深基坑支护工程预应力悬臂支护结构施工技术

付隽苍 李根源 崔万海 刘 丹 彭 强

云南建投第二建设有限公司 云南 昆明 650203

1 项目概况

项目位于昆明市呈贡新区彩云南路与驼峰街交叉口，场地东侧为彩云路，东北角为昆明轨道交通1号线驼峰街地铁站。项目基坑支护周长约1 200 m，开挖深度8.3～13.8 m。基坑东侧为彩云南路，彩云路下有地铁通道且基坑东北角有地铁站，基坑开挖线距离地铁出入口约11.0 m，距彩云路围栏约10.7 m，如图1所示。

图1 基坑位置平面示意

2 方案选择

2.1 锚拉式支护

锚拉式支护结构最常用的形式为桩锚支护，其优点为力学性能较好，能为主体结构提供广阔的操作面，造价低，施工速度较快，可控性好。缺点为锚索不宜用在软土层和高水位的碎石土、砂土层中；当邻近基坑有建筑物地下室、地下构筑物等时，不宜采用锚索；当锚索施工会造成基坑周边建（构）筑物的损害时，不应采用锚杆。本项目靠市政道路部分地段不适宜使用。

2.2 支撑式支挡结构

支撑式支挡主要有 排桩＋内支撑地下连续墙＋内支撑 两种结构形式，其优点为：整体性能好，安全性较高；刚度大，变形小，有利于保护周围环境；不侵入相邻场地，支护结构不超出红线。缺点为：土方开挖及主体施工空间有一定受限；内支撑造价高、工期长。

由于工期长、造价高，不利于主体结构快速施工，内支撑支护方案在本项目中不适宜采用。

2.3 普通悬臂式支挡结构

普通悬臂式支挡结构省去了锚杆（索）和内支撑，支护结构不超出用地红线。在基坑支护深度较深时，桩顶位移较大，无法有效控制结构变形，影响周边环境安全。悬臂支挡结构适用于开挖深度较浅、地质条件较好的基坑支护工程。本项目基坑深度8.3～13.8 m，经计算，普通悬臂式支挡结构不能满足基坑稳定性要求。

2.4 双排桩支挡结构

双排桩支挡结构也是一种悬臂式支挡结构，但它是一种钢架结构形式。相对于普通悬臂式支挡结构，它的刚度更大，变形协调能力更强。双排桩排距一般为3D～4D（D为支护桩桩径），占用的场地较大，适用于开挖深度小于8 m、地质条件较好、对变形控制不严的基坑。本项目支护范围管线较多，场地受限，不具备施工双排桩的条件。

2.5 预应力悬臂支护结构

预应力悬臂支护结构是在普通悬臂式支挡结构基础上对悬臂支护结构施加预应力，使支护结构由向坑外位移趋势产生的土反力增量近似等于主动土压力，其与普通支护桩对比情况如下。

2.5.1 节约支护空间和节约材料

与常用的普通排桩支护相比，普通排桩支护在深基坑支护中往往采用双排桩的支护形式，而采用预应力悬臂支护桩一排即满足基坑安全要求，从而在节约支护空间的同时也节约支护材料，可最大限度地利用地下空间。

2.5.2 绿色环保

采用预应力悬臂支护桩在钢筋笼中加入预应力钢绞线，灌注桩混凝土浇筑完成且桩身混凝土强度达到设计强度的75%时，张拉钢绞线并锁定，即可将土方开挖一次分层开挖至基坑底部，无需施工锚索腰梁，相比需在土体中施工锚索的普通支护桩，保护土壤资源，更加绿色环保。

2.5.3 节约工期

与传统的普通排桩支护相比，预应力悬臂支护桩在桩顶冠梁施工完成和钢绞线张拉锁定后，即可将基坑土方一次分层开挖至基坑底部，可缩短基坑支护施工周期。

2.5.4 悬臂高度大

普通排桩支护悬臂高度小，而采用预应力悬臂支护桩，经计算分析，其悬臂高度大，且桩顶、桩中部无需施工锚索腰梁进行加固。

2.5.5 避免了地下遇到特殊地质无法施工锚索的情况

基坑支护施工过程中，基坑北侧地下遇到厚度厚且范围广的大量毛石回填层，经过现场分析讨论和专家论证，若采用普通排桩支护，施工锚索时将会出现锚索施工钻进困难的情况，因此对基坑支护方案进行优化，在基坑北侧采用预应力悬臂支护桩进行支护，有效避免了锚索施工难题，大大加快了施工进度。

2.6 支护结构选择

项目基坑开挖深度8.30～13.10 m，采用内支撑、斜撑等方案需占用地下室空间，且施工周期长，对地下室施工影响较大，不能满足总工期要求；若采用普通悬臂桩支护，经验算基坑变形较大；若采用双排桩，用地不足且成本高，不满足绿色施工的要求；东侧和北侧为市政道路，锚索不得超出项目建设用地红线垂直投影范围。

根据现场实际情况，结合以往经验，整个项目支护采取不同情况不同支护形式，既保证支护安全又充分考虑成本。基坑东侧采用上部放坡＋下部预应力悬臂支护桩的支护方案，基坑北侧采用预应力悬臂桩支护方案，其他部位采用放坡＋普通支护桩＋预应力锚索（可回收）支护方案，如图2所示。

图2 预应力悬臂支护结构剖面示意

3 预应力悬臂支护桩技术原理

普通结构在主动土压力作用下，在基坑面处产生一定转角，该转角使位移不断累积，在支护结构顶部达到最大。其顶部的水平位移会远远大于基坑面处的位移。

预应力结构对支护结构施加预应力，使支护结构由向坑外位移趋势产生的土反力增量近似等于主动土压力。基坑开挖后，支护结构外侧土反力随位移逐渐减小为主动土压力后，支护结构在基坑面以上的曲率不会发生明显变化，而主要表现为平移。理想情况下，可实现支护结构在基坑面处转角为零，支护结构顶部的位移近似等于基坑面处的位移，如图3所示，实现用预应力控制支护结构位移的目标。

图3 预应力悬臂支护结构控制变形原理

4 预应力悬臂支护桩施工工艺

1）承载板、固定板应根据设计图纸大样在工厂统一进行加工、打孔、焊接，现场安装时应焊接在钢筋笼的主筋及加劲筋上，如图4所示，焊接焊缝质量满足国家标准规范要求。

图4 预应力支护桩钢筋笼构造

2）钢绞线埋设应根据设计图纸分组分束进行，埋设钢绞线时应先穿波纹管，再在波纹管中穿钢绞线，钢绞线的底端（支护桩桩端）用挤压套进行固定，如图5所示，穿钢绞线应从支护桩的桩端往桩顶方向进行。

图5 钢绞线与挤压套挤压成形

3）锚固板应在工厂根据设计图纸进行统一加工打孔，锚具应采用定型化成品锚具。

4）待预应力支护桩冠梁达到设计强度75%以上时，可进行预应力桩钢绞线张拉。锚具采用OVM系列；为保护混凝土不会受压破坏，采用承压板锚固，承载板采用Q235钢板制作，形状应结合支护结构的截面形状确定，厂家定制，板厚20 mm。

张拉机张拉力不小于1 000 kN，张拉前进行标定，根据标定公式进行换算，确定压力值。支护桩浇筑完成，待桩头凿除后浇筑冠梁，冠梁混凝土强度达到70%后进行锚索张拉。钢绞线逐根张拉，每根钢绞线设计值为140 kN，张拉锁定值为140 kN，每个孔道5根钢绞线锁定值为700 kN，如图6所示。

图6 锚固板、锚具

张拉完成后土方分层开挖至坑底，开挖深度不大于3 m/层，边开挖边监测，若有异常应立即停止土方开挖，及时进行反压，并将监测数据反馈设计进行分析，待设计给出处理方案后再进行下一步施工。

5 施工监测

5.1 基坑坡顶水平位移及坡顶地面沉降观测

为了保证基坑施工过程中的安全，做到信息化施工，施工过程中一定要做好位移及沉降监测工作。通过监测桩顶位移及坡顶沉降值、速率及地表变形情况，判断基坑安全度，必要时采取措施加以控制，保证基坑和周围地层稳定安全。按设计图中标明的监测点详细位置布设监测点，监测点采用冲击钻打孔，膨胀螺丝塞入固定的方法。坡顶水平位移监测点沿基坑坡顶边线设置，间距约5 m。坡顶沉降监测点沿基坑坡顶设置，间距约5 m。开挖前测量监测点相对于周边永久控制点的差值。开挖过程定期监测，取得数据加以分析，得出位移及沉降数据。

5.2 桩冠梁水平位移监测

在预应力混凝土悬臂支护桩的冠梁顶设置监测点，采用全站仪进行桩顶水平位移监测，土方开挖后每天进行1次监测直至变形收敛。

5.3 桩身深层水平位移监测

预应力悬臂桩深层水平位移监测选用预埋测斜管、通过测斜仪器观测各深度处水平位移。测斜管应在钢筋笼制作时固定在钢筋笼上，提前埋设，随灌注桩一起浇筑。深层水平位移观测点在预应力部位埋设10个，测斜管的埋设深度同桩长，测斜管探头置入测斜管底后，应待探头接近管内温度时再测量，每个监测点均应进行正、反两次测量，竖向间隔0.5 m采集一次数据，预应力悬臂桩的深层水平位移警戒值为30 mm。

5.4 桩冠梁顶预应力钢绞线内力监测

监测仪器为压力盒读数监测，锚索压力盒设置于锚索上，土方开挖后每天进行1次监测直至变形收敛。

5.5 周边地表竖向位移监测

基坑周边地面沉降或隆起量监测点设置在坑边中部和其他有代表性的部位，监测点垂直基坑布置，采用水准仪监测，支护结构施工后每3 d进行一次监测直至变形收敛。

通过各项监测数据分析，所有预应力支护桩位移变形均未超过25 mm，满足规范对基坑变形要求，确保了基坑支护安全。数据结果证明采用预调变形预应力混凝土悬臂支护桩工艺是可靠的（图7）。

图7 预调变形预应力悬臂支护结构效果

6 结语

本工艺通过理论研究分析、模型试验、现场试验，大面积运用于滇池明珠广场项目，取得了较好的效果。滇池明珠广场二期建设项目彩云南路一侧靠近轨交1号线，基坑开挖深度达到13.1 m，采用预调变形预应力混凝土悬臂桩工艺，为甲方节约工期120 d，并降低了基坑支护及土方开挖成本。预调变形预应力混凝土悬臂桩通过本项目施工研究，已经形成一套完整、快速、成熟的施工体系，获得了建设单位、监理单位的一致好评。