樁錨聯合支護在某隧洞進口深基坑的應用

顧小兵，孫玉玥

(1.水利部水利水電規劃設計總院，北京 100120；2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

某隧洞工程的進口處設有大容量調節前池，前池和隧洞進口地段為堆積地貌，坡殘積層深厚。隧洞采取單向掘進方式，前池基坑開挖為隧洞施工提供開挖出渣和襯砌澆筑的唯一通道。前池基坑若采取大開挖方案，將在隧洞洞臉側形成近50m高邊坡，開挖影響范圍及工程量均較大。因此，隧洞洞臉和前池基坑支護是本工程工期控制點及實施難點。經分析論證和比選計算，采取了鋼筋混凝土灌注樁+預應力錨索的聯合支護方案對基坑進行支護。基坑開挖后期在隧洞洞臉側破樁入洞，實施效果良好。

1 工程區氣象及地形地質條件

工程區屬南亞熱帶濕潤季風氣候區，侵蝕構造丘陵地貌。多年平均年降水量達1819mm，多年平均降水日數為130d。每年4—10月的平均月降水量在100mm以上，降水量占全年的90%。隧洞進口處于山坡坡腳，邊坡下緩上陡，坡度為20°～40°。邊坡地表植被發育，第四系松散堆積物覆蓋較厚。前池和隧洞進口地段屬堆積地貌，地層結構自上而下主要為人工填土層、海積層、坡積層、殘積層及下伏的全、強風化的斑狀花崗巖。前池處地形較平坦，地面高程在8.00m左右。地下水主要賦存在海積層及殘積層中，埋深一般在3～5m，最大為8m。工程區屬于基本穩定區，地震基本烈度為Ⅶ度。前池和隧洞進口段主要地質參數建議值見表1。

表1 隧洞進口處主要地質參數建議值

2 基坑支護方案設計

前池基坑一側為隧洞洞臉，以洞臉為中心，基坑平面上呈八字形布置。基坑平面布置如圖1所示。

圖1 基坑平面布置如圖(單位：m)

基坑底面尺寸約為55m×40m，底高程為-10.10m。基坑上口高程3.50m以上為放坡明挖，坡比為1∶1.5。高程8.50m處設一級馬道平臺，平臺以上每隔10m高差設一2.0m寬的馬道。高程在3.50m以下的基坑采用樁錨聯合支護進行垂直開挖。

基坑最大垂直開挖深度約為13.6m，支護采用混凝土灌注樁+預應力錨索聯合支護形式。基坑支護結構和邊坡穩定計算采用理正深基坑支護設計軟件完成。計算中，針對不同灌注樁樁徑，樁底嵌入深度，錨索噸位，樁后土體不同c、φ值，在樁前不同開挖深度(每1.5m為一個分層開挖支護循環)及樁后不同水位(分別為3.5、1.5、-1.0、-4.5m)工況下，對邊坡整體抗滑穩定及抗傾覆穩定影響進行了敏感性分析，結果表明：

(1)支護體后地下水水位變化對支護結構受力影響較大，隨著樁后水位的升高，樁體受力及錨索內力呈增大趨勢，說明基坑開挖時應重視降排水措施。

(2)地質參數c、φ對結構受力亦影響較大，隨著地質參數c、φ的降低，樁體受力及錨索內力呈增大趨勢。當土的抗剪強度指標折減控制在20%以內時，變形在可控范圍內；若折減超過30%以上，則樁頂水平位移會迅速增大。

(3)當樁徑達到80cm之后，樁徑增大對樁體水平位移約束效果并不顯著，說明在特定條件下不宜過度采取加大樁徑方式。

(4)當錨索傾角在10°～25°時，樁頂水平位移在可控范圍以內，但低于10°的情形下，水平位移發展迅速。

(5)支護樁應穿過邊坡滑動圓弧線，嵌入深度越大、嵌入土層c、φ值越高，支護結構穩定性越強，即條件允許情況下支護樁盡量嵌入硬質土層。

綜上所述，設計采取支護結構布置如下：

灌注樁直徑為80cm，樁頂高程為3.50m，樁底伸入基坑底面以下6m，至高程-16.10m，樁長19.6m。樁頂設有冠梁，冠梁斷面尺寸為0.6m×0.8m。其中洞臉處灌注樁凈間距為0.7m；洞臉兩側灌注樁凈間距為1.2m。

錨索采用直徑為15.2mm(強度為1860MPa)的鋼絞線作為桿體材料。錨索間排距為3.0×3.0m，梅花形布置。計算錨索內力值最大為46.1t，設計取值為50t。錨索自由段長度和錨固段的計算值分別為10.5m和21.9m，設計確定總長度為35m，其中錨固段長度為23m。

為防止相鄰的灌注樁間土體被擠出，基坑內側土開挖后及時采用掛網噴混凝土防護。采用鋼筋網@200mm×200mm，噴混凝土15cm，φ25中空注漿錨桿，錨桿長度為3m，間距為1.5m。

經計算，邊坡整體抗滑穩定安全系數為1.52，抗傾覆安全系數為1.78。支護方案布置如圖2所示。

圖2 支護方案布置圖(高程單位：m；其他單位：mm)

3 實施過程中的調整

3.1 適時復核原支護設計并調整支護參數

施工期遭遇多次強臺風暴雨，受洞臉左側山坡沖溝影響，基坑所處坡腳地下水賦存豐富，埋深一般在3～5m，地下水位常年較高。實施過程中發現部分排水管排水不暢，基坑內降排水效果也不明顯。一方面，坑內樁前土擾動軟化未能有效形成被動土壓；另一方面，置換前池基礎擾動層也加大了基坑深度，由此導致了基坑實際受力情況遠差于計算模型邊界條件。故按新的地下水及排水條件，考慮一定土層參數指標折減，復核支護結構設計。根據調整工況后的計算結果，結合現場試驗錨索張拉情況，對基坑洞臉及兩側高程3.5m以下直立面錨索進行了局部加密調整。

3.2 加強施工期降排水以確保設計邊界條件

開挖期基坑支護面相當部分排水孔失效，基坑外圍地下水位得不到降低，錨索孔及洞臉部分管棚注漿管滲滴水不斷。為有效降低基坑側邊地下水位，確保支護結構穩定的設計邊界條件，增加了以下降排水措施。

(1)加密深層排水孔，排查并補做失效排水管。在噴有混凝土的斜坡面打排水孔，采用PVC帶孔花管，外包土工布。

(2)在基坑3.50m高程平臺的適當位置設單排線狀井點降水。基坑內采用無砂混凝土管井管降水。

(3)在基坑內設置明溝排水，明溝和集水坑隨基坑開挖下降。要求基坑內地下水位低于基坑最低開挖面0.5m以下。

(4)修復基坑周邊坡頂及坡面排(截)洪溝。3.50m高程平臺采取噴混封閉，內側設置截水溝。

3.3 聯動監測采取措施控制支護結構變形

基坑左側下挖至中部高度時遭遇連日暴雨，左側7#監測點水平位移達75mm。施工方根據基坑邊坡降雨應急預案，對左側開挖邊坡及平臺噴砼封閉，對上部3.5m高程平臺用彩條布臨時覆蓋。經現場研究并快速實施了以下應急措施：

(1)上部平臺減載

基坑左側3.5m高程以上土體對支護結構附加荷載較大，將其削坡卸載。同時，3.5m高程以上邊坡錨索應盡快張拉鎖定。

(2)注漿加固土體

基坑左側緊靠山坡的坡腳，土體相對松散。為提高土體力學性狀，對左側平臺土體進行了低壓力注漿加固處理。

(3)基坑內樁前預留原狀土體

基坑左側已開挖至-4.00m高程，根據現場實際情況，在左側基坑下挖施工中，樁前預留原狀土體并加以封閉。

此外，根據變形監測結果在基坑洞臉部位也加強了錨索應力檢測。定期或不定期對洞臉3.5m高程以上及基坑左側錨索按比例進行抽檢，對張力不足或應力松弛的錨索分區適時進行了補償張拉。

4 基坑工程安全監測

工程區基坑周邊無重要建筑物、管線道路和其他設施。考慮到基坑樁錨聯合支護體系的變形協調性及對周邊環境影響，變形監測及控制主要以不導致基坑失穩和保證施工人員的安全為準則。根據JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》相關規定，本基坑安全等級定為三級。

基坑及支護結構監測報警值應根據監測項目、支護結構的特點和基坑等級確定，以監測項目的累計變化量和變化速率值兩個值控制。按照GB 50497—2019《建筑基坑工程監測技術規范》監測報警的要求，本工程基坑變形報警值根據下挖深度按層確定，頂部水平位移累計值按相對基坑深度0.8%～1.0%控制，變化速率按15mm/d控制。實施中，在基坑上口冠梁上設有位移觀測點9處。其中WY01～WY02監測點布置在基坑右側，WY03～WY04監測點布置在洞臉，WY05～WY09監測點布置在基坑左側。

施工期安全監測采取現場儀器監測與人員巡視檢查相結合的方式，由具備相應質資的第三方監測單位全程開展。在實施預應力錨索張拉前，請第三方檢測單位按照設計要求，在錨索上安裝應力計，以監測預應力錨索應力變化情況。

考慮到4—10月雨水較多，其間安排專門安全人員巡視，加強現場位移監測，增設深層位移測量點，增設錨索測力計，并加強現場安全防護工作。發現險情，立即通知相關施工人員撤離，確保施工人員的人身安全。

經過數月觀測，根據監測數據記錄及回歸分析表明，隨著基坑下挖深度的增加，下挖深度及降水對頂部位移及速率變化影響較大。數次位移速率突變處均與暴雨強降水有關聯。由于本基坑三面臨空，平面上無四面相接的整體作用，多處觀測點尤其是左右側觀測點的累計變形值絕對值較大，但最大變化速率未突破預警值。監測數據見表2。

表2 監測點累計變形值及最大變化速率

選取其中兩個月觀測數據做回歸分析，如圖3、圖4所示。

圖3 水平位移數據回歸分析

圖4 水平位移速率數據回歸分析

5 基坑開挖實施要點

5.1 動態設計

在開挖與支護施工過程中進行動態設計復核，即要復核分層開挖支護設計參數，根據揭露地質情況及實測資料采取相應的必要的施工處理措施，以保證變形在設計要求范圍內。在項目實施過程中，樁錨支護結構的樁頂位移是有一定規律的，基坑下挖施加支撐或降水引起外水變化往往是監測變形的拐點。本項目在局部樁頂變形值較大的情況下，根據現場監測結果分析，對相應位置的支護方案適時調整并采取應急措施，有效控制了基坑變形發展。

5.2 有序施工

工程實踐表明，合理安排基坑開挖支護施工順序對控制基坑變形至關重要。基坑開挖應嚴格采取分區域、分層、分段開挖支護，隨挖隨錨，及時支護。對樁前土加以保護并適時開挖，盡可能縮短開挖部位無支護時間，減少無支護暴露面積。本項目在下挖過程中，嚴格按照要求每層1.5m深度下挖，每段長度根據鉆機數量、錨索施工時長合理確定，待上序錨索張拉鎖定后，方可進行下序基坑開挖。為增加樁前土抗力要求，開挖過程中要求施工單位在前池底板施工中采用跳挖的形式，分段分區開展開挖、基礎處理與回填施工。

5.3 加強排水

觀測資料表明，支護結構雨后的變形值及速率變化明顯增加，地下水對基坑穩定影響較大。施工期排水是保證基坑開挖能夠順利進行的關鍵因素，加強排水是阻止基坑變形進一步發展的重要措施。本項目基坑最大變化速率產生在連日暴雨后，累計位移最大點出現在基坑左側。左側山坡有沖溝引出的排洪溝影響，該部位地表水和地下水相對集中。因此，對基坑上部邊坡設置截水溝和排水溝，做好坡面截水和排水。在基坑下挖過程中，適時在樁間位置打入深層排水管，同時做好坑內引排水措施。

5.4 重視監測

基坑設計和施工要重視工程安全監測，規范建立相應的監測系統。及時準確的監測數據可為設計和施工提供科學決策依據，合理指導下步工作開展。聯動監測結果并動態優化樁錨支護結構，能有效控制基坑的水平位移及基坑周邊的沉降。同時，樁錨聯合支護的基坑監測應輔以錨索拉力檢測。張拉鎖定后的錨索，當監測到預應力損失超標時，應及時分析預應力損失原因，針對性地施以加固措施，并適時對錨索補償張拉。

6 結語

深基坑開挖采取樁錨聯合支護是一種非常有效的支護措施。通過傳過土體滑動面支護樁和錨索的聯合作用，阻止土體失穩并控制土體變形，確保工程安全運行。樁錨聯合支護不僅受地形地質及水文地質條件影響，實施過程中，施工組織安排、樁身強度及錨索拉力作用發揮等因素的影響也很大。不同基坑環境影響及作業影響因素不同，應在項目實施中動態地、有針對性地施以控制措施。

本工程采用鋼筋混凝土灌注樁+預應力錨索進行深厚坡殘積層深基坑防護。開挖與支護施工過程中加強監測數據的指導作用，開展了動態設計復核，針對性地制訂調整措施，合理安排基坑開挖施工順序并及時支護，為隧洞掘進提供了方便安全的作業通道，實施效果良好。