?成孔

1）采用液壓跟管鉆機(jī)成孔，采用帶有套管的鉆孔施工，套管外徑為150 mm。

2）要嚴(yán)格控制鉆孔的方位，調(diào)正鉆桿角度，水平傾角要符合設(shè)計(jì)，鉆桿的水平投影垂直于坑壁，檢查無(wú)誤后方可鉆進(jìn)。

3）鉆進(jìn)時(shí)，根據(jù)工程地質(zhì)情況，合理控制鉆進(jìn)的速度。如遇到異常情況應(yīng)及時(shí)停鉆，待情況查清楚后再鉆進(jìn)。鉆孔深度應(yīng)大于錨桿的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度200 mm。

4）鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)要求孔深后，用清水沖洗套管內(nèi)壁。護(hù)壁套管在孔內(nèi)灌漿完成后方可拔出。

5）在成孔前，要觀(guān)測(cè)基坑周邊地下水水位，通過(guò)設(shè)置減壓井使承壓水位控制在錨桿標(biāo)高以下。

5.2.4 ?插放錨桿

清孔、驗(yàn)孔后，立即向套管內(nèi)安放錨桿。安放錨桿時(shí)，要防止桿體彎曲、扭轉(zhuǎn)，緩慢插入至設(shè)計(jì)深度。插入時(shí)，要抬起后部，使之與孔成設(shè)計(jì)角度后緩慢插進(jìn)，防止碰壞孔壁。插入前應(yīng)仔細(xì)檢查長(zhǎng)度、自由段部分的處理、注漿管是否有漏漿等。

5.2.5 ?灌漿

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，注漿采用純水泥漿，水泥漿采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥拌制，水灰比為0.5；注漿采用二次注漿，第1次注漿壓力為0.6～0.8 MPa，待注漿孔口溢漿即可停止注漿；第2次注漿壓力2.5 MPa，一次注漿初凝后方可進(jìn)行二次高壓劈裂注漿，2次注漿的時(shí)間間隔要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿效果進(jìn)行確定。漿液由孔底開(kāi)始灌注并向外返出，邊注漿邊向外緩慢拔管，直至漿液溢出孔口后方可停止注漿。

5.2.6 ?張拉鎖定

1）用張拉千斤頂于錨頭施加拉力，張拉前須對(duì)張拉千斤頂設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定。錨桿張拉時(shí)，錨固體強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度75%且大于15 MPa時(shí)方可張拉。

2）預(yù)應(yīng)力錨索正式張拉前，應(yīng)取20%的設(shè)計(jì)荷載對(duì)其進(jìn)行預(yù)張拉，使其各部位接觸緊密，鋼絞線(xiàn)完全平直。

3）預(yù)應(yīng)力錨索張拉采用四級(jí)張拉，按0.25T→0.50T→0.75T→1.00T（T為荷載設(shè)計(jì)值）進(jìn)行張拉。當(dāng)張拉至設(shè)計(jì)荷載值時(shí)，保持10～15 min，當(dāng)變形穩(wěn)定后，卸載至鎖定荷載進(jìn)行鎖定。預(yù)應(yīng)力錨桿鎖定后48 h內(nèi)，若發(fā)現(xiàn)有明顯的預(yù)應(yīng)力損失，要進(jìn)行補(bǔ)償張拉。

5.3 土方施工

土方施工要與基坑支護(hù)施工作業(yè)互相配合，嚴(yán)格按照施工方案要求，分層作業(yè)，開(kāi)挖深度控制在支護(hù)土釘、錨索以下0.5 m，并預(yù)留肥槽，土方開(kāi)挖要為護(hù)坡施工創(chuàng)造工作面，便于護(hù)坡施工。基坑土方開(kāi)挖隨支護(hù)結(jié)構(gòu)同步進(jìn)行，出土馬道放坡比例為1∶6。

對(duì)于放坡可到達(dá)的基坑標(biāo)高，采用反鏟挖掘機(jī)開(kāi)挖直接裝車(chē)運(yùn)至卸土點(diǎn)；因基坑內(nèi)空間不足，放坡無(wú)法到達(dá)的深度，采用坑上部18 m臂長(zhǎng)挖掘機(jī)＋坑下部多臺(tái)挖掘機(jī)倒運(yùn)的方式進(jìn)行土方裝車(chē)外運(yùn)，并按深部的每步土方開(kāi)挖標(biāo)高及機(jī)械作業(yè)工作性能合理安排機(jī)械數(shù)量及位置。

對(duì)于長(zhǎng)臂挖掘機(jī)可挖的最深標(biāo)高以下的土方，在基坑西側(cè)設(shè)置收土平臺(tái)，平臺(tái)標(biāo)高位于長(zhǎng)臂挖機(jī)可挖的最深部位以上，規(guī)格為7.0 m×7.0 m，基坑內(nèi)挖機(jī)通過(guò)接力倒運(yùn)的方式將土方放置于平臺(tái)上，將基坑內(nèi)最下部土方挖除。最后，收土平臺(tái)的土方通過(guò)塔吊運(yùn)出。

6 基坑監(jiān)測(cè)

基坑監(jiān)測(cè)采用自動(dòng)化設(shè)備，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、分析、處理，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如超出預(yù)警值范圍，系統(tǒng)馬上發(fā)布報(bào)警，提示現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員及時(shí)作出判斷，并采取相應(yīng)工程措施。

土方開(kāi)挖及土支護(hù)施工階段，監(jiān)測(cè)頻率為1次/d，在基坑開(kāi)挖完成后，變形穩(wěn)定的情況下可適當(dāng)減少基坑監(jiān)測(cè)的次數(shù)。基坑監(jiān)測(cè)過(guò)程要持續(xù)到基坑回填完成，支護(hù)退出工作為止。基坑監(jiān)測(cè)至少應(yīng)包括以下內(nèi)容：坡頂水平位移、坡頂豎向位移、樁頂水平位移、樁頂豎向位移、地下水位、周邊地表沉降、錨桿軸向拉力、深層水平位移、周邊管線(xiàn)位移。同時(shí)，要安排專(zhuān)人進(jìn)行日常安全巡視，對(duì)監(jiān)測(cè)及巡視出現(xiàn)的異常情況及時(shí)反饋并進(jìn)行處理。

7 結(jié)語(yǔ)

本工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后，經(jīng)過(guò)了一個(gè)冬期施工的考驗(yàn)，基坑各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，能滿(mǎn)足基坑地下結(jié)構(gòu)施工要求。通過(guò)方案優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新，在復(fù)雜地質(zhì)條件下的超深基坑施工中采用復(fù)合土釘墻＋樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，保證了基坑施工安全，加快了施工進(jìn)度。與地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)相比，經(jīng)濟(jì)效益非常明顯，對(duì)我國(guó)未來(lái)超深基坑的設(shè)計(jì)和施工有較強(qiáng)的借鑒意義和推廣價(jià)值。