滿朝暉，張小輝，楊麗娜，王明皎，張 芳

(1.中國煤炭科工集團(tuán) 西安研究院有限公司， 陜西 西安 710077；2.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安 710043；3.西安高新科技職業(yè)學(xué)院， 陜西 西安 713700)

工程中影響基坑變形的因素很多，可歸納分為兩類：人為因素和自然因素，其中人為因素根據(jù)工作性質(zhì)可分為設(shè)計(jì)因素和施工因素。設(shè)計(jì)因素主要考慮的問題包括基坑的邊界效應(yīng)、開挖深度及周邊環(huán)境等；施工因素主要包括土方分步開挖深度和寬度，開挖后錨索施工及張拉效果，降水情況等；而自然因素主要包括土體的物理力學(xué)性質(zhì)，降水引起基坑水文環(huán)境變化及土體固結(jié)程度等?？紤]現(xiàn)場所涉及的影響因素，結(jié)合場地工程和水文地質(zhì)情況，選擇合理、安全的支護(hù)結(jié)構(gòu)型式，以求達(dá)到控制變形的目的。

當(dāng)深基坑坑頂存在對變形敏感的建(構(gòu))筑物及管線且要保證其正常運(yùn)行時(shí)，需選擇合理設(shè)計(jì)方案及施工工藝控制基坑變形，以滿足建筑物及管線對變形的要求。而采用高壓旋噴錨索，在設(shè)定的土層中高壓旋噴形成擴(kuò)大頭，特別是黃土地區(qū)具有大孔隙發(fā)育土體，旋噴注漿可有效改善土體的物理力學(xué)性質(zhì)，提高錨固體周邊土體的側(cè)阻力，從而提供較大的抗拔力，達(dá)到控制深基坑變形的目的，其研究有著重要的價(jià)值和意義[1-6]。

為此，基于現(xiàn)有黃土地區(qū)深基坑工程實(shí)例及變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，以支護(hù)設(shè)計(jì)及施工過程為依托展開該方面分析工作。

1 工程概況

項(xiàng)目位于西安市西北郊，北側(cè)緊鄰售樓部，東側(cè)、南側(cè)緊鄰住宅小區(qū)，西側(cè)為住宅小區(qū)出入道路，道路下分布污水管線等?；?xùn)|西長約40.5 m，南北寬約107.3 m，周長約285.3 m，支護(hù)深度為10.5 m～11.7 m。

基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，基坑開挖底口線距相鄰售樓部基礎(chǔ)外邊線距約3.8 m；東側(cè)開挖底口線距相鄰小區(qū)建筑物(6F)約3.5 m～8.7 m，且距坑頂架空熱力管線約1.0 m；南側(cè)開挖底口線距建筑物(樁基礎(chǔ)，33F/1D)約11.8 m；西側(cè)開挖底口線距小區(qū)出入道路約1.5 m～6.9 m，周邊環(huán)境及支護(hù)見圖1。

圖1基坑支護(hù)平面圖

1.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

據(jù)勘察報(bào)告，基坑影響范圍內(nèi)地層自上而下依次由第四系全新統(tǒng)填土(Q4ml)、沖洪積黃土狀土(Q41al+pl)，上更新統(tǒng)沖洪積(Q3al+pl)黏性土和砂土等構(gòu)成，各土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

勘察期間，場地地下水位埋深為9.0 m～9.7 m；地下水屬潛水類型，受大氣降水和地表水滲入等補(bǔ)給，排泄方式以徑流、人工開采和蒸發(fā)為主；潛水位年變化幅度按1.0 m考慮?；咏邓畷r(shí)其綜合滲透系數(shù)取8 m/d。

1.2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

結(jié)合工程概況及場地地質(zhì)條件，選取東側(cè)臨近建筑物及架空熱力管線進(jìn)行典型剖面分析；為保證基坑及臨建建筑物、熱力管線安全，基坑變形應(yīng)嚴(yán)格控制，故采用護(hù)坡樁與高壓旋噴錨索的支護(hù)型式。具體參數(shù)如下：

(1) 護(hù)坡樁及冠梁：樁徑0.7 m，樁長17.0 m，樁間距1.60 m，主筋20C20；冠梁尺寸(寬×高)0.7 m×0.5 m；均采用C30混凝土。

(2) 高壓旋噴錨索：設(shè)置兩道，桿體采用3束1860級7s15.2鋼絞線。錨索自由段直徑150 mm，錨固體過渡段直徑200 mm，擴(kuò)大頭直徑400 mm。具體參數(shù)設(shè)計(jì)見圖2。

圖2基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

1.3 基坑降水方案

基坑水位埋深約9.0 m～9.7 m，基坑開挖深度約11.7 m，考慮水位變幅及水位控制要求(水位降至坑底以下0.5 m)，設(shè)計(jì)降深約3.5 m～4.2 m，降水采用管井降水方案，井徑0.7 m間距20.0 m，井深28.0 m。基坑外布置降水井15口，基坑內(nèi)共布置2口觀測井(布置在后澆帶處)?？禹斀邓疅o施工空間時(shí)，可布置在基坑肥槽內(nèi)。靜水位以上選用混凝土實(shí)管，靜水位以下選用無砂混凝土濾水管，直徑500 mm，其孔隙率不小于15%；濾水管接頭采用棕皮包封并用鐵絲纏繞固定，井底填入1.0 m厚礫石。采用托盤式下管法，井管與孔壁之間采用3 mm～5 mm磨圓度較好的礫石充填，上部采用1.0 m后黏土封閉。降水井結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3降水井結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

1.4 施工時(shí)間節(jié)點(diǎn)

由于基坑處于市區(qū)內(nèi)，周圍緊鄰住宅小區(qū)，需要合理排土方開挖、基坑支護(hù)及降水施工組織，保證各工序銜接有序完成?；又ёo(hù)及降水施工時(shí)間節(jié)點(diǎn)見表2。

表2 施工時(shí)間節(jié)點(diǎn)

2 基坑支護(hù)計(jì)算分析

本剖面設(shè)計(jì)采用理正深基坑設(shè)計(jì)軟件、MIDAS/XD基坑設(shè)計(jì)軟件及有限元MIDAS/GTS軟件計(jì)算分析。

(1) 理正設(shè)計(jì)軟件及MIDAS/XD設(shè)計(jì)軟件計(jì)算：基坑側(cè)壁安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.10；支護(hù)結(jié)構(gòu)采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點(diǎn)法，土壓力模型采用彈性法土壓力模型，沉降變形計(jì)算采用指數(shù)法，進(jìn)行基坑開挖工況下變形規(guī)律分析。

(2) 有限元分析[7-8]：取護(hù)坡樁及高壓旋噴錨索為彈性體，土為理想彈塑性體，采用摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。便于模型計(jì)算，分析時(shí)簡化為二維模型。為減小邊界效應(yīng)對計(jì)算模型的影響，長、寬方向取不小于開挖深度的5倍。模型底部約束水平、豎向方向位移，側(cè)向約束水平方向位移。為較好的模擬樁土接觸面，便于模型的收斂，土體及建筑物基礎(chǔ)采用平面應(yīng)變四邊形單元，護(hù)坡樁采用植入式梁單元，旋噴錨索采用植入式桁架單元，其計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分采用疏密度控制技術(shù)，靠近界面處網(wǎng)格最密，距界面越遠(yuǎn)網(wǎng)格越稀疏。

參考場地地層分布情況，結(jié)合相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選取土體的變形與強(qiáng)度參數(shù)如表1所示，護(hù)坡樁及錨索的變形與強(qiáng)度參數(shù)如表3所示。

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)單元截面特性

模擬時(shí)在初始分析步進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，設(shè)置自動(dòng)時(shí)間步長，其余分析步設(shè)置固定步長進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算分析位移云圖如圖4所示。

圖4基坑計(jì)算位移云圖

(3) 由圖5可知，通過三個(gè)軟件比較分析基坑隨開挖工況變形規(guī)律可知，基坑坑頂水平位移及沉降隨著開挖深度增大逐漸增大。

由圖5(a)可知，理正深基坑及MIDAS/XD設(shè)計(jì)軟件結(jié)果較近，坑頂最大水平位移約26 mm，為基坑支護(hù)深度的0.22%，滿足《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[9](GB 50497—2009)規(guī)定相對基坑支護(hù)深度0.2%～0.3%要求。

由圖5(b)可知，理正深基坑及MIDAS/XD軟件結(jié)果較近，坑頂最大沉降約30 mm，滿足《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[9](GB 50497—2009)關(guān)于坑頂豎向位移規(guī)定25 mm～35 mm要求。

有限元MIDAS/GTS軟件水平位移及沉降結(jié)果明顯高于另外兩種設(shè)計(jì)軟件計(jì)算結(jié)果將近30%～40%，分析原因?yàn)楸緲?gòu)模型及計(jì)算參數(shù)仍與工程實(shí)際較難完美匹配。但變形規(guī)律與工程實(shí)際相契合，且計(jì)算云圖有助于更直觀、形象表達(dá)設(shè)計(jì)理念，找出支護(hù)結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)，從而有針對性的設(shè)計(jì)。

圖5基坑設(shè)計(jì)計(jì)算位移變化圖

3 降水監(jiān)測分析

臨近深基坑的建筑物及管線對降水引起的沉降比較敏感，采取分階段降水措施，控制基坑臨近相鄰建(構(gòu))筑物沉降變形：(1) 提前一個(gè)月降水，使水位平緩下降，嚴(yán)禁反復(fù)升降水位；(2) 基坑第一階段水位降深1.5 m，維持不少于一周，加強(qiáng)監(jiān)測；第二階段將至設(shè)計(jì)要求水位，并加強(qiáng)監(jiān)測。

東側(cè)布置J3—J8共6口降水井，井中水位隨時(shí)間變化規(guī)律見圖6。由圖6可知，開始降水到2018年9月10日，井中水位第一階段平緩下降約3.0 m，基坑水位下降約1.5 m，維持半個(gè)月；至2018年10月24日，井中水位第二階段平緩下降約4.5 m，基坑水位下降至設(shè)計(jì)要求水位；2018年10月24日以后，降水處于穩(wěn)定期；整個(gè)降水過程處于受控狀態(tài)，滿足設(shè)計(jì)要求。

依據(jù)《工程地質(zhì)手冊》[10]規(guī)定，降水引起地面沉降如下：

S=[a/(1+e0)]ΔpH

(1)

其中：a為土層壓縮系數(shù)；e0為土層原始孔隙比；Δp為水位變化施加于土層上的平均附加應(yīng)力；H為計(jì)算土層厚度。

通過計(jì)算，降水引起地面沉降約13 mm。

圖6降水井中水位變化圖

降水使坡體內(nèi)水位下降，引起坡體土層含水率降低，土層的強(qiáng)度隨之提高，有助于提高土層的側(cè)阻力[11]，確保基坑變形達(dá)到控制要求。

4 高壓旋噴錨索施工介紹

4.1 傳遞機(jī)理簡述

高壓旋噴錨索為變截面，自由段直徑較小，錨固段分過渡部分和擴(kuò)大頭部分，其直徑較大，詳見圖7。

圖7高壓旋噴錨索詳圖

旋噴錨索的抗拔力(T)由三部分構(gòu)成，包括錨固段過渡部分槳體與土體的側(cè)摩阻力(T1)、錨固段擴(kuò)大頭部分槳體與土體的側(cè)摩阻力(T2)和錨固段擴(kuò)大頭端部擴(kuò)大截面與土體間的端承力(T3)，詳細(xì)計(jì)算如式(2)—式(5)所示：

T=T1+T2+T3

(2)

T1=πD1L1τ1

(3)

T2=πD2L2τ2

(4)

T3=π/4(D22-D12)σ12

(5)

其中：D1、L1分別為錨固段過渡部分的直徑和長度；D2、L2分別為錨固段擴(kuò)大頭部分的直徑和長度；τ1、τ2分別為錨固段過渡部分和擴(kuò)大頭部分與土體的側(cè)摩阻力；σ12為擴(kuò)大頭截面前端的抗力強(qiáng)度。

4.2 施工特點(diǎn)

錨索施工采用旋噴擴(kuò)大頭、帶筋鉆進(jìn)施工技術(shù)，最大發(fā)揮錨索的拉拔力。旋噴鉆頭的水泥漿在高壓力作用下，從側(cè)翼噴嘴向外噴射并同步對周側(cè)土體切割；鉆頭端部套上錨定板，在轉(zhuǎn)動(dòng)力作用下向前旋噴推進(jìn)，將固定在錨定板上的鋼絞線(見圖8)帶入；到達(dá)預(yù)設(shè)深度，旋噴形成錨固段過渡部分、擴(kuò)大頭部分后，鉆桿帶著鉆頭自動(dòng)退出，形成具有較高承載力的擴(kuò)大頭錨索[12-13]。其特點(diǎn)如下：

(1) 通過旋噴攪拌形成擴(kuò)大頭錨固段的同時(shí)，對黃土地區(qū)大孔隙發(fā)育的土體高壓噴射注漿，可有效改善錨固段周側(cè)土體的力學(xué)性能，使周側(cè)土體的側(cè)阻力可提高1.7倍～2.0倍[14-16]。

(2) 施工時(shí)成孔、噴漿、攪拌及插筋一次完成，解決常規(guī)錨索砂類土層、軟土等地區(qū)易塌孔問題，保證施工質(zhì)量。

(3) 水泥漿高壓旋噴形成擴(kuò)大頭錨固段，與常規(guī)錨索相比，擴(kuò)大頭直徑更大，錨固段長度更短；通過較大預(yù)應(yīng)力張拉，有效約束變形，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力條件。

圖8錨定板與鋼絞線連接圖

4.3 施工準(zhǔn)備及工藝

(1) 施工準(zhǔn)備。① 鋼鉸線制作用鋼架管將整盤鋼鉸線堅(jiān)面固定，方便展開；② 鋼角線底端穿過錨定板錨孔，用擠壓錨設(shè)備將擠壓錨與鋼鉸線擠壓固定；③ 挖掘機(jī)就位挖溢漿溝槽，一般為寬1 m，深0.5 m，雨季鉆機(jī)后面挖防洪槽。

(2)施工流程。履帶式旋噴鉆機(jī)調(diào)整傾角就位對中→將攜帶鋼鉸線的錨定板上的中心孔安裝在無翼鉆頭上→下沉高壓水鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)錨固段頂部深度→水泥漿液制備→旋噴作業(yè)至設(shè)計(jì)錨固段底部→底部復(fù)噴→拔出每根噴射管補(bǔ)注漿一次，沖洗機(jī)具、管道確認(rèn)沖凈未堵→孔口0.5 m范圍內(nèi)進(jìn)行旋噴注漿封孔，防止地下水從此滲漏→移至下一孔位→安裝腰梁→鋼鉸線張拉、鎖定。

(3) 施工技術(shù)要求。① 擴(kuò)孔噴射壓力不應(yīng)小于20 MPa，噴嘴給進(jìn)或提升速度可取10 cm/min～25 cm/min，噴嘴轉(zhuǎn)速可取5 r/min～15 r/min；② 高壓噴射注漿的水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，擴(kuò)孔時(shí)水泥漿液的水灰比可取1.0～1.5；注漿時(shí)水灰比宜采用0.4～0.6；③ 當(dāng)噴射注漿管貫入錨孔中，噴嘴達(dá)到設(shè)計(jì)擴(kuò)大頭位置時(shí)，進(jìn)行高壓噴射擴(kuò)孔。噴管應(yīng)均勻旋轉(zhuǎn)，勻速提升或下沉，由上而下或由下而上進(jìn)行高壓噴射擴(kuò)孔，噴射管分段提升或下沉的搭接長度不得小于100 mm；④ 高壓噴射擴(kuò)孔可采用水或水泥漿。采用水泥漿擴(kuò)孔工藝時(shí)，應(yīng)至少上下往返擴(kuò)孔兩遍；采用清水?dāng)U孔工藝時(shí)，最后還應(yīng)采用水泥漿液擴(kuò)孔一遍。

5 基坑變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為使開挖期間基坑、臨近建筑及熱力管線變形得到有效控制，沿東側(cè)基坑坡頂設(shè)置變形監(jiān)測點(diǎn)，選取S1—S4監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

由圖9可知，從2018年7月20日至2018年10月20日基坑開挖期間，基坑坑頂水平位移及沉降逐漸增大，增加幅度較大；2018年10月20日開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高以后，坑頂水平位移及沉降平緩增大且逐漸趨于穩(wěn)定?；幼冃坞S著開挖深度增加二逐漸增大的拋物線變化規(guī)律中可見，變化曲線存在兩個(gè)拐點(diǎn)，即2018年8月20日第一道旋噴錨索施工及張拉和2018年9月5日第一道旋噴錨索施工及張拉兩個(gè)施工節(jié)點(diǎn)，旋噴錨索張拉、鎖定可有效控制基坑變形，改變支護(hù)結(jié)構(gòu)受力條件?；娱_挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，坑頂沉降相對于水平位移更先趨于穩(wěn)定，說明降水處于穩(wěn)定狀態(tài)后，坑頂臨建建(構(gòu)筑物)固結(jié)附加沉降變形逐漸減小；而受施工荷載影響，坑頂水平位移繼續(xù)小幅度蠕變而趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖9(a)可知，S5監(jiān)測點(diǎn)處于西側(cè)端頭，S1—S4監(jiān)測點(diǎn)處于基坑西側(cè)中部，2018年10月20日開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高以后，S5處基坑水平位移小于其余監(jiān)測點(diǎn)，說明基坑最危險(xiǎn)處位于基坑邊中部，設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮該部位不利影響因素?；幼畲笏轿灰撇淮笥?8 mm，小于設(shè)計(jì)理論計(jì)算31%，與降水時(shí)土體固結(jié)、土體強(qiáng)度提高，及旋噴錨索施工提高周側(cè)土體側(cè)阻力，提供較大抗拔力等影響有關(guān)。

由圖9(b)可知，S1—S5監(jiān)測沉降變化規(guī)律一致，說明坑頂在平行基坑方向不存在差異沉降。監(jiān)測沉降最大約10 mm，小于設(shè)計(jì)理論計(jì)算67%，也小于降水計(jì)算地面沉降23%，說明高壓旋噴錨索施工時(shí)對周側(cè)土體進(jìn)行加圖，改善了土體力學(xué)性質(zhì)，使實(shí)際變形小于理論計(jì)算值。

后期監(jiān)測基坑臨近建(構(gòu))筑物未發(fā)現(xiàn)裂縫、較大變形等現(xiàn)象，熱力管線也正常運(yùn)行，說明支護(hù)設(shè)計(jì)方案對鄰近建(構(gòu))筑物、管線的影響可控，達(dá)到預(yù)期效果。

圖9 基坑變形監(jiān)測成果圖

6 結(jié) 語

(1) 通過旋噴錨索傳力機(jī)理、施工特點(diǎn)及工藝等介紹，旋噴錨索在黃土地區(qū)大孔隙發(fā)育土體中具有較大優(yōu)勢，通過噴射注漿可有效提高錨固體周側(cè)土體側(cè)阻力，從而提供較大的抗拔力。

(2) 基坑臨近建筑物、管線對降水引起的沉降比較敏感。采取分階段降水措施，使坡體內(nèi)水位下降，引起坡體土層含水率降低，土層的強(qiáng)度隨之提高，有助于提高土層的側(cè)阻力，確保基坑變形達(dá)到控制要求。

(3) 通過不同設(shè)計(jì)分析軟件，采用高壓旋噴錨索可有效控制黃土地區(qū)深基坑變形，滿足坑頂臨近建筑物、管線對變形控制要求。與實(shí)測監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，實(shí)際變形小于理論計(jì)算值，與降水時(shí)土體固結(jié)、土體強(qiáng)度提高及旋噴錨索施工提高周側(cè)土體側(cè)阻力，提供較大抗拔力等因素有關(guān)；設(shè)計(jì)能滿足施工要求，且具有一定的安全儲(chǔ)備，高壓旋噴錨索在黃土地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。