深基坑預(yù)應(yīng)力旋噴錨樁圍護(hù)與內(nèi)支撐支護(hù)的施工效果對(duì)比分析

劉曉宇 龍 鵬 羅永成 游建華 王作明

中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430074

隨著我國建筑業(yè)的發(fā)展，深基坑的開挖深度更大、施工條件更復(fù)雜，施工過程中的安全、質(zhì)量、效益性等問題突出，因此深基坑支護(hù)工藝的設(shè)計(jì)、方案選擇顯得十分重要。本文就預(yù)應(yīng)力旋噴錨樁支護(hù)體系、內(nèi)支撐支護(hù)體系二者的施工效果進(jìn)行對(duì)比分析研究。

1 工程概況

常熟世茂商務(wù)中心項(xiàng)目3#地塊總承包工程總用地面積13 018 m2，總建筑面積154 542 m2，由B、C樓超高層建筑，6層商業(yè)裙房，地下車庫構(gòu)成。地下結(jié)構(gòu)為3層，土方開挖深度16～19 m，其中B、C主樓基礎(chǔ)為筏板-樁基礎(chǔ)，裙樓區(qū)域?yàn)槌信_(tái)-筏板-樁基礎(chǔ)，工程樁采用鉆孔灌注樁。

1.1 場地周邊環(huán)境

場地基坑?xùn)|側(cè)為寬14.0 m的規(guī)劃道路，已建成，其靠近基坑一側(cè)部分道路位于場地內(nèi)，規(guī)劃道路東側(cè)距離本工程地下室外墻16.7 m的位置存在雨污管線，其埋置深度約為1.5 m。場地基坑西側(cè)為待開發(fā)區(qū)域，規(guī)劃有1條寬24.0 m的道路，現(xiàn)場為空場地。項(xiàng)目北側(cè)A樓已運(yùn)營使用，其地下結(jié)構(gòu)為2層，局部區(qū)域?yàn)?層，其中B樓北側(cè)與A樓南側(cè)最近的地下室外墻距離為3.3 m?；幽蟼?cè)為市政道路，路寬31.0 m。

1.2 地質(zhì)概況

依據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，項(xiàng)目擬建場地地下區(qū)域深度約50 m以內(nèi)主要為粉土和黏性土，可劃分為8層，從上至下依次為①雜填土、②黏土、③粉土、④粉質(zhì)黏土夾粉土、⑤粉質(zhì)黏土、⑥粉土、⑦粉質(zhì)黏土、⑧粉砂夾粉質(zhì)黏土。圍護(hù)樁底端主要位于粉質(zhì)黏土層，本工程土方開挖深度為16～19 m。

1.3 圍護(hù)設(shè)計(jì)

本工程基坑坑底位于④粉質(zhì)黏土夾粉土中，結(jié)合本工程施工特點(diǎn)，基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)采用鉆孔灌注樁作為擋土結(jié)構(gòu)，外側(cè)設(shè)置三軸攪拌樁+φ800 mm@500 mm高壓旋噴樁作為止水帷幕。

B樓區(qū)域考慮到北側(cè)A樓區(qū)域有已建成的2層（局部1層）地下室，因此B區(qū)的圍護(hù)設(shè)計(jì)為內(nèi)支撐+鉆孔樁+旋噴樁+雙液注漿（局部增設(shè)1道錨樁）的形式（圖1、圖2）。1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)和C區(qū)的圍護(hù)形式則采用土釘護(hù)坡（-5.6 m以上）+鉆孔灌注樁+旋噴樁+3道預(yù)應(yīng)力旋噴錨樁（-5.6 m以下）。

圖1 基坑圍護(hù)

圖2 基坑圍護(hù)現(xiàn)場施工

其中，錨樁樁長在23～26 m之間，錨樁直徑500 mm，內(nèi)置3根φ15.2 mm鋼絞線，其中預(yù)應(yīng)力鋼絞線為7根鋼絲絞合而成，其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到1 860 MPa?？紤]錨樁的張拉施工，錨樁樁外留0.7 m鋼絞線，錨樁張拉設(shè)計(jì)值在400～700 kN之間（圖3）。

圖3 基坑圍護(hù)典型剖面

錨樁須養(yǎng)護(hù)15 d后再進(jìn)行下一步施工，先采用錨具鎖定鋼絞線，再逐級(jí)進(jìn)行張拉。其張拉過程為：錨樁正式張拉前通過20%的鎖定荷載進(jìn)行預(yù)張拉，隨后采用50%和100%的鎖定荷載進(jìn)行分級(jí)張拉，最后以110%的鎖定荷載維持5 min的超張拉，觀測錨頭無位移現(xiàn)象后鎖定荷載。

2 預(yù)應(yīng)力旋噴錨樁與內(nèi)支撐的施工技術(shù)特點(diǎn)

預(yù)應(yīng)力旋噴錨樁是預(yù)應(yīng)力錨桿與高壓旋噴樁工藝的結(jié)合，與單一的錨索相比，具有更大的承載力，在對(duì)基坑周圍管線及建筑無影響的條件下，可以實(shí)現(xiàn)以非內(nèi)支撐的方式滿足基坑圍護(hù)條件[1]。同內(nèi)支撐相比，預(yù)應(yīng)力旋噴錨樁的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在節(jié)省工期、降低施工造價(jià)方面[2]；內(nèi)支撐支護(hù)形式主要由內(nèi)支撐系統(tǒng)和擋土結(jié)構(gòu)組成，其承載力不受基坑條件影響，主要與自身設(shè)計(jì)與材料相關(guān)，在周圍建筑密集及土體承載力較弱的情況下有較大優(yōu)勢，但施工過程占用基坑空間，影響土方開挖，后續(xù)施工須進(jìn)行拆除，施工周期長，造價(jià)高[3]。

3 預(yù)應(yīng)力旋噴錨樁與內(nèi)支撐的對(duì)比分析

3.1 預(yù)應(yīng)力旋噴錨樁施工技術(shù)

3.1.1 施工設(shè)備

預(yù)應(yīng)力旋噴錨樁是在施工機(jī)具鉆頭鉆進(jìn)攪拌的同時(shí)，由機(jī)具中空孔向內(nèi)旋噴噴注一定的水泥漿，整個(gè)過程通過充分地將土體與水泥漿進(jìn)行攪拌混合，從而形成旋噴樁加固體（圖4）?？紤]到旋噴錨樁施工過程對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)，施工設(shè)備采用慢速攪拌中低壓旋噴機(jī)具，該設(shè)備施工的最大深度達(dá)到35 m，最大攪拌直徑為1.5 m。

圖4 錨樁樁體示意

3.1.2 施工工藝

預(yù)應(yīng)力旋噴錨樁成孔直徑依據(jù)設(shè)計(jì)施工圖紙實(shí)施，施工設(shè)備采用專用鉆機(jī)，其中錨樁的施工影響土方開挖的整體部署，應(yīng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)配合。為保證錨樁施工設(shè)備的工作面，在正式施工前開挖寬度應(yīng)不小于5 m、深度為錨索腰梁以下1.2～1.5 m的溝槽（圖5）。

圖5 錨樁鉆機(jī)溝槽內(nèi)施工示意

1）在預(yù)應(yīng)力旋噴錨樁的旋噴攪拌水泥土階段，其施工流程為：鉆進(jìn)→注漿→攪拌→插筋。根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，旋噴錨樁直徑500 mm。結(jié)合場地情況，旋噴施工工藝采用“進(jìn)退兩噴兩攪”，其中水泥漿液由鉆桿的中空孔向內(nèi)旋噴噴注，水泥土錨樁的水平向傾角均為20°。

2）預(yù)應(yīng)力旋噴錨樁注漿材料水灰比0.7，水泥摻入量占比30%；錨桿區(qū)段和擴(kuò)大頭區(qū)段注漿壓力值分別為20、25 MPa，施工過程錨樁水平提升速度均為0.45 m/min。

3）通過預(yù)應(yīng)力旋噴錨樁機(jī)具鉆桿的中空孔，在鉆機(jī)鉆進(jìn)的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)錨樁攪拌注漿，水泥土樁完成后，將2根鋼絞線及錨頭結(jié)構(gòu)件插入相應(yīng)深度，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行注漿。

4）錨樁內(nèi)置3根φ15.2 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每根鋼絞線由7根鋼絲絞合而成，其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到1 860 MPa，考慮到錨樁的張拉施工，錨樁樁外留0.7 m的鋼絞線。

5）鋼絞線外側(cè)的保護(hù)軟管，其上部位于圍檁外700 mm，在鋼絞線插入水泥土樁前應(yīng)進(jìn)行加固處理，其中穿過圍檁側(cè)面的鋼絞線與其成90°角。

6）預(yù)應(yīng)力旋噴錨樁施工遵循分段分層的開挖原則，其中分段長度不宜大于20.0 m，分層的厚度不宜大于2.0 m，待錨樁滿足14 d以上的養(yǎng)護(hù)時(shí)間并完成張拉鎖定后，進(jìn)行下層土方開挖。在土方開挖的過程中應(yīng)防止碰撞鋼絞線，每層土方開挖深度應(yīng)不超過旋噴錨樁下300 mm。

7）錨樁施工應(yīng)間隔2根跳打，相鄰錨樁間隔施工時(shí)間應(yīng)確保先施工的錨樁完成終凝。腰梁采用32b#工字鋼，腰梁與鉆孔樁之間的間隙采用C25細(xì)石混凝土填充密實(shí)（圖6）。

圖6 腰梁與圍護(hù)樁之間填充混凝土

3.2 內(nèi)支撐支護(hù)施工技術(shù)

3.2.1 換撐工藝

1）本工程中設(shè)置1道內(nèi)支撐，內(nèi)支撐梁頂部標(biāo)高-6.20 m，地下2層樓板面標(biāo)高-7.68 m，另一側(cè)為A樓已完成的地下室外墻（B區(qū)局部部分位置下設(shè)置1道錨樁）；內(nèi)支撐梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的80%以上（7 d以后），方可開挖該區(qū)域的土方（圖7、圖8）。

圖7 內(nèi)支撐示意

2）底板換撐：底板與灌注樁之間先回填黃砂，再做1塊厚500 mm的素混凝土傳力帶；當(dāng)?shù)装迮c圍護(hù)邊間距小于2 m時(shí)，采用素混凝土；當(dāng)?shù)装迮c圍護(hù)樁之間的間距大于2 m時(shí)，需要增設(shè)φ12 mm@200 mm雙層雙向鋼筋；傳力板帶的混凝土強(qiáng)度等級(jí)同樓板或者底板。

圖8 內(nèi)支撐局部設(shè)置錨樁示意

3）樓板換撐：樓板傳力主要依靠梁傳遞，因此在設(shè)計(jì)上要求將傳力梁與圍護(hù)結(jié)構(gòu)相接觸，形成傳力路徑。

4）后澆帶換撐：后澆帶換撐是在地下室后澆帶處設(shè)置型鋼，以便在后澆帶處進(jìn)行受力傳遞。

3.2.2 內(nèi)支撐支護(hù)拆除工藝

1）內(nèi)支撐支護(hù)拆除條件為相應(yīng)樓層板面結(jié)構(gòu)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%，結(jié)構(gòu)換撐完成且強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值后，方可進(jìn)行拆撐工作。

2）支撐拆除機(jī)械：選用50 t吊機(jī)將鎬頭機(jī)吊至大底板上，鎬頭機(jī)在大底板上進(jìn)行施工。為保護(hù)大底板，鎬頭機(jī)行走在橡膠墊上。

3）內(nèi)支撐拆除按照先拆角撐部位，再拆除對(duì)稱部位的拆除總原則；為防止出現(xiàn)支撐的不對(duì)稱受力影響格構(gòu)柱，主撐應(yīng)兩邊對(duì)稱拆除，如圖9所示（圖中數(shù)字為對(duì)應(yīng)的拆除順序）。

圖9 內(nèi)支撐主撐拆除示意

4）每個(gè)區(qū)域拆除時(shí)，為保護(hù)基坑邊緣的穩(wěn)定性，應(yīng)先斷開圍檁區(qū)域，再拆除支撐區(qū)域，實(shí)現(xiàn)基坑應(yīng)力的均勻釋放。支撐區(qū)域拆除時(shí)，應(yīng)先拆除連系梁等次要構(gòu)件，再進(jìn)行大梁等主要構(gòu)件的拆除，施工拆除機(jī)械從一端向另一端推移作業(yè)。混凝土破除完成后，進(jìn)行鋼筋切割作業(yè)[4-6]。

3.3 2種支護(hù)形式的對(duì)比

3.3.1 支護(hù)形式對(duì)施工部署的影響

土方開挖分區(qū)應(yīng)充分考慮預(yù)應(yīng)力錨樁與內(nèi)支撐支護(hù)的不同形式，結(jié)合施工后澆帶的劃分確定土方開挖分區(qū)部署。除B區(qū)一側(cè)外，整個(gè)基坑周邊幾乎都設(shè)計(jì)有錨樁，在同一分區(qū)內(nèi)整體施工錨樁，待張拉和鎖定完畢后，才能對(duì)土方進(jìn)行開挖，而其他區(qū)域土方開挖的前提為同層土方卸載前必須完成錨樁施工，內(nèi)支撐梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%時(shí)才能繼續(xù)開挖。充分考慮錨樁及內(nèi)支撐施工工況，將土方分層，其豎向厚度分別為3.0、3.0、3.2 m。常熟世茂基坑整體施工順序?yàn)椋核荁區(qū)、C區(qū)→裙房1區(qū)→裙房2區(qū)→裙房3區(qū)。這意味著錨樁施工順序同為整體施工順序，不得隨意調(diào)整（圖10）。

圖10 常熟世茂基坑分區(qū)

3.3.2 支護(hù)形式對(duì)工期、成本的影響

旋噴錨樁施工工藝為：定位→成孔→錨筋制作→腰梁制作→張拉與鎖定→封錨。工藝中成孔和錨樁養(yǎng)護(hù)占用工期時(shí)間較長，成孔平均12～15 根/（臺(tái)·d）。錨固強(qiáng)度大于15 MPa，并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%以上（按照注漿7 d以上控制）方可進(jìn)行張拉，待錨樁養(yǎng)護(hù)完成并張拉、鎖定、封錨后，再進(jìn)行整體開挖。

內(nèi)支撐支護(hù)施工工藝為：墊層施工→定位→鋼筋綁扎→封模→澆筑混凝土→拆除模板→下層土方開挖→換撐→內(nèi)支撐破除，內(nèi)支撐梁下設(shè)置格構(gòu)柱。工藝中結(jié)合本工程設(shè)計(jì)，待地下2層結(jié)構(gòu)板完成換撐后，拆除內(nèi)支撐，整個(gè)施工過程中，內(nèi)支撐延續(xù)時(shí)間長，占用施工空間，施工受限，影響施工進(jìn)度。內(nèi)支撐梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的80%以上（7 d以后）方可開挖該區(qū)域的土方，換撐及內(nèi)支撐拆除占用工期時(shí)間較長。

圖11為C區(qū)旋噴錨樁施工部署思路與B區(qū)內(nèi)支撐施工部署思路工期對(duì)比（其中B區(qū)基坑面積2 700 m2，C區(qū)3 152 m2），可以判斷出至土方開挖完成時(shí)，B區(qū)工期比C區(qū)提前5 d，最終完成至地下2層樓板時(shí)，C區(qū)較B區(qū)工期提前17 d。整個(gè)過程中，B區(qū)內(nèi)支撐涉及換撐及破撐，過程施工中支撐梁影響到地下結(jié)構(gòu)施工。

其中，B區(qū)基坑面積明顯小于C區(qū)基坑面積，B區(qū)采用內(nèi)支撐支護(hù)（局部增設(shè)1道錨樁）形式的造價(jià)為100萬元，C區(qū)采用預(yù)應(yīng)力旋噴錨樁圍護(hù)形式的造價(jià)為78萬元。整體對(duì)比分析，采用預(yù)應(yīng)力旋噴錨樁的圍護(hù)形式造價(jià)明顯要低于內(nèi)支撐支護(hù)造價(jià)。

圖11 B區(qū)、C區(qū)工期對(duì)比分析

4 結(jié)語

通過本項(xiàng)目深基坑預(yù)應(yīng)力旋噴錨樁圍護(hù)與內(nèi)支撐支護(hù)體系的工程施工對(duì)比可知：在受力性能方面，錨樁較錨索承載力有較大的提升，能滿足大部分基坑圍護(hù)的支護(hù)條件，與內(nèi)支撐相比無較大差異，但錨樁圍護(hù)對(duì)后續(xù)施工影響較小，施工流程較簡單；與內(nèi)支撐相比，錨樁形式的施工工期較短，造價(jià)較低，在施工過程中有更多的靈活性。

目前，部分建筑深基坑已采用預(yù)應(yīng)力旋噴錨樁圍護(hù)的形式，常熟世茂項(xiàng)目在此方面提供了相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)，可供今后類似支護(hù)工程參考。