预应力锚杆在软土深基坑围护中的应用

预应力锚杆在软土深基坑围护中的应用

张海祥  张欲锋

摘要：海盐县文化展示中心工程基坑围护采用了短土钉、砼灌注桩、水泥搅拌桩、内支撑及预应力锚杆结合深井降水的基坑围护方式。其中在软土中采用预应力锚杆在嘉兴地区尚属首次施工。现基坑土方回填已完成，从基坑施工过程中的基坑检测数据分析上述方案是合理、成功的，且具有其他方式所没有的经济性。

关键词：深基坑、软土地基、预应力锚杆、经济性

一、工程概况

海盐县文化展示中心工程位于海盐县武原镇文昌路南、新桥路西侧地块。工程主体为一幢4层的文化展示中心（辅楼1～2层），地下室1层（局部2层）地下室组成，工程总建筑面积52202.71m2（其中地上15390.45 m2，地下36812.26m2）。基坑大范围计算开挖深度为9.0m～9.15m，电梯井处深度为9.75m～10.25m。。基坑平面为不规则多边形，东西向最大长度约280m，南北向最大长度约130m，总周长约820m。

二、基坑围护方案的确定

1、基坑周边环境

本基坑周边环境较复杂，西南侧有国家级重点文物保护单位“海盐绮园”，按文保单位要求，本工程施工必须保证绮园内假山等构筑物不变形，且不能改变园内上部及地下的水系流动从而影响园内树木生长。东北角有省级重点图书馆“张元济图书馆”。北侧为文昌路，路下埋设有自来水管以及通讯管线，基坑距离现施工围墙约5.2m，但该段路已纳入改建，施工阶段封道作为施工场地，市政管线拟移位，基坑距离文昌路北侧道路边线约20m。基坑东南角是海盐宾馆，距建筑物最近点约8M ；基坑东侧为海盐县南北主通道“新桥路”，且路下埋设有雨水、自来水、污水以及电信等多种管道线路，其中有些对基坑变形比较敏感，东侧管线局部距离基坑最近处约5M。详见附图：

2、场地工程地质条件

根据工程地质勘察报告，拟建场地土质情况自上而下分述如下：

①杂填土；②-1粉质粘土；②-2砂质粉土；②-3砂质粉土；③淤泥质粉质粘土；④砂质粉土。地基各土层的主要物理力学指标见表1。

表1 基坑开挖范围土体力学参数

在勘察报告中提供的②-1层水平、竖直方向渗透系数分别为5.80´10-7cm/s、1.06´10-7cm/s，②-2层水平、竖直方向渗透系数分别为2.76´10-5cm/s、2.03´10-5cm/s，②-3层水平、竖直方向渗透系数分别为2.81´10-5cm/s、1.26´10-7cm/s，表明②-1层透水性较弱，②-2、②-3等土层的渗透性较好，应注意采取降水措施。

3、确定基坑围护方案

该工程业主要求在总工期450天内完成并在350天内地下室要交付商场装修，综合本基坑外部环境特点，以及基坑自身受力合理、施工可行及围护造价低等多方面综合考虑，设计采用Φ600～Φ800钻孔灌注桩作为挡土结构，并在周边卸除3m高土体；其内采用土层预应力锚杆、土钉、钢筋混凝土内支撑并在坑内和坑外均设置深井降水的多种围护措施相结合的方案。

经专家论证后最终方案如下：对整个基坑周边卸土至-3.4m标高，卸土宽度结合场地条件，基坑西侧卸土宽度6m，其余部分保证不小于3m（绮园边除外）。基坑东南角、绮园两侧、西北角、东北角等阳角部位采用砼钻孔灌注桩结合钢筋砼内支撑；无内支撑部分采用砼钻孔灌注桩结合一道预应力锚杆及土钉的围护；主要断面采用砼钻孔灌注桩加两道预应力锚杆，基坑内外采用深井降水，地下水标高控制在基坑底下50cm左右。（典型断面见图2）

三、基坑施工概况

1、施工工艺控制重点

本工程基坑围护重点在于基坑的预应力锚杆及深井降水；工程周边建筑大多数为砖混浅基建筑，且对海盐绮园周边必须采用控制性降水，以保证海盐绮园内地下水系的流动。根据现场降水试验的观测结果和类似工程的经验并经理论计算，本工程直接降水至9.5m左右引起的坑外地表沉降小于3cm，降水对周围环境的影响范围约20～30M；因此在基坑外建筑物较密集部位（海盐宾馆、海盐绮园等）的挡土结构外采用水泥搅拌桩围堵，以控制降水范围；其他部位采用深井降水，并结合每天基坑检测数据随时进行调整。

2、施工顺序安排

施工过程中先行施工基础管桩→基坑外侧-3.4m以上标高卸土→结合卸土进度施工短土钉及面层喷锚施工→部分区段有水泥搅拌桩的现行施工，同时砼钻孔灌注桩施工→深井施工→钢筋内支撑及第一道围护压顶灌梁开挖→上部预应力锚杆施工→压顶灌梁施工→上部预应力锚杆施加预应力及锁定→基坑四周卸土至第二道预应力锚杆标高（喷锚围护同步进行）→第二道预应力锚杆施工→中间围梁施工→第二道预应力锚杆施加预应力及锁定→土方大面积开挖（喷锚围护同步进行）

3、预应力锚杆施工

本基坑围护重点在于预应力锚杆的施工及其过程中的工艺控制。本工程中预应力土层锚杆，采用专用土层锚杆施工机械在设计标高的孔位上钻孔，孔内埋设按设计要求制作好的高强度钢筋，通过对锚固段灌注高强度等级水泥砂浆，待锚固段砂浆体达到设计强度后对锚索体施加张拉应力，使得锚锭板带动锚固体发生位移趋势，锚固体与周围土体产生抗拔摩阻力，通过锚具与钢台座反作用于混凝土连续梁，对挡土墙起拉结和抗倾覆作用。本基坑设计典型断面见图2，预应力锚杆制作如图3所示。

 图2 排桩结合土层锚杆支护剖面布置

图3预应力锚杆锚头构造

预应力锚杆在施工过程中控制要点一是保证其施工完成后达到设计的抗拔力设计抗拔力分别为260kN（第一道）和370kN（第二道）；二是要保证施加合适的预应力（不能过大和过小）；三是保证锚固可靠（保证基坑施工过程中锚杆处于合理的受力状态）。

采用机械专用成孔机的成孔实况见图4。

图4：专用土层锚杆施工机械

施工时在砼压顶冠梁垫层浇筑完成并将灌注桩头破除后，按设计标高及间距放线定位后，用土层锚杆施工机械开钻完成后，在钻孔机钻管内将制作好的钢筋锚杆安放到位，然后取出钻孔机钻管，再开始采用纯水泥浆分两次压力灌实，然后施工砼冠梁。待水泥浆达到一定强度后按设计按设计要求施加预应力，见图5。

图5：预应力锚杆施加预应力

经施工现场采样观察，采用带水钻孔后成孔较好，未出现塌孔现象，发现塌孔可以再次复钻，可以保证成孔质量。为保证25m的预应力锚杆因自身自重较大，放在孔内后易出现钢筋触底，从而使底部锚杆包裹层达不到一定厚度，在锚杆制作时做好锚杆架立筋，如见图6所示；实际施工时采用铁皮焊接成圆环状，加短钢筋固定预应力锚杆，已保证水泥浆注浆过程中预应力锚杆的位置准确，保证锚杆体与孔内壁土体的接触面积。

图6：预应力锚杆架立筋做法

基坑围护冠梁施工完成后，现场抽取三根锚杆做抗拔试验，试验结果见表2（其中第三根锚杆做破坏性试验）：

表2：预应力锚杆现场抗拔试验数据

试验结果表明，本工程预应力锚杆的施工和设计完全达到了预期效果，是成功的。

四、基坑检测情况

    在基坑施工过程中，由业主单位委托专业监测单位对基坑进行全过程监测。施工过程中，项目部严格遵循设计意图，尽可能减少基坑底暴露时间（见图6）。通过基坑检测单位监测数据的分析表明，基坑施工过程中的各监测点深层土体位移均未超过警戒值。

图6 基坑局部近况

基坑水位孔监测数据显示，基坑周边大范围降水深度在9.04~9.81之间，但绮园和海盐宾馆附近的水位孔内降水深度在5.16~5.62之间，基本达到了原设计的意图，既保证了基础施工，又确保了海盐绮园等重点部位周边的水位控制，从而把基坑施工对周边建筑物、构筑物的影响控制在最小范围。

另外，基坑周围沉降点监测数据显示，基坑东南面的海盐宾馆以及绮园内累计最大沉降量均小于2.4cm，表明采用本围护方案进行施工对周边建筑物的影响可以控制在安全范围内。

五、结束语

本基坑业主招标采用了全内支撑的形式，不仅造价高（约二仟万元）而且施工难度在工期长；采用多种支护形式相结合的围护方案后（局部采用支撑），造价降低（约一仟万元）且工期得到了保证，特别是预应力锚杆在软土地基中的成功应用，不仅大大提高了基坑本身安全性，还最大限度的降低了工程造价，而且提高了施工过程的安全性。从基坑施工过程中基坑检测情况及现场施工难度看，本方案是安全、经济、合理的。