预应力钢管锚索复合支护的设计与施工

【摘 要】基于预应力钢管锚索在云南省宜良县第一人民医院改扩建项目基坑支护中的工程实践,简要介绍在场地周边工程地质、环境条件较复杂,既有建（构）筑物密集且结构较差,施工扰动破坏后果严重的基坑支护工程中预应力钢管锚索的优点及其关键技术问题及质量控制,其成功经验可为今后类似工程的设计、施工提供借鉴.

1.引言

随着我国城市化的快速推进及经济的快速发展、人口的快速增长,城市的建设土地变得越来越紧张,城中村改造项目中深基坑周边既有建（构）筑物密集,而且既有建（构）筑物建造年代较早,结构较差,基坑支护结构选择不当,容易造成周边既有建（构）筑变形破坏,同时深基坑的开挖支护也受到周边环境的极大制约.因此,为了保证地下结构的正常施工及深基坑周边环境的安全,必须选用合理安全经济的基坑支护结构.“预应力钢管锚索”复合支护结构就是目前深基坑的开挖支护中一种非常有效的支护形式.该复合支护结构是将受拉杆件（钢管锚索）的一端固定在开挖基坑外的相对稳定的地层中,另一端与支护桩相结合的支护体系,由此将支护结构由被动受力转化为以主动受力为主,进而减少基坑周边的变形.所以“刚性桩+预应力钢管锚索+止水帷幕”复合支护结构同时解决了挡土和止水两方面的问题.本文从云南省宜良县第一人民医院改扩建项目基坑支护结构设计与施工技术层面出发,对该结构的工艺及质量进行了探讨.

2.工程概况

拟建场地位于宜良县县城匡远镇起春路中段,场地原为解放初期建设的宜良县人民医院旧址,后来因医院搬迁后留下的老建筑及空地.随着人口增长,新建的宜良县第一人民医院需再次改扩建,地点选在解放初期宜良县人民医院旧址上,并适当向东外扩至起春路.宜良县第一人民医院改扩建项目总用地面积18180.93m2,拟建建筑包括住院楼、门诊办公楼、发热门诊、预留污水处理站和垃圾站.其中住院楼与门诊、办公楼通过过厅连为一体.拟建建筑设一层地下车库,地下车库建筑面积12358.20m2.建筑物安全等级为一级,结构形式住院楼为剪力墙结构,门诊楼为框架结构.住院楼、门诊办公楼拟采用桩基础,其它建筑拟采用浅基础.根据宜良县第一人民医院改扩建项目地下室开挖图得知,本基坑此次基坑支护总周长约为510.0m,基坑支护垂直深度约7～8m,受征地红线制约,基坑不具备大面积放坡开挖条件（详见图1）.

3.工程地质及水文地质条件

根据岩土勘察报告,拟建场地地层上部为第四系人工活动层（Q4ml）杂填土,下部为南盘江流域形成的第四系冲积层（Qal）粉质粘土、粘土、粉砂、砾砂、圆砾、有机质土、泥炭质土.对基坑支护影响较大的地层岩性及分布特征详述如下：

3.1第四系人工活动层（Q4ml）.①杂填土：褐灰、褐,中压缩性.由粘性土混碎石、块石组成,含砖块、瓦片等建筑垃圾,部分地表为20～30cm厚的砼.填土厚度平均2.76m.经调查,填土回填时间约为50年.

3.2第四系冲积层（Q4al）.

（1）②1粉质粘土：灰黄、褐,硬塑状态,中压缩性.切面稍有光泽,韧性中等,干强度高.厚度0.50～9.40m,平均4.84m.整个场地均有分布.

（2）②1a粉砂：灰色,饱和,松散,砂粒成份为石英砂岩,颗粒均匀,级配差,局部夹粉土团块.厚度0.53～4.00m,平均1.44m.呈透镜状分布在②1粉质粘土的顶部及底部.

（3）②1b砾砂：浅灰色,松散,饱和,局部相变为圆砾,砾石呈椭圆形,磨圆度好,分选性差,石质成份以砂岩、石英砂岩为主.砾石粒径2～20mm,含量不均,由粉砂、粉质粘土充填.厚度0.60～4.00m,平均厚度1.83m.呈透镜状分布在②1粉质粘土的底部.

（4）②2粉质粘土：青灰、浅灰色,硬塑状态,中压缩性.切面稍有光泽,韧性中等,干强度高.厚度1.00～8.40m,平均3.74m.整个场地均有分布.

（5）②2a圆砾：青灰色,稍密状态,砾石呈椭圆形,磨圆度好,分选性差,石质成份为玄武岩、石英砂岩为主.由粉砂、粉质粘土充填.厚度0.60～3.00m,平均厚度1.50m.呈透镜状分布在②2粉质粘土的底部.

（6）②3粉质粘土：灰褐色,硬塑状态,中压缩性.切面稍有光泽,韧性中等,干强度高.厚度0.60～10.9m,平均4.07m.整个场地均有分布.

（7）②3a圆砾：浅灰色,稍密状态,砾石呈椭圆形,磨圆度好,分选性差,石质成份为玄武岩、石英砂岩为主.由粉砂、粉质粘土充填.厚度0.30～4.80m,平均厚度1.63m.呈透镜状分布,场地大部分地段有分布.

（8）②3b粉土：兰灰、青灰色,稍湿,密实,中压缩性.切面无光泽,韧性低,干强度低,摇震反应中等.颗粒成份为石英砂岩,颗粒均匀,局部夹粉土团块,厚度0.20～4.40m,平均1.40m.呈透镜状分布于②3粉质粘土中.

（9）②4粉质粘土：青灰、深灰色,可塑状态,中压缩性.切面稍有光泽,韧性中等,干强度高,偶含植物碎屑.厚度0.30～10.00m,平均5.18m.整个场地均有分布.

（10）②4a粉砂：青灰色,湿,稍密,砂粒成份为石英砂岩,颗粒均匀,级配差,局部夹粉土团块.厚度0.60～4.60m,平均1.85m.呈透镜状分布于②4粉质粘土中.勘察区地下水类型为第四系孔隙水.含水层为第四系冲积层（Qal）砾砂、粉砂、圆砾,地下水富水性中等.因在含水层之上覆盖有一定厚度的粘土的相对隔水层,故地下水微具承压性.地下水位主要受季节性降水影响,勘察期间均观测到地下水.地下水稳定水位在1～2.52m,地下水位标高在1526.36～1528.92m.场地内地下水埋藏变化总体较稳定.场地地势相对低凹,位于补给径流区.地下水主要接受地表水及大气降水的补给,另外也接受其它土体的侧向补给.根据钻孔所量地下水位,并结合区域地下水的分布情况,流向总体由北西向南东径流,最后流入南盘江,场地属南盘江水系.通过对场地水和土的腐蚀分析,地下水对砼结构具有弱腐蚀,对砼结构中钢筋具有微腐蚀；场地地基土对砼结构及砼结构中钢筋具微腐蚀性影响,对外露钢结构具微腐蚀性.4.基坑支护设计方案

据本工程地质勘察报告及地下室的设计,基坑开挖深度介于7～8m,基坑开挖深度较大,工程是在施工场地受到限制较大的区域内进行,场地位于市中心区,邻近基坑周围建筑物密集,地下市政管网密布,属较复杂场地.多层旧建筑基础浅埋,其设计、地基处理、建造不规范、随意加层、抗变形能力差.总之不可控制因素多,设计和施工风险大.部分地段需要采取特殊措施才能确保基坑和周围建、构筑物的安全.结合周边环境条件、建筑物的基础形式及管线等距基坑边的距离等因素,支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响很严重,确定本工程基坑支护安全等级为一级,基坑侧壁重要性系数取1.1.该基坑支护采用“长螺旋钻孔灌注桩+预应力钢管锚索+止水帷幕”的复合支护结构,该复合支护结构充分发挥钢管锚索支护安全可靠,经济合理、迅速灵活的优势与桩支护及止水帷幕联合应用.在施工过程中做到动态设计,信息化施工,及时调整各设计参数和施工工艺,确保基坑支护优质高效.根据本工程实际情况,基坑上部放坡开挖,基坑下部采用桩锚支护结合止水帷幕,其支护机理是综合的,利用长螺旋钻孔灌注桩的刚性支承与锚索的拉力作用相结合的方式,切断土体滑移面,阻止滑移破坏的抗滑作用,同时更有水泥灌浆加固防渗作用.基坑支护设计方案见图2.

图2支护设计剖面图4.1深层搅拌止水桩设置.以地下室基础底板边线为依据,四周沿基坑地下室边线向外平移2.5m作为深层搅拌桩施工中心线设置一道封闭深搅止水帷幕墙,深搅桩桩长11～13m,桩径为500mm,桩芯距为350mm,桩间搭接150mm,深搅桩固化材料为32.5普通硅酸盐水泥,水灰比0.5～0.6,水泥掺量为70Kg/m.

4.2钻孔灌注支护桩设置.为增加护壁抗剪切强度,减少坑壁变形,在止水帷幕墙内侧设一排支护桩；支护桩采用长螺旋钻孔灌注桩,桩径600mm,桩心距1.2～1.5m,桩长11～13m；在支护桩顶部设置冠梁,以确保基坑的支护桩的整体性和安全性.

4.3基坑喷锚设置.根据现状地形特点,在桩顶标高至现状地面线区间按1：0.5坡比进行放坡开挖,坡面及坑壁进行挂网喷锚护面,坑顶1m宽范围翻边防护.

4.4预应力钢管锚索设置.为了有效地控制基坑的水平位移和竖向沉降,设计时采用了桩锚结合的支护方案.在钻孔灌注支护桩之间设置拉力型预应力钢管锚索,按两桩一锚形式设置,水平间距2.4～3.0m,竖向间距2.5～3.0m,锚索束数为2束15.24钢绞线,预应力锚索长度为18～20,设计拉力值为150～300KN,施加预应力100～120KN,预应力钢管锚索制作大样详见图3.

图3预应力钢管锚索（2束）大样图5.预应力钢管锚索的关键技术问题及质量控制要点

预应力锚索的施工是支护结构施工的难点和重点,可根据地质条件、周围环境、施工机械等具体条件而确定,具有隐蔽性和专业性强的特点.其施工工艺主要包括施工准备、60钢管击入施工、锚索制安、锚索孔注浆、锚索张拉锁定等工作流程.其中钢管击入施工、锚索孔注浆、锚索张拉锁定是质量控制的要点.钢管击入施工的关键技术是如何防止孔壁坍塌及孔斜偏差；锚索孔注浆的关键技术是如何将孔底的空气、沉渣和地下水排出孔外,并保证注浆的饱满密实度；锚索张拉锁定的关键技术是如何使每根钢绞线受力均匀,减少应力损失.

5.1钢管锚索施工工艺流程（见图4）.

（1）场地周边临近浅基础建筑物,为减少锚索成孔过程中对地基土的扰动,锚索采用钢管击入成孔；钢管材料使用60钢管,壁厚3.5mm.

（2）钢管击入施工时,使用气动潜孔锤按设计倾角和长度将土钉冲击入坑周土体中,然后将管口周围空隙封堵,从管口压入纯水泥浆.

（3）第一层钢管施工时,要特别注意周边情况,应查清周边地下管线等,必要时可适当调整土钉高程和倾角,防止钻孔时破坏周边地下管线和构筑物.

（4）孔斜偏差：严格按照设计图中锚索间距、倾角、高程进行施工,击入深度应满足锚固段的有效长度及安全储备并有不小于0.5m的预留深度.如施工时发现锚固段地层差于设计资料时,应及时通知监理工程师和设计人员,以便确定是否增加孔深或采用其它特殊措施来满足设计要求.

（5）在开挖临空面较大或场地受限处施工时,应搭建满足相应承重能力的脚手架.

5.3锚索制作及安装.锚索编制前对钻孔实际长度进行测量,根据60钢管终孔长度（L1）,按锚索长度L等于L1+1.5m-0.5m下料组装锚索.用电动切割机切割钢绞线,再将导向帽、扩张环、紧箍环等元件组装成型,按设计图纸要求进行防腐处理.施工注意事项为：

（1）下料：采用机械切割机切割满足锚索设计要求长度的钢绞线,严禁采用电焊或气焊切割.

（2）在加工车间或厂棚内利用特殊支架将切割好的钢绞线摆放平顺,进行必要的清污除锈处理.

（3）对进行了除锈处理的钢绞线涂刷强力防腐涂料,然后在自由段再涂防护油并套上塑料管.自由段与锚固段相接处应采用粘胶带或其它止水材料缠封.为防止钢绞线外的水泥浆体开裂,引起较大的预应力损失,应在锚固段钢绞线外包裹钢丝网.

（4）钢绞线编束时,应逐根理顺,捆扎成束,不得紊乱.锚索制作完成后,应进行外观检验,用塑料包裹好存放并应按锚索长度、规格进行编号.

（5）锚索水平运输弯转半径不宜过小,以不改锚束结构为限；不得损坏锚束及其防护涂层.

（6）用人力将锚索抬起塞入施工好的60钢管中,若遇坍孔锚索未下至设计深度时,必须将其拔出,用高压水清孔,然后再下锚,直到满足设计要求为止.

5.4锚索注浆.

（1）锚索注浆采用孔底灌浆,孔口返浆的施工工艺.水灰比为0.40～0.45,当因工期等原因要求速凝时,可加速凝剂；也可以掺入对预应力钢绞线无腐蚀作用的膨胀剂等外加剂.（2）锚索注浆时,应等待锚孔水泥浆面稳定后才停灌,不稳定时,应继续缓慢加压注浆,不稳定不得停灌.

（3）锚孔浆液容量一般取设计用浆量的120%～130%.

（4）为保证锚索的承载能力,灌浆的最低压力以0.4～0.8MPa为宜.在土层中,可根据土体的密实性能,选用不同的灌浆压力,土层密实时,选用0.4～0.6MPa,土质松散时,选用0.6～0.8MPa.一次灌浆6小时后,用高压注浆管进行二次高压注浆.

5.5张拉与锁定.预应力锚索张拉就是给锚索施加预应力的过程,张拉必须在灌浆体及抑制件、结构物混凝土工程达到龄期强度后,才能施加预应力,并通过张拉试验或验证试验确定是否满足设计规定的承载力.

（1）锚索张拉前必须准备好与张拉有关的所有机具设备,并对所有机具设备进行标定检验.千斤顶与压力表等应配套检验,不得混用,压力表读数最高值不应超过额定值的75%.

（2）锚索张拉分初值预拉和预应力张拉两个阶段进行：在张拉前对单根钢绞线须选定吨位进行预拉,使各部位接触紧密、钢绞线完全平直,使每根钢绞线处于初始的相同受力状态.然后安装张拉千斤顶,使每根钢绞线上受力均匀.预应力张拉时应将施加的预应力值分成3～5级进行循环张拉,每级的张拉荷载为设计张拉力的1/3～1/5.每次加载,需稳定一段时间.每级张拉完毕及升级前均应测伸长值并记录.

（3））锚索张拉时,一定要将锚索扶正与工作台垂直后,再安装千斤顶,张拉时应设架保证千斤顶与工作台面垂直,确保各根钢绞线受力均匀.张拉时应注意安全,张拉千斤顶后面绝不能站人.

（4）每次张拉应有完整的原始张拉记录,发现异常及时报告以便采取必要措施.

（5）锁定后,若发现有明显预应力损失时,应进行补偿张拉.

（6）张拉完后进行孔口补浆,保留锚索外露多余部分,以便预应力损失时的补张拉.

5.6施工监测.由于场地周围市政管网密布,周边民宅距离坑壁较近,安全问题显得特别突出.施工前在坑壁、周边道路、管线及建筑上按规范要求布置了变形及沉降观测点.在整个施工过程中（土方开挖和地下室施工期间）进行全过程监测,实行动态管理和信息化施工.基坑开挖和支护中主要监测了支护体系的变形情况,基坑外地面沉降变形、临近建筑物沉降动态情况.施工中随时对周边观测井进行水位监测,防止因水位下降引起周边地面沉降的产生.钢管锚索施工过程中重点监测基坑外地面沉降变形及临近建筑物沉降变形,通过监测,及时获取信息,准确掌握基坑变形和周围建筑沉降等动态情况,及时有效指导基坑施工.监测结果表明,基坑变形在规范允许范围内,对周边建筑物、道路、管线未造成不利影响.

6.预应力钢管锚索施工工艺的优、缺点

6.1钢管锚索施工工艺的优点.

（1）采用“钢管锚索”施工工艺,钢管击入施工时,使用气动潜孔锤按设计倾角和长度将钢管击入坑周土体中,减少了锚索成孔过程中对地基土的扰动,减少了锚索施工对场地周边临近浅基础建（构）筑物的影响.

（2）粉土、粉砂层的内摩擦角较大,粘聚力较低,若采用常规的钻孔成孔锚索施工工艺,土层容易塌孔,而且容易造成大量的粉土、粉砂的流失及地下水的流失,进而引起地下水位下降、土体塌空、地面沉降及建（构）筑物沉降变形,严重时导致建（构）筑物变形破坏.采用“钢管锚索”击入式施工工艺,施工速度快,不会造成粉土、粉砂及地下水的流失,对场地周边道路、临近浅基础建（构）筑物的影响非常小.

（3）大大减少了锚索施工难度.因钢管锚索采用击入式成孔工艺,避免了传统做法的锚索钻孔施工在松散填土体及粉土、粉砂层中进行造成的钻孔坍塌、施工卡钻等孔内事故,施工难度低.

（4）施工经济性：钢管锚索采用击入式成孔工艺,锚索成孔容易,施工可控性高.避免了传统做法的锚索钻孔施工在松散填土体及粉土、粉砂层中进行造成的钻孔坍塌、施工卡钻等孔内事故而进行反复处理,重复发生费用；也减少了因孔壁垮塌反复清孔,孔壁直径比设计直径大,锚索注浆量大大增加而费用增加,造成工程费用的不确定性.

6.2钢管锚索施工工艺的缺点.采用“钢管锚索”施工工艺,钢管击入施工使用气动潜孔锤,机械施工功率较小,能击入的钢管直径较小,锚固体直径也较小,因而锚固体提供的锚固力相对较少,锚索设计承载力较低,故只能适用于基坑深度（≤12米）不大的基坑工程中.

7.结束语

（1）本工程在基坑支护设计及施工方面,针对具体问题采取了切实可行的支护措施.通过对工程地质及水文条件、周边环境条件的具体分析,采用“刚性桩+预应力钢管锚索+止水帷幕”复合支护结构体系,有效控制了基坑的变形及周边地面的变形,确保了基坑、地下市政设施、周边既有建（构）筑物的安全.在整个支护施工及支护后的使用过程中,未发生任何异常情况.实践证明,预应力钢管锚索在解决复杂基坑问题中有其优越的方面,支护效果显著.

（2）由于目前设计计算中的诸多简化和实际工程的工作状态间差异的存在,采用可靠的监测手段进行基坑及周边环境的变形、沉降观测,提高监测数据的可靠性,以监测数据指导施工过程并进行动态设计是基坑支护设计、施工取得成功的重要保障.

（3）基坑开挖及各关键工序的施工是决定基坑支护成败的重要工序,因此必须合理选定施工工序和施工参数,以达到基坑开挖中减少土体扰动范围.本基坑针对邻近基坑周围建筑物密集,地下市政管网密布,预应力锚索成孔施工对地基土的扰动较大的特点,采取了适用有效的措施.采用“钢管锚索”击入式施工工艺,确保周边临近浅基础建（构）筑物的不受破坏,保持基坑稳定.

（4）由于设计方案合理,本基坑工程顺利完成施工,基本没有对周边环境造成不利影响,并保证了地下室干作业施工.通过本工程,可以看出,在周边环境复杂,建筑物、道路、管线与基坑距离较近,且本工程粉砂层厚、埋深大,砂层较密实时,采用预应力钢管锚索支护结构,可有效控制基坑支护位移,降低基坑施工对周边环境的影响,其施工实践可为同行借鉴参考.