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高压旋喷锚索在深基坑设计中的应用

2024-08-21 32 上传者：管理员

摘要：文章以许昌市春秋广场地下车库基坑支护工程为例，详细描述了周边环境条件、场地岩土层分布、水文地质等方面的内容。随后，着重阐述了基坑设计的重点和难点、方案比选的过程及桩锚支护体系方案和计算过程。最后，结合变形监测资料对实施效果进行总结，表明该方案施工效果良好，可为类似工程提供参考。

关键词：
变形监测
地下车库
基坑支护
工程地质
高压旋喷锚索
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1、工程概况

项目位于许昌市中心城区，场地拟建地下二层停车场，用地面积15 363.2 m2，建筑面积22 715.4 m2，采用500 mm厚筏板基础，基础底面标高为59.73 m。工程场地建筑设计±0.000 m为69.73 m。拟建基坑平面呈长方形，南北宽约130 m，东西长80～120 m，周长456.5 m。基坑开挖深度10.5～12.0 m，坑底标高为59.73～60.73 m。

1.1基坑周边环境条件

基坑周边环境如图1所示，西侧距红线最近处约4.4 m，西邻学巷街，学巷街以西分布有多幢5F、6F多层砖砌房屋建筑，距基坑底口线约22 m，北侧分布有变压器，以及排水、给水、天然气管道。基坑北侧距红线最近处约4.2 m，北邻文庙前街，文庙前街以北为春秋楼景区，多为单层建筑，独立基础，距基坑底口线23～28 m，分布有排水、给水管道。基坑东侧距红线最近处约1.9 m，东邻奎楼街，奎楼街以东分布有天伦大厦，12F高层建筑，设有一层地下室，筏板基础，距基坑底口线约24 m，其余为多层砖砌房屋，分布有排水、给水、供电管道。基坑东侧距红线最近处约7 m，南侧为广场绿地，无重要建筑物，南侧约170 m为护城河。

1.2工程地质条件概况

在钻探揭露深度范围内，地基土均为第四系沉积土层，按照其形成地质时代、成因类型及其工程性质共划分了8个工程地质单元层，由上至下分述如下：

(1）杂填土（Q4al+pl）：杂色，松散状；以粉土为主，含碎石块及水泥块等建筑垃圾等包含物。

(2）粉土（Q4al+pl）：褐黄色和灰黄色，稍湿，稍密状；摇振反应迅速，无光泽反应，干强度低，韧性低；含零星钙质结核等包含物。夹条带状粉质黏土。

(3）粉土（Q3al+pl）：灰黄色，湿，密实状；摇振反应迅速，干强度低，韧性低。含少量钙质结核及铁锰质斑点等包含物，局部夹薄层粉质黏土。

图1基坑周边环境图

（图片来源：作者自绘）

(4）粉质黏土（Q3al+pl）：褐黄色，可塑～硬塑状；无摇振反应，切面较光滑，光泽很微弱，韧性中等～高，干强度高。含5%～15%粒径为0.1～1.5cm的钙质结核及铁锰质结核等包含物。局部夹薄层粉土。

(5）粉土（Q3al+pl）：褐黄色，湿，密实状；摇振反应迅速，干强度低，韧性低。含少量钙质结核及铁锰质斑点等包含物。

(6）粉土（Q3al+pl）：灰黄色，湿，密实状；摇振反应迅速，干强度低，韧性低。含少量钙质结核及铁锰质斑点等包含物。

(7）粉质黏土（Q3al+pl）：褐黄色和灰黄色，硬塑状；切面较光滑，韧性中等～高，干强度高。含5%～20%粒径为1～5 cm的钙质结核及铁锰质结核等包含物。

(8）粉质黏土（Q3al+pl）：棕黄色和褐黄色，硬塑状；切面较光滑，韧性中等～高，干强度高。含20%～30%粒径为1～5 cm的钙质结核及铁锰质结核等包含物。最大揭示厚度5.50 m，未揭穿。

1.3地下水概况

根据钻孔揭露，初见水位埋深在5 m左右，稳定水位埋深3.5～4.3 m（标高65.80～66.60 m）；在钻探控制深度范围内，地下水主要为潜水，本地区地下水主要接受大气降水补给，主要以地下径流形式排泄，地下水埋深主要受降水量等影响而变动，地下水随季节波动，年变化幅度为3～5 m。根据场地环境地质条件，本区环境类型属Ⅱ类。根据地质勘察报告，相应的土层计算参数见表1。

表1土的物理力学性质指标

1.4基坑工程特点及难点

1.4.1基坑规模及安全等级高

本工程基坑面积12 430 m2，最大开挖深度11 m，属大型深基坑。基坑安全等级为一级，设计使用年限为一年。

1.4.2基坑周边环境较复杂

基坑周边分布有大量建筑物，市政道路下埋设了众多管线，因此如何避免基坑变形过大引起周边建筑物及地下管线破坏是本次设计的重点。

1.4.3工程地质条件不良

场地上覆4～6 m厚杂填土，其成分复杂，常含建筑垃圾、生活垃圾，分布较稳定但力学性质差异较大，工程性质不可靠。下部土体主要为粉质黏土、粉土，工程性质一般，与锚杆黏结强度较低，抗拔力不足。

1.4.4水位降深较大

场地地下水埋深约为5 m，基坑最大深度12 m，水位最大需降深7 m。周边建筑物密集且保护级别较高，降水期间可能引起基坑周边地面沉降，引发建筑物及道路开裂，造成不良影响。

2、基坑支护方案

2.1方案比选

场地周边距红线过近，且要满足现场作业空间，故不具备桩顶放坡条件；周边环境复杂，防护等级较高，建筑物对位移敏感，对位移控制要求较高，故需采用刚度较大的支护方案；基坑需降水，为限制位移变形，考虑设置止水帷幕，故复合土钉墙方案不适用；场地上覆杂填土，性质不稳定，故需采用刚度较大的支护方案。

经过初步比选，本工程提出了两种支护方案。方案一为排桩+预应力旋喷锚索方案；方案二为双排桩支护方案。综合考虑安全性、经济性、施工可操作性、基坑周边环境、场地布置等多方面因素，最终选择了方案一。

2.2高压旋喷锚索特点

高压旋喷锚索为锚固段分过渡部分和扩大头部分。其特点如下：

(1）通过旋喷搅拌对场地土体高压喷射注浆，可有效改善锚固段周侧土体的力学性能。

(2）施工时成孔、喷浆、搅拌及插筋一次完成，解决常规锚索砂类土层、软土等地区易塌孔问题，保证施工质量。

(3）与常规锚索相比，通过旋喷形成的锚固体直径更大，锚固段长度更短；通过较大预应力张拉，有效约束变形，改善支护结构受力条件。

(4）水泥浆高压旋喷形成扩大头，可进一步提高锚索抗拔力。

因该基坑深度较大，土与锚杆黏结强度较低，按常规锚索设计长度过大，为有效提高锚固体周侧土体侧阻力，减小锚索设计长度，提供较大的抗拔力，最终选择了高压旋喷锚索工艺。

2.3桩锚方案设计

采用混凝土灌注桩+高压旋喷锚索+桩间土挂网喷射混凝土的支护形式，典型剖面图如图2所示，桩间设置高压旋喷桩与灌注桩咬合形成止水帷幕。

(1）支护桩设计：沿基坑周边设置混凝土灌注桩，桩径800 mm，有效桩长26 m，桩身混凝土强度等级C30，主筋保护层厚度50 mm。桩顶设置冠梁尺寸为900 mm×500 mm，混凝土强度等级C30。

(2）锚杆设计：侧壁设置三层预应力高压旋喷锚索，长度14.5～19 m，横向间距1 500 mm，纵向间距3 000 mm，锚索采用3根1×7φ15.2-1860型钢绞线。锚索孔径300 mm，扩大头直径不小于500 mm。采用水泥浆液扩孔工艺，应至少上下往返扩孔两遍，扩孔的高压喷射压力可取20～30 MPa。

(3）地表水处理：基坑周边砌筑挡水墙，设置排水管。坡顶至围墙的地面经回填压实后采用10cm厚C20混凝土全部硬化。地表裂缝处应予以封堵。

(4）降水设计：采用预制管井降水结合坑内明排的降水方案，在基坑内均匀布置38口降水井，降水井间距15～18 m，井深25 m。沿基坑外侧均匀布置8口监测井，井深18 m，监测井平面位置可视现场情况适当调整。降水井及监测井成孔直径700 mm，管井采用无砂混凝土井管（孔隙率≥15%），外径400 mm，内径300 mm，壁厚50 mm，井管外填充150 mm天然滤料；若降水困难，可以采用轻型井点辅助降水。为有效控制周边建筑及道路沉降，用以检测地下水变化情况。降水采用分阶段控制降水。

(5）监测设计：沿支护桩设置水平位移监测点及深部测斜观测点，间距约25m；在基坑周边建筑物、道路均匀设置地表沉降观测点，间隔30～40 m。

(6）其他：锚索腰梁采用20a槽钢，按要求通长设置。桩间土防护采用挂网喷射混凝土面层进行防护。基坑北侧BC段杂填土较厚，采用4排800 mm高压旋喷桩对杂填土进行加固处理。

2.4支护计算分析

本剖面设计采用理正深基坑设计软件及MIDAS/XD基坑设计软件计算，基坑侧壁安全等级为一级，结构重要性系数取1∶10；支护结构采用平面杆系结构弹性支点法，土压力模型采用弹性法土压力模型，沉降变形计算采用抛物线法，进行基坑开挖工况下变形规律分析。通过分析，基坑顶部水平位移及沉降随着开挖深度增大逐渐增大。

根据计算结果，理正深基坑及MIDAS/XD设计软件结果较近，灌注桩最大水平位移量约24 mm，地表最大沉降量约35 mm（见图3、图4），均满足相关规范要求。

3、变形监测数据分析

本项目根据设计及规范要求对基坑全过程进行了严密监测。通过现场基坑实际施工全过程监测结果反馈情况，设计采用灌注桩+高压旋喷锚索支护体系对邻近建（构）筑物、管线的影响可控，取得了预期的支护效果。

(1）基坑开挖期间，基坑顶部水平位移及沉降逐渐增大，开挖至设计标高以后，基坑顶部水平位移及沉降平缓增大且逐渐趋于稳定。变化曲线存在三个拐点，分别对应三道旋喷锚索施工及张拉施工节点，反映旋喷锚索张拉、锁定可有效控制基坑变形，改变了支护结构受力条件。基坑开挖至设计标高后，基坑顶部沉降相对于水平位移趋于稳定，说明降水水位稳定后，基坑顶部建筑物固结附加沉降变形逐渐减小，而受施工荷载影响，基坑顶部水平位移继续小幅度蠕变而趋于稳定状态。

图2支护剖面图（单位：mm）

图3桩身结构计算结果（最大开挖深度）

(2）基坑边中部位移明显大于周边角点处位移；实测最大水平位移为10 mm，地表最大沉降为19 mm，小于设计理论计算。推测影响因素有三：一是降水时土体固结、土体强度提高；二是旋喷锚索施工提高了周侧土体侧阻力；三是止水帷幕提供了一定的测量抗力。

(3）后期监测基坑临近建（构）筑物未发现裂缝、较大变形等现象，桩顶水平位移和临近道路、管线等沉降均未超过预警值，各类管线也正常运行，对周边环境变形影响较小。支护桩本身侧向位移、锚索拉力均未超过预警值，支护体系的强度、刚度、稳定性可控，基坑处于安全状态。基坑支护完成后恰逢河南郑州“7·20”特大暴雨，暴雨期间支护结构及周边位移、沉降等各项监测指标正常，基坑处于稳定运行状态。

4、结语

(1）结合现场环境条件、地层情况及工程设计实践经验，本基坑采用“钻孔灌注桩+高压旋喷锚索”取到了良好效果。

(2）基坑邻近建筑物、管线对降水引起的沉降比较敏感。采取分阶段降水措施，使坡体内水位下降，引起坡体土层含水率降低，土层的强度随之提高，有助于提高土层的侧阻力，确保基坑变形达到控制要求。

图4地表沉降图

（图片来源：作者自绘）

(3）高压旋喷锚索在黏结强度不高的土体中具有较大优势，可有效提高锚固体周侧土体侧阻力，提供较大的抗拔力，减小锚固段长度，节省工程投资。

参考文献:

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