锚杆-SMW工法桩复合基坑支护技术及其应用研究

周辉

摘要：在建筑基坑工程中，基坑工程的支护方法多种多样，基坑支护方案是否合理，不仅影响着基坑工程的安全和支护工程的造价，而且还会对工程周边的建筑环境产生重大的影响。文章结合工程实例，详细介绍了该基坑SMW工法桩组锚杆支护设计方案的比选以及主要的施工思路与技巧，具有一定的工程价值。

关键词：基坑工程；施工方案；SMW工法；预应力锚管

0引言

随着社会主义市场经济建设的高速发展，高耸建筑和地下工程的开发应用不断涌现。同时，由于城市建筑密集、施工用地狭窄，基坑施工对周边建筑及市政设施的安全影响甚大，而深基坑施工安全又往往取决于基坑支护。常见的基坑支护型式有排桩支护、地下连续墙支护、钻孔灌注桩、钢板桩、土钉墙、逆作拱墙、SMW工法、原状土放坡、基坑内支撑、逆作拱墙、钢筋混凝土排桩等，也可以将两种或者两种以上型式进行合理组合。下面，结合工程实例，就SMW工法桩组合锚杆支护施工的相关问题进行论述。

1工程概况

1.1工程场地条件与标高情况

某在建工程场地标高约为5.00m（相对标高－2.60m），北侧及南侧设一层地下室，中部为二层地下室，地下室形状呈不规则多边形，一层地下室底板垫层底标高为－6.3m（相对标高，下同），开挖深度为3.70m；二层地下室底板垫层底标高为－10.4m，基坑边局部深承台开挖标高达－13.0m，开挖深度约10.0m，基坑侧壁安全等级为一级。

1.2工程地质与水文地质条件

场地自上而下为填砂、淤泥、淤泥质土、粘土、碎石土、残积土。地下水位在海域标高3.2m（相对标高－4.4m），位于地表下1.80m左右，主要为吹填砂层中的潜水，含水层渗透系数高，水量较为丰富，受潮汐影响较大。

1.3支护型式

一层地下室基坑为喷锚支护，边坡坡度1：1；二层地下室设计为两级支护，第一级与一层地下室相同，也采用喷锚支护，第二级为直立支护，采用SMW工法桩加喷锚（拉锚构件为锚管，局部采用预应力锚索）支护形式，工法桩为三轴水泥搅拌桩内插型钢，桩径Φ650，桩中心距450mm，型钢规格HM488×300×11×18，坑底被动区采用Φ500水泥搅拌桩加固，支护剖面图如图1所示。

图1基坑支护剖面图

2施工总体顺序的确定

通过场地踏勘，结合设计图纸及勘察资料，最终形成以下两种不同方案的施工顺序：

方案一：先浅后深，先外而内、先降水后开挖。这一方案要求在基坑外围按设计先行施工36口降水井，依靠降水将地下水从天然水位（－4.4m）降至－6.3m以下，再进行一级坡面的喷锚施工，土方从一级坡脚向坑内中心平推开挖，提供SMW工法桩施工作业面，完成负二层的围护桩及其冠梁的施工。

该方案为常规做法，优点是施工按部就班，次序清晰，便于实施，风险小；缺点是由于需要先行降水，再施工一级边坡喷锚支护，工期被一级喷锚支护施工占用，工期较长，不能体现关键工序（SMW工法桩）的优先原则，同时对降水依赖性高。

方案二：先深后浅，先进行负二层的工法桩施工，后进行一级坡面施工，要求以关键工序SMW工法桩为先导，在负二层区域以支护桩为中心，沿支护桩走向开辟一条环形工作带供三轴桩施工，工作带宽度30m，底标高在地下天然水位位置。

该方案的优点是能够充分结合基坑支护的特点，合理统筹安排施工先后顺序，先行SMW工法桩施工和冠梁施工，利用冠梁强度龄期时间进行一级坡面喷锚施工，因而一级坡面喷锚施工不占用工期，缩短工期一个月。该方案缺点是场地地下水位较高，存在三轴搅拌桩机械地基承载力不足的风险。

鉴于本工程项目工期十分紧迫，在众多的因素中，工期是决定性的因素，权衡两个方案的利弊，最终选定方案二作为本项目支护施工的总体顺序。

3环形工作带开挖标高

本工程建筑桩基采用冲（钻）孔灌注桩，施工造成场地坑坑洼洼，又逢雨季，泥浆四溢，三轴搅拌桩施工前必须对场地进行清理，通过降低场地标高，清除面层各种障碍，根据三轴搅拌桩的施工需要，应开挖环形工作带，开挖深度必须合适。开挖过浅无法到达原状土层、并完全清除浅部障碍，同时三轴水泥搅拌桩空孔段过长，造成不必要的浪费；开挖过深则遇地下水，且软弱土层覆土不够，因此开挖深度既要达到清除面层障碍的目的，又要满足三轴搅拌桩机械对地基承载力的要求，否则将有倾覆性的危险。

针对上述的问题，最终采取如下措施得以解决：

（1）环形工作带深度开挖至地下水位标高位置；

（2）按设计坡度开挖一级坡，深度1.5m（相对标高－4.1m），平面范围与环形工作带连接，在对应一级坡脚的设计平台位置开挖环形集水槽（相对深1.0m，相对标高－5.1m，宽2.0m）和集水坑（相对深1.5m，相对标高－5.6m，间距20m）；

（3）在场地中央开挖若干集水坑；

（4）在集水坑中安放潜水泵抽水，使工作带位置的地下水位降至桩机支撑面下0.5m；

（5）地面承载力判断：300型挖机能自如行走，则判别承载力满足要求（若不满足要求应满铺30cm后的砖渣）。

地基承载力的类比验算：

步履式三轴搅拌桩机接地比压≤0.1MPa，施工时机座下满铺铁板，实际接地比压小于0.05MPa。

以小松PC300—7型挖掘机作验证机，履带板宽度600mm，履带接地长度3700mm，整机工作重量31.2t。

接地比压=31.2×104/2×600×3700=0.07MPa。

所以满足300型挖机的地基承载力就可以满足步履式三轴搅拌桩机对地承载力的要求。

4三轴搅拌桩施工工艺参数的确定

三轴搅拌桩的成桩质量与工艺参数的合理与否关系极大，合理的工艺参数必须通过现场试桩确定，在试桩前必须根据设计要求，结合地层条件预先设定试桩工艺参数才能进行试桩施工，避免盲目性。

4.1设计参数

以上述剖面为例，三轴搅拌桩桩长17.4m，空孔2.5m，搅拌桩规格Φ650@450，实桩水泥掺量24%，空孔按工艺需要水泥掺量5%，泵送压力＞0.3MPa，成桩土层土的重度为16.1KN/m3，下沉速度0.5～0.8m/min，提升速度1.0m/min～1.5m/min，水灰比1.5～2.0：1。

4.2单根桩理论水泥用量的确定

按设计要求，单根桩理论水泥用量：实桩及空孔总用量2.3t；选用水灰比1.5：1，可配置水泥浆液体积8.33m3；按水泥浆用量计算一副桩施工时间，选灰浆泵档位：3档，流量210L/min，流量时间=8.33/0.21=39.7min。

4.3钻杆下沉和提升速度的确定

下沉速度：选0.8m/min，下行时间：（17.4+2.5）/0.8=24.9min；

桩底滞留时间：1.0min；

提升速度：选1.5m/min，上行时间：（17.4+2.5）/1.5=13.3min；

合计运行时间：39.2min，与水泥浆流量时间39.7min吻合。

计算表明上述三轴搅拌桩试桩施工参数选择合理。

5锚索与锚管组合方式——组合式预应力锚管的应用

5.1组合式预应力锚管的施工工艺

在本基坑工程中，负二层采用工法桩加锚杆的支护形式，其中有一部分为预应力锚索，若按照常规的施工工艺，在碎石土层中施工锚索极为困难，甚至无法完成，钻孔过程出现塌孔后便无法进行，本工程采用锚管套钢绞线的方法使问题得以解决。

具体方法是在预应力锚索成孔困难的地段采用冲击的方式先进行锚管施工，进入土层的锚管达到设计长度后使钢管外留1m，布置钢筋网进行喷射面层，强度满足后对锚管清孔并装入2束钢绞线，钢绞线长度比进入土层的锚管长80cm，钢绞线端头距锚管口20cm左右，往锚管内灌满水泥浆，孔口用止浆袋封堵，进行间歇式压力注浆，每次注浆饱满后停歇20min，每一个锚管进行2～3次注浆。当锚固体达到强度后切掉外露的钢管，留下锚索张拉锁定，锁紧力按设计要求。

5.2组合式预应力锚管的拉力验算

（1）由钢绞线与水泥浆锚固体黏结强度控制的拉力

T1=0.625ξ?n?π?d?Ft?La=0.625×0.7×2×π×15.2×1.1×15000=689kN

考虑水泥浆锚固体黏结厚度过小，最薄处6mm，远小于最小值25mm的要求，黏结效果需折减，折减系数0.25。

折减后拉力设计值=0.25×689=172kN

式中：ξ——集束钢件的黏结效果折减系数，3件集束取值0.7；

0.625——安全系数K的倒数，临时支护取K=1.6；

n——钢绞线根数，n=2，d——钢绞线直径，d=15.2；

Ft——水泥浆锚固体的抗拉强度设计值，1.1N/mm2

La——钢绞线有效锚固长度15m。

（2）由锚管与水泥浆锚固体黏结强度控制的拉力

T2=0.625ξ?n?π?d?Ft?La=0.625×0.7×1×π×42×1.1×15000=952kN

折减后拉力设计值=0.25×952=238kN

（3）由水泥浆锚固体与土层黏结强度控制的拉力

T3=0.625π?d?Fb?La=0.625×π×130×0.03×20000=153kN

（Fb——水泥浆锚固体与土层极限摩阻力30kPa）

综合上述计算，组合式预应力锚管的拉力承载力可达153kN＞设计拉力110kN，故能满足要求。按该工艺施工的5根组合式预应力锚管，其拉拔试验承载力均超过设计值。

6施工技术的应用成果评价

本项目从施工过程的关键点和困难点出发，根据工程自身的特点，寻求解决问题的思路和方法，实践表明，综合应用上述的方法和技术措施，对该工程的实施起到提纲挈领的作用，收到良好的工期进度和质量安全方面的效果，具体体现在：

（1）合理的施工顺序对缩短工期、节约成本具有显著的作用，该项目打破施工的传统思路，因地制宜地采用先深后浅的施工顺序，使工期缩短一个月。采用非传统做法必须事先分析可行性，对附加出现的问题要有足够的因应手段，本项目可取之处在于未降水情况下，成功地解决了地下水的困扰问题。

（2）大型机械——三轴搅拌桩机对地面承载力的要求判别是关键，采用300型挖机做验证，根据不同型号的机械进行接地比压的类比验算，这个经验与方法对于软弱场地的情形具有重要的指导价值，可以避免大型机械因对场地承载力估计不准造成陷落甚至倾覆的危险，保证施工过程的安全。

（3）三轴搅拌桩工艺参数关系到成桩质量与施工的成本问题，虽然设计与规范都给出工艺参数的选择范围，但实际施工时必须有一个定值。业内行情在对待这个问题上往往凭班组经验来定，具有随意性，造成水泥用量或超标或不足。本项目是通过设计水泥掺量做基准参数，经过一系列计算来制定各个工艺参数，具有科学性和实证性，既保证设计质量（水泥掺量）又不造成超标增加成本，从而达到设计质量与施工成本节约的统一。

（4）该项目首创组合式预应力锚管并加以应用。在碎石土和杂填土地层，预应力锚索（锚杆）的施工通常要采用跟管工艺，即为了克服钻孔过程出现塌孔、卡钻等现象，使用钢套管跟进钻孔的方法（俗称跟管），跟管的成本约180元/m，且工效极低（每班一天只能施工3根左右的锚索）。在该项目中，经过试验与计算，形成一种新的拉锚形式——组合式预应力锚管，成功地解决了碎石土层的预应力锚索施工问题，节约成本约160元/m，工效提高3～4倍（与跟管工艺比），为该项目的工期与成本节约发挥较大作用。

（5）该项目采用上述方法后，不仅在工期、成本上看到显著的效果，而且在施工过程的安全性以及基坑的整体稳定性方面也是富有成效的。根据监测单位反馈，基坑整体稳定性非常好，二层深基坑部分累计变形只有3cm～4cm。

7结语

综上所述，基坑支护方法因具体情况的不同而存在较大差异，必须经过通过精心分析，全面的比较鉴别和分析，选取最为合理的支护方式，制定合理可行的施工方案，细化和深化施工工艺。通过工程实践，该支护方案及施工具有基坑支护费用较低、基坑施工周期短、基坑施工效果明显、能确保周边建筑环境安全等优点，可为类似工程施工提供参考借鉴。

参考文献：

[1]陈青青.锚杆-SMW工法桩复合基坑支护技术及其应用研究[D].华侨大学，2013

[2]王春苗.论SMW工法桩与“U”型锚杆联合支护体系的应用和质量控制[J].江西建材，2015（15）：81-82