桩锚联合支护在某隧洞进口深基坑的应用

顾小兵，孙玉玥

(1.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120；2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

某隧洞工程的进口处设有大容量调节前池，前池和隧洞进口地段为堆积地貌，坡残积层深厚。隧洞采取单向掘进方式，前池基坑开挖为隧洞施工提供开挖出渣和衬砌浇筑的唯一通道。前池基坑若采取大开挖方案，将在隧洞洞脸侧形成近50m高边坡，开挖影响范围及工程量均较大。因此，隧洞洞脸和前池基坑支护是本工程工期控制点及实施难点。经分析论证和比选计算，采取了钢筋混凝土灌注桩+预应力锚索的联合支护方案对基坑进行支护。基坑开挖后期在隧洞洞脸侧破桩入洞，实施效果良好。

1 工程区气象及地形地质条件

工程区属南亚热带湿润季风气候区，侵蚀构造丘陵地貌。多年平均年降水量达1819mm，多年平均降水日数为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%。隧洞进口处于山坡坡脚，边坡下缓上陡，坡度为20°～40°。边坡地表植被发育，第四系松散堆积物覆盖较厚。前池和隧洞进口地段属堆积地貌，地层结构自上而下主要为人工填土层、海积层、坡积层、残积层及下伏的全、强风化的斑状花岗岩。前池处地形较平坦，地面高程在8.00m左右。地下水主要赋存在海积层及残积层中，埋深一般在3～5m，最大为8m。工程区属于基本稳定区，地震基本烈度为Ⅶ度。前池和隧洞进口段主要地质参数建议值见表1。

表1 隧洞进口处主要地质参数建议值

2 基坑支护方案设计

前池基坑一侧为隧洞洞脸，以洞脸为中心，基坑平面上呈八字形布置。基坑平面布置如图1所示。

图1 基坑平面布置如图(单位：m)

基坑底面尺寸约为55m×40m，底高程为-10.10m。基坑上口高程3.50m以上为放坡明挖，坡比为1∶1.5。高程8.50m处设一级马道平台，平台以上每隔10m高差设一2.0m宽的马道。高程在3.50m以下的基坑采用桩锚联合支护进行垂直开挖。

基坑最大垂直开挖深度约为13.6m，支护采用混凝土灌注桩+预应力锚索联合支护形式。基坑支护结构和边坡稳定计算采用理正深基坑支护设计软件完成。计算中，针对不同灌注桩桩径，桩底嵌入深度，锚索吨位，桩后土体不同c、φ值，在桩前不同开挖深度(每1.5m为一个分层开挖支护循环)及桩后不同水位(分别为3.5、1.5、-1.0、-4.5m)工况下，对边坡整体抗滑稳定及抗倾覆稳定影响进行了敏感性分析，结果表明：

(1)支护体后地下水水位变化对支护结构受力影响较大，随着桩后水位的升高，桩体受力及锚索内力呈增大趋势，说明基坑开挖时应重视降排水措施。

(2)地质参数c、φ对结构受力亦影响较大，随着地质参数c、φ的降低，桩体受力及锚索内力呈增大趋势。当土的抗剪强度指标折减控制在20%以内时，变形在可控范围内；若折减超过30%以上，则桩顶水平位移会迅速增大。

(3)当桩径达到80cm之后，桩径增大对桩体水平位移约束效果并不显著，说明在特定条件下不宜过度采取加大桩径方式。

(4)当锚索倾角在10°～25°时，桩顶水平位移在可控范围以内，但低于10°的情形下，水平位移发展迅速。

(5)支护桩应穿过边坡滑动圆弧线，嵌入深度越大、嵌入土层c、φ值越高，支护结构稳定性越强，即条件允许情况下支护桩尽量嵌入硬质土层。

综上所述，设计采取支护结构布置如下：

灌注桩直径为80cm，桩顶高程为3.50m，桩底伸入基坑底面以下6m，至高程-16.10m，桩长19.6m。桩顶设有冠梁，冠梁断面尺寸为0.6m×0.8m。其中洞脸处灌注桩净间距为0.7m；洞脸两侧灌注桩净间距为1.2m。

锚索采用直径为15.2mm(强度为1860MPa)的钢绞线作为杆体材料。锚索间排距为3.0×3.0m，梅花形布置。计算锚索内力值最大为46.1t，设计取值为50t。锚索自由段长度和锚固段的计算值分别为10.5m和21.9m，设计确定总长度为35m，其中锚固段长度为23m。

为防止相邻的灌注桩间土体被挤出，基坑内侧土开挖后及时采用挂网喷混凝土防护。采用钢筋网@200mm×200mm，喷混凝土15cm，φ25中空注浆锚杆，锚杆长度为3m，间距为1.5m。

经计算，边坡整体抗滑稳定安全系数为1.52，抗倾覆安全系数为1.78。支护方案布置如图2所示。

图2 支护方案布置图(高程单位：m；其他单位：mm)

3 实施过程中的调整

3.1 适时复核原支护设计并调整支护参数

施工期遭遇多次强台风暴雨，受洞脸左侧山坡冲沟影响，基坑所处坡脚地下水赋存丰富，埋深一般在3～5m，地下水位常年较高。实施过程中发现部分排水管排水不畅，基坑内降排水效果也不明显。一方面，坑内桩前土扰动软化未能有效形成被动土压；另一方面，置换前池基础扰动层也加大了基坑深度，由此导致了基坑实际受力情况远差于计算模型边界条件。故按新的地下水及排水条件，考虑一定土层参数指标折减，复核支护结构设计。根据调整工况后的计算结果，结合现场试验锚索张拉情况，对基坑洞脸及两侧高程3.5m以下直立面锚索进行了局部加密调整。

3.2 加强施工期降排水以确保设计边界条件

开挖期基坑支护面相当部分排水孔失效，基坑外围地下水位得不到降低，锚索孔及洞脸部分管棚注浆管渗滴水不断。为有效降低基坑侧边地下水位，确保支护结构稳定的设计边界条件，增加了以下降排水措施。

(1)加密深层排水孔，排查并补做失效排水管。在喷有混凝土的斜坡面打排水孔，采用PVC带孔花管，外包土工布。

(2)在基坑3.50m高程平台的适当位置设单排线状井点降水。基坑内采用无砂混凝土管井管降水。

(3)在基坑内设置明沟排水，明沟和集水坑随基坑开挖下降。要求基坑内地下水位低于基坑最低开挖面0.5m以下。

(4)修复基坑周边坡顶及坡面排(截)洪沟。3.50m高程平台采取喷混封闭，内侧设置截水沟。

3.3 联动监测采取措施控制支护结构变形

基坑左侧下挖至中部高度时遭遇连日暴雨，左侧7#监测点水平位移达75mm。施工方根据基坑边坡降雨应急预案，对左侧开挖边坡及平台喷砼封闭，对上部3.5m高程平台用彩条布临时覆盖。经现场研究并快速实施了以下应急措施：

(1)上部平台减载

基坑左侧3.5m高程以上土体对支护结构附加荷载较大，将其削坡卸载。同时，3.5m高程以上边坡锚索应尽快张拉锁定。

(2)注浆加固土体

基坑左侧紧靠山坡的坡脚，土体相对松散。为提高土体力学性状，对左侧平台土体进行了低压力注浆加固处理。

(3)基坑内桩前预留原状土体

基坑左侧已开挖至-4.00m高程，根据现场实际情况，在左侧基坑下挖施工中，桩前预留原状土体并加以封闭。

此外，根据变形监测结果在基坑洞脸部位也加强了锚索应力检测。定期或不定期对洞脸3.5m高程以上及基坑左侧锚索按比例进行抽检，对张力不足或应力松弛的锚索分区适时进行了补偿张拉。

4 基坑工程安全监测

工程区基坑周边无重要建筑物、管线道路和其他设施。考虑到基坑桩锚联合支护体系的变形协调性及对周边环境影响，变形监测及控制主要以不导致基坑失稳和保证施工人员的安全为准则。根据JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》相关规定，本基坑安全等级定为三级。

基坑及支护结构监测报警值应根据监测项目、支护结构的特点和基坑等级确定，以监测项目的累计变化量和变化速率值两个值控制。按照GB 50497—2019《建筑基坑工程监测技术规范》监测报警的要求，本工程基坑变形报警值根据下挖深度按层确定，顶部水平位移累计值按相对基坑深度0.8%～1.0%控制，变化速率按15mm/d控制。实施中，在基坑上口冠梁上设有位移观测点9处。其中WY01～WY02监测点布置在基坑右侧，WY03～WY04监测点布置在洞脸，WY05～WY09监测点布置在基坑左侧。

施工期安全监测采取现场仪器监测与人员巡视检查相结合的方式，由具备相应质资的第三方监测单位全程开展。在实施预应力锚索张拉前，请第三方检测单位按照设计要求，在锚索上安装应力计，以监测预应力锚索应力变化情况。

考虑到4—10月雨水较多，其间安排专门安全人员巡视，加强现场位移监测，增设深层位移测量点，增设锚索测力计，并加强现场安全防护工作。发现险情，立即通知相关施工人员撤离，确保施工人员的人身安全。

经过数月观测，根据监测数据记录及回归分析表明，随着基坑下挖深度的增加，下挖深度及降水对顶部位移及速率变化影响较大。数次位移速率突变处均与暴雨强降水有关联。由于本基坑三面临空，平面上无四面相接的整体作用，多处观测点尤其是左右侧观测点的累计变形值绝对值较大，但最大变化速率未突破预警值。监测数据见表2。

表2 监测点累计变形值及最大变化速率

选取其中两个月观测数据做回归分析，如图3、图4所示。

图3 水平位移数据回归分析

图4 水平位移速率数据回归分析

5 基坑开挖实施要点

5.1 动态设计

在开挖与支护施工过程中进行动态设计复核，即要复核分层开挖支护设计参数，根据揭露地质情况及实测资料采取相应的必要的施工处理措施，以保证变形在设计要求范围内。在项目实施过程中，桩锚支护结构的桩顶位移是有一定规律的，基坑下挖施加支撑或降水引起外水变化往往是监测变形的拐点。本项目在局部桩顶变形值较大的情况下，根据现场监测结果分析，对相应位置的支护方案适时调整并采取应急措施，有效控制了基坑变形发展。

5.2 有序施工

工程实践表明，合理安排基坑开挖支护施工顺序对控制基坑变形至关重要。基坑开挖应严格采取分区域、分层、分段开挖支护，随挖随锚，及时支护。对桩前土加以保护并适时开挖，尽可能缩短开挖部位无支护时间，减少无支护暴露面积。本项目在下挖过程中，严格按照要求每层1.5m深度下挖，每段长度根据钻机数量、锚索施工时长合理确定，待上序锚索张拉锁定后，方可进行下序基坑开挖。为增加桩前土抗力要求，开挖过程中要求施工单位在前池底板施工中采用跳挖的形式，分段分区开展开挖、基础处理与回填施工。

5.3 加强排水

观测资料表明，支护结构雨后的变形值及速率变化明显增加，地下水对基坑稳定影响较大。施工期排水是保证基坑开挖能够顺利进行的关键因素，加强排水是阻止基坑变形进一步发展的重要措施。本项目基坑最大变化速率产生在连日暴雨后，累计位移最大点出现在基坑左侧。左侧山坡有冲沟引出的排洪沟影响，该部位地表水和地下水相对集中。因此，对基坑上部边坡设置截水沟和排水沟，做好坡面截水和排水。在基坑下挖过程中，适时在桩间位置打入深层排水管，同时做好坑内引排水措施。

5.4 重视监测

基坑设计和施工要重视工程安全监测，规范建立相应的监测系统。及时准确的监测数据可为设计和施工提供科学决策依据，合理指导下步工作开展。联动监测结果并动态优化桩锚支护结构，能有效控制基坑的水平位移及基坑周边的沉降。同时，桩锚联合支护的基坑监测应辅以锚索拉力检测。张拉锁定后的锚索，当监测到预应力损失超标时，应及时分析预应力损失原因，针对性地施以加固措施，并适时对锚索补偿张拉。

6 结语

深基坑开挖采取桩锚联合支护是一种非常有效的支护措施。通过传过土体滑动面支护桩和锚索的联合作用，阻止土体失稳并控制土体变形，确保工程安全运行。桩锚联合支护不仅受地形地质及水文地质条件影响，实施过程中，施工组织安排、桩身强度及锚索拉力作用发挥等因素的影响也很大。不同基坑环境影响及作业影响因素不同，应在项目实施中动态地、有针对性地施以控制措施。

本工程采用钢筋混凝土灌注桩+预应力锚索进行深厚坡残积层深基坑防护。开挖与支护施工过程中加强监测数据的指导作用，开展了动态设计复核，针对性地制订调整措施，合理安排基坑开挖施工顺序并及时支护，为隧洞掘进提供了方便安全的作业通道，实施效果良好。