深基坑支護(hù)工程預(yù)應(yīng)力懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

付雋蒼 李根源 崔萬海 劉 丹 彭 強(qiáng)

云南建投第二建設(shè)有限公司 云南 昆明 650203

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于昆明市呈貢新區(qū)彩云南路與駝峰街交叉口，場(chǎng)地東側(cè)為彩云路，東北角為昆明軌道交通1號(hào)線駝峰街地鐵站。項(xiàng)目基坑支護(hù)周長(zhǎng)約1 200 m，開挖深度8.3～13.8 m。基坑?xùn)|側(cè)為彩云南路，彩云路下有地鐵通道且基坑?xùn)|北角有地鐵站，基坑開挖線距離地鐵出入口約11.0 m，距彩云路圍欄約10.7 m，如圖1所示。

圖1 基坑位置平面示意

2 方案選擇

2.1 錨拉式支護(hù)

錨拉式支護(hù)結(jié)構(gòu)最常用的形式為樁錨支護(hù)，其優(yōu)點(diǎn)為力學(xué)性能較好，能為主體結(jié)構(gòu)提供廣闊的操作面，造價(jià)低，施工速度較快，可控性好。缺點(diǎn)為錨索不宜用在軟土層和高水位的碎石土、砂土層中；當(dāng)鄰近基坑有建筑物地下室、地下構(gòu)筑物等時(shí)，不宜采用錨索；當(dāng)錨索施工會(huì)造成基坑周邊建（構(gòu)）筑物的損害時(shí)，不應(yīng)采用錨桿。本項(xiàng)目靠市政道路部分地段不適宜使用。

2.2 支撐式支擋結(jié)構(gòu)

支撐式支擋主要有 排樁＋內(nèi)支撐地下連續(xù)墻＋內(nèi)支撐 兩種結(jié)構(gòu)形式，其優(yōu)點(diǎn)為：整體性能好，安全性較高；剛度大，變形小，有利于保護(hù)周圍環(huán)境；不侵入相鄰場(chǎng)地，支護(hù)結(jié)構(gòu)不超出紅線。缺點(diǎn)為：土方開挖及主體施工空間有一定受限；內(nèi)支撐造價(jià)高、工期長(zhǎng)。

由于工期長(zhǎng)、造價(jià)高，不利于主體結(jié)構(gòu)快速施工，內(nèi)支撐支護(hù)方案在本項(xiàng)目中不適宜采用。

2.3 普通懸臂式支擋結(jié)構(gòu)

普通懸臂式支擋結(jié)構(gòu)省去了錨桿（索）和內(nèi)支撐，支護(hù)結(jié)構(gòu)不超出用地紅線。在基坑支護(hù)深度較深時(shí)，樁頂位移較大，無法有效控制結(jié)構(gòu)變形，影響周邊環(huán)境安全。懸臂支擋結(jié)構(gòu)適用于開挖深度較淺、地質(zhì)條件較好的基坑支護(hù)工程。本項(xiàng)目基坑深度8.3～13.8 m，經(jīng)計(jì)算，普通懸臂式支擋結(jié)構(gòu)不能滿足基坑穩(wěn)定性要求。

2.4 雙排樁支擋結(jié)構(gòu)

雙排樁支擋結(jié)構(gòu)也是一種懸臂式支擋結(jié)構(gòu)，但它是一種鋼架結(jié)構(gòu)形式。相對(duì)于普通懸臂式支擋結(jié)構(gòu)，它的剛度更大，變形協(xié)調(diào)能力更強(qiáng)。雙排樁排距一般為3D～4D（D為支護(hù)樁樁徑），占用的場(chǎng)地較大，適用于開挖深度小于8 m、地質(zhì)條件較好、對(duì)變形控制不嚴(yán)的基坑。本項(xiàng)目支護(hù)范圍管線較多，場(chǎng)地受限，不具備施工雙排樁的條件。

2.5 預(yù)應(yīng)力懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)

預(yù)應(yīng)力懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)是在普通懸臂式支擋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對(duì)懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，使支護(hù)結(jié)構(gòu)由向坑外位移趨勢(shì)產(chǎn)生的土反力增量近似等于主動(dòng)土壓力，其與普通支護(hù)樁對(duì)比情況如下。

2.5.1 節(jié)約支護(hù)空間和節(jié)約材料

與常用的普通排樁支護(hù)相比，普通排樁支護(hù)在深基坑支護(hù)中往往采用雙排樁的支護(hù)形式，而采用預(yù)應(yīng)力懸臂支護(hù)樁一排即滿足基坑安全要求，從而在節(jié)約支護(hù)空間的同時(shí)也節(jié)約支護(hù)材料，可最大限度地利用地下空間。

2.5.2 綠色環(huán)保

采用預(yù)應(yīng)力懸臂支護(hù)樁在鋼筋籠中加入預(yù)應(yīng)力鋼絞線，灌注樁混凝土澆筑完成且樁身混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%時(shí)，張拉鋼絞線并鎖定，即可將土方開挖一次分層開挖至基坑底部，無需施工錨索腰梁，相比需在土體中施工錨索的普通支護(hù)樁，保護(hù)土壤資源，更加綠色環(huán)保。

2.5.3 節(jié)約工期

與傳統(tǒng)的普通排樁支護(hù)相比，預(yù)應(yīng)力懸臂支護(hù)樁在樁頂冠梁施工完成和鋼絞線張拉鎖定后，即可將基坑土方一次分層開挖至基坑底部，可縮短基坑支護(hù)施工周期。

2.5.4 懸臂高度大

普通排樁支護(hù)懸臂高度小，而采用預(yù)應(yīng)力懸臂支護(hù)樁，經(jīng)計(jì)算分析，其懸臂高度大，且樁頂、樁中部無需施工錨索腰梁進(jìn)行加固。

2.5.5 避免了地下遇到特殊地質(zhì)無法施工錨索的情況

基坑支護(hù)施工過程中，基坑北側(cè)地下遇到厚度厚且范圍廣的大量毛石回填層，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)分析討論和專家論證，若采用普通排樁支護(hù)，施工錨索時(shí)將會(huì)出現(xiàn)錨索施工鉆進(jìn)困難的情況，因此對(duì)基坑支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，在基坑北側(cè)采用預(yù)應(yīng)力懸臂支護(hù)樁進(jìn)行支護(hù)，有效避免了錨索施工難題，大大加快了施工進(jìn)度。

2.6 支護(hù)結(jié)構(gòu)選擇

項(xiàng)目基坑開挖深度8.30～13.10 m，采用內(nèi)支撐、斜撐等方案需占用地下室空間，且施工周期長(zhǎng)，對(duì)地下室施工影響較大，不能滿足總工期要求；若采用普通懸臂樁支護(hù)，經(jīng)驗(yàn)算基坑變形較大；若采用雙排樁，用地不足且成本高，不滿足綠色施工的要求；東側(cè)和北側(cè)為市政道路，錨索不得超出項(xiàng)目建設(shè)用地紅線垂直投影范圍。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，整個(gè)項(xiàng)目支護(hù)采取不同情況不同支護(hù)形式，既保證支護(hù)安全又充分考慮成本。基坑?xùn)|側(cè)采用上部放坡＋下部預(yù)應(yīng)力懸臂支護(hù)樁的支護(hù)方案，基坑北側(cè)采用預(yù)應(yīng)力懸臂樁支護(hù)方案，其他部位采用放坡＋普通支護(hù)樁＋預(yù)應(yīng)力錨索（可回收）支護(hù)方案，如圖2所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面示意

3 預(yù)應(yīng)力懸臂支護(hù)樁技術(shù)原理

普通結(jié)構(gòu)在主動(dòng)土壓力作用下，在基坑面處產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)角，該轉(zhuǎn)角使位移不斷累積，在支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部達(dá)到最大。其頂部的水平位移會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基坑面處的位移。

預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，使支護(hù)結(jié)構(gòu)由向坑外位移趨勢(shì)產(chǎn)生的土反力增量近似等于主動(dòng)土壓力。基坑開挖后，支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土反力隨位移逐漸減小為主動(dòng)土壓力后，支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑面以上的曲率不會(huì)發(fā)生明顯變化，而主要表現(xiàn)為平移。理想情況下，可實(shí)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑面處轉(zhuǎn)角為零，支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部的位移近似等于基坑面處的位移，如圖3所示，實(shí)現(xiàn)用預(yù)應(yīng)力控制支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的目標(biāo)。

圖3 預(yù)應(yīng)力懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)控制變形原理

4 預(yù)應(yīng)力懸臂支護(hù)樁施工工藝

1）承載板、固定板應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙大樣在工廠統(tǒng)一進(jìn)行加工、打孔、焊接，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)應(yīng)焊接在鋼筋籠的主筋及加勁筋上，如圖4所示，焊接焊縫質(zhì)量滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

圖4 預(yù)應(yīng)力支護(hù)樁鋼筋籠構(gòu)造

2）鋼絞線埋設(shè)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙分組分束進(jìn)行，埋設(shè)鋼絞線時(shí)應(yīng)先穿波紋管，再在波紋管中穿鋼絞線，鋼絞線的底端（支護(hù)樁樁端）用擠壓套進(jìn)行固定，如圖5所示，穿鋼絞線應(yīng)從支護(hù)樁的樁端往樁頂方向進(jìn)行。

圖5 鋼絞線與擠壓套擠壓成形

3）錨固板應(yīng)在工廠根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行統(tǒng)一加工打孔，錨具應(yīng)采用定型化成品錨具。

4）待預(yù)應(yīng)力支護(hù)樁冠梁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度75%以上時(shí)，可進(jìn)行預(yù)應(yīng)力樁鋼絞線張拉。錨具采用OVM系列；為保護(hù)混凝土不會(huì)受壓破壞，采用承壓板錨固，承載板采用Q235鋼板制作，形狀應(yīng)結(jié)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的截面形狀確定，廠家定制，板厚20 mm。

張拉機(jī)張拉力不小于1 000 kN，張拉前進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)標(biāo)定公式進(jìn)行換算，確定壓力值。支護(hù)樁澆筑完成，待樁頭鑿除后澆筑冠梁，冠梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%后進(jìn)行錨索張拉。鋼絞線逐根張拉，每根鋼絞線設(shè)計(jì)值為140 kN，張拉鎖定值為140 kN，每個(gè)孔道5根鋼絞線鎖定值為700 kN，如圖6所示。

圖6 錨固板、錨具

張拉完成后土方分層開挖至坑底，開挖深度不大于3 m/層，邊開挖邊監(jiān)測(cè)，若有異常應(yīng)立即停止土方開挖，及時(shí)進(jìn)行反壓，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，待設(shè)計(jì)給出處理方案后再進(jìn)行下一步施工。

5 施工監(jiān)測(cè)

5.1 基坑坡頂水平位移及坡頂?shù)孛娉两涤^測(cè)

為了保證基坑施工過程中的安全，做到信息化施工，施工過程中一定要做好位移及沉降監(jiān)測(cè)工作。通過監(jiān)測(cè)樁頂位移及坡頂沉降值、速率及地表變形情況，判斷基坑安全度，必要時(shí)采取措施加以控制，保證基坑和周圍地層穩(wěn)定安全。按設(shè)計(jì)圖中標(biāo)明的監(jiān)測(cè)點(diǎn)詳細(xì)位置布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用沖擊鉆打孔，膨脹螺絲塞入固定的方法。坡頂水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿基坑坡頂邊線設(shè)置，間距約5 m。坡頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿基坑坡頂設(shè)置，間距約5 m。開挖前測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于周邊永久控制點(diǎn)的差值。開挖過程定期監(jiān)測(cè)，取得數(shù)據(jù)加以分析，得出位移及沉降數(shù)據(jù)。

5.2 樁冠梁水平位移監(jiān)測(cè)

在預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂支護(hù)樁的冠梁頂設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用全站儀進(jìn)行樁頂水平位移監(jiān)測(cè)，土方開挖后每天進(jìn)行1次監(jiān)測(cè)直至變形收斂。

5.3 樁身深層水平位移監(jiān)測(cè)

預(yù)應(yīng)力懸臂樁深層水平位移監(jiān)測(cè)選用預(yù)埋測(cè)斜管、通過測(cè)斜儀器觀測(cè)各深度處水平位移。測(cè)斜管應(yīng)在鋼筋籠制作時(shí)固定在鋼筋籠上，提前埋設(shè)，隨灌注樁一起澆筑。深層水平位移觀測(cè)點(diǎn)在預(yù)應(yīng)力部位埋設(shè)10個(gè)，測(cè)斜管的埋設(shè)深度同樁長(zhǎng)，測(cè)斜管探頭置入測(cè)斜管底后，應(yīng)待探頭接近管內(nèi)溫度時(shí)再測(cè)量，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均應(yīng)進(jìn)行正、反兩次測(cè)量，豎向間隔0.5 m采集一次數(shù)據(jù)，預(yù)應(yīng)力懸臂樁的深層水平位移警戒值為30 mm。

5.4 樁冠梁頂預(yù)應(yīng)力鋼絞線內(nèi)力監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)儀器為壓力盒讀數(shù)監(jiān)測(cè)，錨索壓力盒設(shè)置于錨索上，土方開挖后每天進(jìn)行1次監(jiān)測(cè)直至變形收斂。

5.5 周邊地表豎向位移監(jiān)測(cè)

基坑周邊地面沉降或隆起量監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在坑邊中部和其他有代表性的部位，監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直基坑布置，采用水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)，支護(hù)結(jié)構(gòu)施工后每3 d進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)直至變形收斂。

通過各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，所有預(yù)應(yīng)力支護(hù)樁位移變形均未超過25 mm，滿足規(guī)范對(duì)基坑變形要求，確保了基坑支護(hù)安全。數(shù)據(jù)結(jié)果證明采用預(yù)調(diào)變形預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂支護(hù)樁工藝是可靠的（圖7）。

圖7 預(yù)調(diào)變形預(yù)應(yīng)力懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)效果

6 結(jié)語

本工藝通過理論研究分析、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，大面積運(yùn)用于滇池明珠廣場(chǎng)項(xiàng)目，取得了較好的效果。滇池明珠廣場(chǎng)二期建設(shè)項(xiàng)目彩云南路一側(cè)靠近軌交1號(hào)線，基坑開挖深度達(dá)到13.1 m，采用預(yù)調(diào)變形預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂樁工藝，為甲方節(jié)約工期120 d，并降低了基坑支護(hù)及土方開挖成本。預(yù)調(diào)變形預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂樁通過本項(xiàng)目施工研究，已經(jīng)形成一套完整、快速、成熟的施工體系，獲得了建設(shè)單位、監(jiān)理單位的一致好評(píng)。