大角度錨索在復(fù)雜條件基坑中的應(yīng)用

劉 琦

（遼寧省建筑設(shè)計(jì)研究院巖土工程有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110005）

1 概述

在上覆深厚填土，下臥花崗片麻巖的典型“上軟下硬二元地層”地區(qū)，當(dāng)基坑臨近樁基礎(chǔ)的既有建筑物時(shí)，采用大角度錨索將錨索錨固段進(jìn)入到樁基礎(chǔ)樁端以下的穩(wěn)定巖層中，既可以避免采用內(nèi)支撐方案對(duì)地下結(jié)構(gòu)施工的影響，又可以減小錨索對(duì)周邊樁基礎(chǔ)的影響。本文通過介紹大角度錨索的方案，旨在總結(jié)該方案支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的變形規(guī)律，以提出相關(guān)注意事項(xiàng)供工程技術(shù)人員參考。

2 工程概況

某工程位于撫順市城東新區(qū)，場(chǎng)區(qū)所處地貌單元為河流沖積階地。

擬建26#～28#高層建筑，采用框剪結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，地上34 層，大底盤地下室為地下2 層。場(chǎng)區(qū)整平地面標(biāo)高為88.80m，基礎(chǔ)底標(biāo)高為78.20m，開挖深度10.60m，強(qiáng)風(fēng)化巖層頂標(biāo)高為77.47～78.93m，基坑底部位于強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖層頂±0.73m。基坑南北寬度約54m，東西長約223m，周長554m，占地面積12518m2。

2012年之前場(chǎng)區(qū)局部因人工挖砂取土致使大部分區(qū)域原始土層缺失,堆積大量回填物且未整平,擬建場(chǎng)區(qū)挖砂后未及時(shí)回填而形成一水塘，2014 年前后，因45#～47#樓建設(shè)的需要，對(duì)本場(chǎng)區(qū)進(jìn)行了回填。

本文主要針對(duì)支護(hù)難度較大的南側(cè)ABC段基坑進(jìn)行論述。

ABC 段基坑外側(cè)臨近建筑物：擬建高層地下室外墻與南側(cè)圍擋距離為3.1m，地下室外墻與45#樓的距離為11.0m，與46#樓外墻的距離約9.0m，45#～47#樓場(chǎng)地回填土層底標(biāo)高為78.16～81.96m，回填土厚度為6.84～10.64m。45#～47#樓為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地上6 層，設(shè)1層半地下室，地下室埋深約2.2～2.5m，樁基礎(chǔ)（螺旋鉆孔壓灌混凝土樁，樁徑為400mm）單樁豎向承載力特征值為450kN，采用2～4 樁承臺(tái)，樁端進(jìn)入持力層強(qiáng)風(fēng)化巖0.8～1.0m。

ABC 段基坑外側(cè)臨近管線：擬建高層地下室與45#～47#樓之間埋藏眾多管線，管線主要分布于45#～47#樓外墻以北6.5m 范圍內(nèi)。管線有供電、通訊、自來水、供暖、燃?xì)狻⒂晁⑽鬯芫€，最靠近基坑邊的為供暖管線。基坑平面圖見圖1。

圖1 基坑平面圖

3 工程地質(zhì)條件

3.1 水文條件

場(chǎng)內(nèi)地下水埋藏類型為第四系松散層孔隙潛水，局部具承壓性，地下水主要含水層為砂土和圓礫層，相對(duì)隔水層為粉質(zhì)粘土及淤泥質(zhì)土層，天然條件下其補(bǔ)給源主要為大氣降水及河流側(cè)向補(bǔ)給，排泄以蒸發(fā)和地下徑流為主，水位有季節(jié)性變化，年變化幅度為1.50m 左右，地下水抗浮設(shè)防水位標(biāo)高為85.30m。表1為各土層的滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值。

表1 各層土的滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值

3.2 地層條件

2012 年年初對(duì)擬建場(chǎng)地進(jìn)行勘察，勘察鉆孔深度范圍內(nèi)揭露地層主要為雜填土層與第四系全新統(tǒng)沖洪積層，基底由太古界花崗片麻巖組成，各巖土層工程地質(zhì)特征分述如下：

①雜填土層：場(chǎng)區(qū)因人工挖砂致使大部分區(qū)域原始地基土被剝離，地表廣泛分布雜填土層，其呈雜色或黃褐色，主要成分為砂土、碎石、碎磚、粘性土、灰渣及建筑垃圾等組成，局部層底為擾動(dòng)淤泥質(zhì)土、砂土，欠固結(jié)，松散，稍濕—飽和。層底埋深0.80～10.50m，層厚0.80～10.50m，層底標(biāo)高78.08～86.01m。

①1素填土層：該層分布不連續(xù)。黃褐色，主要成分為砂土、粘性土、碎石組成。松散，稍濕—飽和。層底埋深1.50～7.10m，層厚1.50～7.10m，層底標(biāo)高80.97～82.34m。

①2冰水層：該層分布在場(chǎng)區(qū)北側(cè)26#～28#地下室和46#、47#樓處的水塘之中，冰水層厚度0.60～3.70m，水底標(biāo)高81.12～85.18m。

②淤泥質(zhì)土層：該層分布不連續(xù)。灰褐色或灰黑色，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，無搖震反應(yīng)，干強(qiáng)度低，韌性低，切面略有光澤，具腥臭味，流塑，很濕，夾砂土薄層。層底埋深為3.00～6.80m，層厚0.50～3.10m，層底標(biāo)高80.70～84.41m。

②1粉質(zhì)粘土層：該層分布不連續(xù)。黃褐色，局部灰綠色，局部夾有粉土或砂土薄層。軟塑，稍濕—濕。層底埋深為2.00～5.50m，層厚0.60～1.30m，層底標(biāo)高83.44～85.32m。

③粗砂層：該層分布較連續(xù)。黃褐色，局部灰褐色，混有少量礫石，局部夾中細(xì)砂或淤泥質(zhì)土薄層。濕—飽和，松散，局部與粘性土或圓礫互層。層底埋深為2.30～9.20m，層厚0.50～6.20m，層底標(biāo)高78.21～83.63m。

④圓礫層：該層在場(chǎng)區(qū)內(nèi)分布較連續(xù)，局部因人工取土已尖滅。礫石一般粒徑2～20mm，最大粒徑40～80mm，充填中粗砂，密實(shí)狀態(tài)多變，各亞層形狀不再贅述。

⑤構(gòu)造破碎帶：灰白色，局部灰綠色，主要成分為構(gòu)造蝕變次生礦物及構(gòu)造巖屑，充填斷層泥，構(gòu)造巖屑原巖成分為花崗片麻巖。

⑥1花崗片麻巖（強(qiáng)風(fēng)化）：該層為場(chǎng)區(qū)基底巖石層。黃褐色，局部灰綠色，軟巖，巖體破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。

⑥2花崗片麻巖（中等風(fēng)化）：灰色或灰綠色，中等風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，較軟巖，巖體較破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

ABC段基坑外側(cè)典型地質(zhì)剖面參見圖2，相應(yīng)地基土(巖)層物理力學(xué)指標(biāo)參見表2。

表2 地基土(巖)層物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

圖2 典型地質(zhì)剖面圖

2014年，因45#～47#樓建設(shè)的需要，對(duì)場(chǎng)區(qū)原水塘、低洼進(jìn)行回填。回填后場(chǎng)地的平均標(biāo)高均在89.00m左右，形成上部為深厚填土的地層分布情況。

4 支護(hù)選型及降水設(shè)計(jì)

本文僅針對(duì)支護(hù)難度較大的南側(cè)ABC段進(jìn)行論述。

支護(hù)方案：鑒于復(fù)雜、不利的地質(zhì)條件、周邊環(huán)境，南側(cè)必須垂直支護(hù)，需要采用支護(hù)樁，支護(hù)樁需要嵌巖，并保證3.0m 以上的嵌固深度。考慮到北側(cè)基坑放坡，則南北兩側(cè)難以形成連續(xù)貫通的水平內(nèi)支撐體系。如采用斜支撐，則斜撐需要穿越頂板、地下室側(cè)墻，地下結(jié)構(gòu)留置洞口太多；且基坑肥槽工作面狹窄，較大截面的混凝土圍檁難以實(shí)現(xiàn)。故不建議采用內(nèi)支撐、斜撐的方案。同時(shí)考慮現(xiàn)場(chǎng)平面尺寸，也不具備雙排樁施工條件，故考慮采用單排樁+錨索支護(hù)方案。

支護(hù)樁可有三種選擇：第一種螺桿樁，該設(shè)備功率較長螺旋大，鉆進(jìn)過程基本不返土，可進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖，完成600mm直徑的支護(hù)樁；第二種旋挖樁，該設(shè)備預(yù)計(jì)需要280型以上，鉆進(jìn)過程采用鋼護(hù)筒或泥漿護(hù)壁，可進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖，完成600～1000mm支護(hù)樁；第三種沖擊成孔，適用地層廣，速度慢。

南側(cè)錨索可采用如下方案：第一種，通過躲避45#～47#樓樁基礎(chǔ)的方式，施工傾角為10°～20°的普通錨索；第二種，采用大角度錨索，錨固段達(dá)到45#～47#樓樁基礎(chǔ)樁端以下。由于45#～47#樓回填土質(zhì)量無法評(píng)判、回填土類多種、而且存在原有水塘底層淤泥，眾多不確定性及考慮到錨索躲避45#～47#樓工程樁的難度，故決定采用第二種錨索方案。

最終確定支護(hù)方案確定為：單排樁+錨索支護(hù)。經(jīng)計(jì)算：支護(hù)樁采用?800@1300，設(shè)2～3 排45°角錨索，腰梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，與支護(hù)樁植筋相連。支護(hù)方案詳見圖3、圖4。

圖3 AB段支護(hù)設(shè)計(jì)剖面圖（單位：mm）

圖4 BC段支護(hù)設(shè)計(jì)剖面圖（單位：mm）

降水方案：大口井降水+明排+盲溝。降水井布置于支護(hù)樁的外側(cè)（基坑外側(cè)降水）。盲溝縱橫網(wǎng)格狀布置于地下室大底板范圍內(nèi)，將水導(dǎo)向坑內(nèi)集水井。盲溝內(nèi)填充大粒徑碎石。支護(hù)結(jié)構(gòu)下部1.0m 左右不噴護(hù)，支護(hù)樁部位采用樁身插筋塞砂草袋進(jìn)行反濾及排水，放坡部位采用堆碼砂袋進(jìn)行反濾及排水，具體方案視工作面寬度而定。坑內(nèi)底板范圍內(nèi)的降水井施工過程中注意做好封井防水措施。

為保證基坑施工及使用期間安全，本工程采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法，信息化施工。

5 支護(hù)樁施工設(shè)備

根據(jù)調(diào)查，撫順當(dāng)?shù)刈畲蠊β实拈L螺旋鉆機(jī)該場(chǎng)地可進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖1.2m；根據(jù)本工程場(chǎng)地的施工經(jīng)驗(yàn)帶合金鉆頭的普通長螺旋鉆機(jī)可進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖0.8m；螺桿樁施工800mm直徑支護(hù)樁難度較大。綜合考慮施工機(jī)械的實(shí)用性及生產(chǎn)能力，最終采用旋挖鉆機(jī)進(jìn)行支護(hù)樁的成孔施工。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際先后采用了山河260 型旋挖鉆機(jī)及徐工280型旋挖鉆機(jī)，根據(jù)施工情況，本工程采用280型旋挖鉆機(jī)更適合。

6 錨索施工設(shè)備

不具透氣性且抗風(fēng)能力差的地層采用高壓氣動(dòng)的施工機(jī)械進(jìn)行錨索或土釘成孔時(shí)，會(huì)使孔周邊土體產(chǎn)生很大的塑性區(qū)，即擾動(dòng)影響比較大[1]。為保證基坑周邊建筑物及管線的正常使用，本工程設(shè)計(jì)方案要求錨索不得采用風(fēng)壓鉆機(jī)成孔，應(yīng)采用液壓頂驅(qū)鉆機(jī)或帶合金鉆頭的回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔，鉆進(jìn)過程應(yīng)采用套管跟進(jìn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，結(jié)合本工程的特點(diǎn)，選用安曼HDL-180C 型頂驅(qū)鉆機(jī)施工，該類型鉆機(jī)采用頂驅(qū)鉆機(jī)，避免了高壓氣動(dòng)對(duì)土體的塑性破壞。在施工過程中，該鉆機(jī)的日進(jìn)尺約為100m。

7 基坑監(jiān)測(cè)

本基坑工程ABC 段安全等級(jí)為一級(jí)，對(duì)基坑的樁頂水平位移、地面沉降、建筑物沉降、周邊管線沉降、錨索內(nèi)力等進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)平面圖詳見圖5。

圖5 基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面圖

本工程于2020 年9 月開始基坑支護(hù)樁的施工，并于2020年11月中旬完成南側(cè)支護(hù)樁的施工，2020年12月4日開始挖土方至第一排錨索標(biāo)高。受新冠疫情等影響，項(xiàng)目施工進(jìn)展緩慢。2021 年3 月24 日開始挖土并陸續(xù)開始第一排錨索施工，2021 年6 月10 日第一排錨索張拉、鎖定；2021 年6 月14 日施工第二排錨索，2021 年7 月23 日第二排錨索張拉鎖定；然后陸續(xù)施工第三道錨索，大約于2021 年8 月30 日完成了第三排錨索的施工、張拉及鎖定。截至2022年3月7日，本項(xiàng)目尚在進(jìn)行地下室主體的施工，南側(cè)局部區(qū)段基坑已回填。樁頂水平位移、地面沉降、建筑物沉降及周邊管線沉降的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（累計(jì)值）詳見表3～表6。

表3 基坑ABC段樁頂累計(jì)水平位移一覽表

表4 基坑ABC段地面累計(jì)沉降一覽表

表5 基坑ABC段臨近建筑物累計(jì)沉降一覽表

表6 基坑ABC段臨近管線累計(jì)沉降一覽表

基坑ABC段支護(hù)樁的水平位移主要發(fā)生在基坑開挖至第一排錨索標(biāo)高的階段（圖6），分析原因?yàn)椋?020年12月～2021年3月，錨索尚未施工，支護(hù)樁上部懸臂段土壓力較大，且經(jīng)歷冬季，基坑側(cè)壁受凍脹力影響較大；該階段的變形量約占到累計(jì)總變形量的50%～70%。第二、三排錨索施工階段，樁頂水平變形的增量較小。但在2022年11月～2022年3月，基坑第二次越冬，期間樁頂變形量均大于錨索施工各階段累計(jì)的變形量。根據(jù)分析，可知：基坑在越冬期間，支護(hù)樁懸臂高度及凍脹力對(duì)支護(hù)樁頂?shù)乃阶冃斡绊懽畲蟆?/p>

基坑ABC 段地面沉降主要發(fā)生在兩個(gè)階段，第一階段為2021 年3 月之前，該階段的沉降變形量約占到累計(jì)總變形量的60%。第二階段為2021年3～8月，沉降量約占到累計(jì)總變形量的40%。基坑第二次越冬期間，地面沉降或隆起量較小，可不予考慮。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，第一階段的沉降主要是因?yàn)榛硬捎蒙喜糠牌?下部樁錨支護(hù)的方案對(duì)地面沉降影響較大；第二階段主要是施工工藝（比如震動(dòng)等）及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形所造成的地面沉降。見圖7。

基坑ABC 段建筑物沉降主要發(fā)生在2021 年3～8月（圖8），該階段的沉降變形量約占到累計(jì)總變形量的50%～70%。即：樁基礎(chǔ)的沉降一直伴隨著錨索的施工持續(xù)發(fā)展，直至錨索施工完畢，沉降變形方才收斂、穩(wěn)定。由于建筑物采用的是樁基礎(chǔ)，與基坑的最小距離為6.2m，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形對(duì)建筑物的沉降影響較小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析，建筑物沉降的主要原因應(yīng)是錨索施工時(shí)的震動(dòng)影響，受基坑開挖支護(hù)過程產(chǎn)生的變形的影響較小。

基坑與臨近建筑物之間的地下管線，沉降主要是發(fā)生在2021年3月23日～5月13日（圖9），即第一層錨索施工階段。有個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降過大，但經(jīng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)后期沉降都基本穩(wěn)定。該階段沉降較大的原因主要是錨桿施工時(shí)的震動(dòng)，造成松散的雜填土產(chǎn)生了豎向變形。第二排、第三排錨索施工時(shí)，由于錨索角度較大，震動(dòng)對(duì)上部管線的影響明顯減弱。

圖9 基坑ABC段管線沉降時(shí)程曲線

結(jié)合基坑周邊建筑物的沉降、管線的沉降，發(fā)現(xiàn)支護(hù)樁頂部的水平位移一直處于較小的狀態(tài)，尤其是錨索施工期間，樁頂水平變形增量不大于10mm。可以推測(cè)，錨索采用頂驅(qū)鉆機(jī)成孔的工藝對(duì)樁頂?shù)乃阶冃斡绊懖淮蟆?/p>

8 結(jié)論

（1）在上覆填土，下臥基巖的典型“上軟下硬”二元地層地區(qū)，基坑臨近采用樁基礎(chǔ)的既有建筑物時(shí)，采用大角度錨索并將錨索錨固段設(shè)置在樁基礎(chǔ)樁端以下的穩(wěn)定巖層中，既可以避免采用內(nèi)支撐方案對(duì)地下結(jié)構(gòu)施工的影響，又可以減小錨索對(duì)樁基礎(chǔ)的影響。大角度錨索方案具有適用性、可靠性，可為類似工程借鑒參考。

（2）對(duì)于上述地層的地區(qū)，確定合理的施工方案及選擇合理的施工設(shè)備都十分重要。基坑外側(cè)存在重要建筑物時(shí)，為避免高壓氣荷載的影響，錨索的施工設(shè)備不宜采用風(fēng)壓成孔的鉆機(jī)，而應(yīng)采用液壓頂驅(qū)鉆機(jī)或帶合金鉆頭的回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔。從基坑變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律可知，頂驅(qū)錨桿鉆機(jī)施工時(shí)的震動(dòng)亦會(huì)對(duì)臨近采用樁基礎(chǔ)的建筑物產(chǎn)生影響，而且樁基礎(chǔ)的沉降一直伴隨著錨索的施工持續(xù)發(fā)展，直至錨索施工完畢，沉降變形方才收斂、穩(wěn)定，但樁基礎(chǔ)的累計(jì)沉降值基本都處于可控范圍；淺層錨索施工時(shí)的震動(dòng)對(duì)上部管線的影響較大，隨著一排排錨桿標(biāo)高的降低，底層錨索施工時(shí)的震動(dòng)對(duì)上部管線的影響明顯減弱。采用頂驅(qū)鉆機(jī)進(jìn)行錨索成孔時(shí)，對(duì)樁頂?shù)乃阶冃斡绊懖淮螅珣?yīng)注意對(duì)周邊建筑物的沉降、管線的沉降的監(jiān)測(cè)。

（3）越冬期間的基坑，受凍脹力的影響，樁頂?shù)乃轿灰戚^大。建議越冬的基坑，盡量減小支護(hù)樁懸臂段高度，以控制樁頂?shù)乃阶冃巍?/p>

（4）采用放坡+樁錨支護(hù)的方案，上部放坡段的穩(wěn)定性及沉降控制同樣重要；放坡段較高時(shí)，可適當(dāng)采用放緩坡度、土釘墻、注漿加固等方式對(duì)上部土體進(jìn)行處理，以免地面發(fā)生過大沉降。