樁錨聯(lián)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(guī)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(diào)節(jié)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(jīng)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(lián)合支護方案對基坑進行支護?；娱_挖后期在隧洞洞臉側破樁入洞，實施效果良好。

1 工程區(qū)氣象及地形地質(zhì)條件

工程區(qū)屬南亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，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(shù)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(fā)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(qū)屬于基本穩(wěn)定區(qū)，地震基本烈度為Ⅶ度。前池和隧洞進口段主要地質(zhì)參數(shù)建議值見表1。

表1 隧洞進口處主要地質(zhì)參數(shù)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?；由峡诟叱?.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(lián)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(lián)合支護形式?；又ёo結構和邊坡穩(wěn)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(huán))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(wěn)定及抗傾覆穩(wěn)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(nèi)力呈增大趨勢，說明基坑開挖時應重視降排水措施。

(2)地質(zhì)參數(shù)c、φ對結構受力亦影響較大，隨著地質(zhì)參數(shù)c、φ的降低，樁體受力及錨索內(nèi)力呈增大趨勢。當土的抗剪強度指標折減控制在20%以內(nèi)時，變形在可控范圍內(nèi)；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(nèi)，但低于10°的情形下，水平位移發(fā)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(wěn)定性越強，即條件允許情況下支護樁盡量嵌入硬質(zhì)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(nèi)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(nèi)側土開挖后及時采用掛網(wǎng)噴混凝土防護。采用鋼筋網(wǎng)@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(jīng)計算，邊坡整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.52，抗傾覆安全系數(shù)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(diào)整

3.1 適時復核原支護設計并調(diào)整支護參數(shù)

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(fā)現(xiàn)部分排水管排水不暢，基坑內(nèi)降排水效果也不明顯。一方面，坑內(nèi)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(shù)指標折減，復核支護結構設計。根據(jù)調(diào)整工況后的計算結果，結合現(xiàn)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(diào)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(wěn)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?；觾?nèi)采用無砂混凝土管井管降水。

(3)在基坑內(nèi)設置明溝排水，明溝和集水坑隨基坑開挖下降。要求基坑內(nèi)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(nèi)側設置截水溝。

3.3 聯(lián)動監(jiān)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(jiān)測點水平位移達75mm。施工方根據(jù)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(jīng)現(xiàn)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(nèi)樁前預留原狀土體

基坑左側已開挖至-4.00m高程，根據(jù)現(xiàn)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(jù)變形監(jiān)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(qū)適時進行了補償張拉。

4 基坑工程安全監(jiān)測

工程區(qū)基坑周邊無重要建筑物、管線道路和其他設施?？紤]到基坑樁錨聯(lián)合支護體系的變形協(xié)調(diào)性及對周邊環(huán)境影響，變形監(jiān)測及控制主要以不導致基坑失穩(wěn)和保證施工人員的安全為準則。根據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》相關規(guī)定，本基坑安全等級定為三級。

基坑及支護結構監(jiān)測報警值應根據(jù)監(jiān)測項目、支護結構的特點和基坑等級確定，以監(jiān)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(jiān)測技術規(guī)范》監(jiān)測報警的要求，本工程基坑變形報警值根據(jù)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(jiān)測點布置在基坑右側，WY03～WY04監(jiān)測點布置在洞臉，WY05～WY09監(jiān)測點布置在基坑左側。

施工期安全監(jiān)測采取現(xiàn)場儀器監(jiān)測與人員巡視檢查相結合的方式，由具備相應質(zhì)資的第三方監(jiān)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(jiān)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(xiàn)場位移監(jiān)測，增設深層位移測量點，增設錨索測力計，并加強現(xiàn)場安全防護工作。發(fā)現(xiàn)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(jīng)過數(shù)月觀測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shù)次位移速率突變處均與暴雨強降水有關聯(lián)。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(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

表2 監(jiān)測點累計變形值及最大變化速率

選取其中兩個月觀測數(shù)據(jù)做回歸分析，如圖3、圖4所示。

圖3 水平位移數(shù)據(jù)回歸分析

圖4 水平位移速率數(shù)據(jù)回歸分析

5 基坑開挖實施要點

5.1 動態(tài)設計

在開挖與支護施工過程中進行動態(tài)設計復核，即要復核分層開挖支護設計參數(shù)，根據(jù)揭露地質(zhì)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(nèi)。在項目實施過程中，樁錨支護結構的樁頂位移是有一定規(guī)律的，基坑下挖施加支撐或降水引起外水變化往往是監(jiān)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(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結果分析，對相應位置的支護方案適時調(diào)整并采取應急措施，有效控制了基坑變形發(fā)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?；娱_挖應嚴格采取分區(qū)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(jù)鉆機數(shù)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(qū)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(wěn)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(fā)展的重要措施。本項目基坑最大變化速率產(chǎn)生在連日暴雨后，累計位移最大點出現(xiàn)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(nèi)引排水措施。

5.4 重視監(jiān)測

基坑設計和施工要重視工程安全監(jiān)測，規(guī)范建立相應的監(jiān)測系統(tǒng)。及時準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)可為設計和施工提供科學決策依據(jù)，合理指導下步工作開展。聯(lián)動監(jiān)測結果并動態(tài)優(yōu)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(lián)合支護的基坑監(jiān)測應輔以錨索拉力檢測。張拉鎖定后的錨索，當監(jiān)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(lián)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(lián)合作用，阻止土體失穩(wěn)并控制土體變形，確保工程安全運行。樁錨聯(lián)合支護不僅受地形地質(zhì)及水文地質(zhì)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(fā)揮等因素的影響也很大。不同基坑環(huán)境影響及作業(yè)影響因素不同，應在項目實施中動態(tài)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(jiān)測數(shù)據(jù)的指導作用，開展了動態(tài)設計復核，針對性地制訂調(diào)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(yè)通道，實施效果良好。