复杂条件下超大深基坑预应力悬臂围护桩施工技术

文/ 中铁电气化局集团北京建筑工程有限公司   姬建华，刘亚伟，任鹏，郑云水

1  工程概况

西安北高铁客运站配套停车楼位于客站北广场（见图1），国铁线路与地铁4号线之间，停车楼建筑面积5.7万㎡，地下1层，地上3层，建筑高度13.2m，结构形式为预应力钢筋混凝土框架结构，基础采用桩筏基础。停车楼基坑东西长271m，南北宽99.6m，通往北客站地下连廊处基坑长125.5m，宽20.8m（见图2），基坑面积约27974 ㎡，基坑底标高平均-12.300m，因地表标高不一致，基坑深度约6~13m，整体上呈北深南浅。

图1  西安北站停车楼效果

图2  基坑平面

工程周边环境复杂，地下管线杂多，地下结构空间紧张。基坑区域南侧为国铁银西线及其地上构筑物，西侧为天然场坪，北侧为西安地铁4号线，支护桩距离地铁结构约6~10m，与地铁结构距离自西向东逐渐增大。场地东南侧存在大量热力管网、铁路给水及污水管网。整体上环境复杂，地下施工条件较差，对基坑支护设计和施工提出较高要求。场地地层主要由人工填土，第四纪全新世冲洪积黄土状土、粉土、冲积砂土和粉质黏土及晚更新世冲积粉质黏土、砂土组成。地层沿水平及垂直方向上分布规律性较好，二元结构沉积韵律清晰。地下水属潜水类型，主要由大气降水、地表和地下迳流补给，以自然蒸发、人工抽排和迳流排泄为主。

2  基坑支护设计

基坑占地面积较大，地下条件复杂，在满足基坑稳定的同时还须保证既有结构安全，加之工期非常紧张，基坑受北侧地铁浅埋区和南侧高铁的限制条件影响，主基坑南北两侧均采用新型预应力混凝土悬臂桩支护，西侧采用放坡网喷土钉墙支护，东侧通往北客站地下连廊区域基坑采用混凝土灌注桩加钢管横撑（见图3），预应力桩身混凝土为C40水下超流态碎石混凝土。

图3  基坑支护方式

如图3所示，基坑支护形式分为分为A`-A-B-C-D段、D-E段、E-F-G段、G-H-J段、J-K段、K-L段、L-M段、M-N段、N-P（Q-R）段、R-S段、S-S`段及S-T-U-A段。其中，A`-A-B-C-D段基坑支护采用18m长直径1m预应力钢筋混凝土灌注桩（见图4），地面附加荷载为20kPa，该段桩体受到的最大弯矩在-1.900m标高，为1000kN·m，支护桩单根钢绞线设计轴力为140kN，布设孔位如图5所示，每个孔布设5根钢绞线，偏心力矩为1169kN·m，满足要求；D-E段采用长22m、直径1.2m预应力桩；E-F-G段采用长17.1m、直径1m混凝土灌注桩；G-H-J，H`-J`，J-K，J`-K`，K-L及K`-L`-L段为车辆由室外进入1层的汽车坡道，该处距离热力管网较近，采用长10~20m、直径1m的普通灌注桩加旋喷锚索锚固；L-M段采用长28.1m、直径1.4m预应力桩；M-N段采用长23m、直径1.2m预应力桩。N-P，Q-R段为停车楼与高铁西安北站地下通道人行连廊，基坑支护采用长27.4m、直径1.4m普通灌注桩加钢管支撑，N-P段南侧为高铁西安北站，防护桩距离高铁西安北站结构7.5m；Q-R段北侧为地铁，防护桩距离地铁结构7.75m。R-S-S`段采用长27.1m、直径1.4m预应力桩，R-S段北侧为地铁，防护桩距离地铁结构为6m。S-T-U-A段为放坡开挖区域，放坡比例1:1.2，坡面挂网喷射混凝土加设土钉。

图4  A`-A-B-C-D段基坑支护

图5  钢绞线布置平面点位  

3  预应力悬臂桩施工关键技术

主基坑区域南北两侧均为新型预应力悬臂桩，在本基坑支护工程中所占体量较大。预应力混凝土悬臂支护桩的核心机理是通过预应力控制桩体变形，实现荷载平衡。虽不同于普通的预应力梁、板，但其本质仍是一种预应力结构。

?? 预应力混凝土梁变形机理

预应力混凝土悬臂桩的变形控制原理同预应力梁。预应力混凝土梁的变形由两部分组成：一部分是预加力（预应力）作用引起的变形，通常也称为反拱度；另一部分是荷载作用产生的变形，通常也称为挠度或位移。一般情况下，上述两部分变形方向相反，可用预加力引起的反拱度来抵消荷载产生的挠度，从而达到控制变形的目的。普通简支梁的变形机理与预应力梁的变形机理如图6所示。

图6  受力变形示意

在基坑支护工程中，当支护桩嵌固深度足够深，桩底位移几乎为0。可默认桩底为固定端，等效成悬臂梁分析其受力变形机理。悬臂梁结构在受到竖向荷载作用时，会产生向下的变形，通过在悬臂端头靠近荷载一侧施加预应力后会产生一个向上变形趋势，从而抵消梁向下位移变形（见图7）。

图7  悬臂梁变形机理

?? 预应力悬臂桩变形机理

传统的混凝土悬臂支护桩在受主动土压力作用下，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底标高处的位移。预应力悬臂支护桩通过在支护桩内预埋无粘结钢绞线，根据开挖步骤，一次或分次对钢绞线进行张拉，施加偏心预应力，使之产生朝向基坑外的变形趋势，从而部分抵消基坑开挖产生的朝向基坑内的变形，实现控制和调整支护桩变形的目的。悬臂桩变形曲线对比如图8所示。

图8  悬臂支护结构变形对比示意

?? 预应力桩施工工艺流程

预应力悬臂桩成孔、护壁及水下浇筑混凝土与旋挖成孔工艺一致。按钢绞线一次性张拉和分多次张拉，主要工艺流程如图9所示。

图9  施工工艺流程

?? 钢绞线安装

预应力钢绞线采用1860无粘结型钢绞线，钢绞线和挤压锚（YJM15-1P）利用挤压机咬合牢固并通过承载板传力，在制作钢筋笼时按须设定的位置进行固定绑扎。为固定钢绞线，须在钢筋笼上附加焊接构造钢筋或固定板进行定位，钢绞线应在冠梁顶预留1.2m以上。钢绞线在钢筋笼上的绑扎固定与钢筋笼的加工穿插进行，具体做法：将进场的钢绞线去皮处理→挤压套通过挤压机与钢绞线连接牢固→主筋与加强筋焊接牢固后，绑扎箍筋→承载板与主筋、加强筋焊接固定→穿入钢绞线束，并在承载板上锚固→绑扎固定钢绞线。

为保护混凝土不会受压破坏，预应力钢绞线采用20mm厚Q235钢承载板锚固。不同桩径所配的钢绞线数量及对应的承载板和固定板尺寸有所不同，本工程中，1m桩径配5组钢绞线；1.2m桩径D-E段配6组钢绞线，每组5束，M-N段配8组钢绞线。1.4m桩径N-P，Q-R，R-S`，L-M配10组钢绞线，每组5束（见图10）。

图10  钢绞线固定示意

?? 板材制作及安装

承载板、固定板需要钢材加工厂定制加工，形状应结合支护结构的截面形状按设计要求确定。承载板与主筋及加强筋焊接，焊接方式为满焊，焊缝高度≥10mm。

1） A`-D段桩径1m，设计5组钢绞线。距离桩底2m设置左右对称两块1号承载板，距离1号承载板上1m设置2号承载板。桩顶部设置1块张拉垫板，设置3块固定板，第1块固定板在张拉垫板下10mm，垫板垂直间距1m。

2） D-E段桩径1.2m，设计6组钢绞线。距离桩底2m设置左右对称2块1号承载板，距离1号承载板上1m设置3号承载板，本段不设置2号承载板。桩顶部设置1块张拉垫板，设置3块固定板，第1块固定板在张拉垫板下10mm，垫板垂直间距1m。

3） M-N段桩径1.2m，设计8组钢绞线。距离桩底2m设置左右对称2块1号承载板，距离1号承载板上1m设置2号承载板，距离2号承载板上1m设置3号承载板。桩顶部设置1块张拉垫板，设置3块固定板，第1块固定板在张拉垫板下10mm，垫板垂直间距1m，布置同D-E段。

4） N-P，Q-R，R-S`，L-M段桩径1.4m，设计10组钢绞线。距离桩底2m设置左右对称2块1号承载板，距离1号承载板上1m设置2号承载板，距离2号承载板上1m设置3号承载板。桩顶部设置1块张拉垫板，设置3块固定板，第1块固定板在张拉垫板下10mm，垫板垂直间距1m。

承载板应与主筋点焊，与加强筋焊接牢固，在承载板位置没有加强筋时应增设1道加强筋，保证其在灌注混凝土时不会脱落或位置发生过大偏移。承载板上下孔位要对齐，禁止出现钢绞线因承压板、固定板位置偏差导致弯曲过大的现象。

?? 钢筋笼吊放

预应力钢绞线在钢筋笼内是有方向性的，在下放的过程中需要确保钢筋笼的方向与设计位置一致，设有钢绞线一侧朝向基坑外。吊放钢筋笼入孔时，应对准孔位轻放慢放入孔，遇阻碍要查明原因，进行处理，不得强行下放。若下放钢筋笼过程中出现钢筋笼偏位，有承载板一侧未朝向基坑外侧，需及时校正，调整钢筋笼方向。

?? 预应力桩钢绞线张拉

需待冠梁混凝土强度达到设计强度的80%，且龄期不低于7d后，方可进行预应力桩钢绞线张拉。锚具采用OVM系列，张拉机张拉力不小于1000kN，张拉前需进行标定，确定压力值。钢绞线需采用单枪千斤顶线逐根张拉，每根钢绞线张拉值为140kN，5根钢绞线的孔道锁定值为700kN。

按孔道对称张拉，分两次张拉，先采用单枪千斤顶逐根张拉至100kN，再整体张拉至140kN。若土方开挖过程中钢绞线出现拉力损失，需对钢绞线进行二次张拉锁定。张拉完成后土方分层开挖至坑底。

4  效益分析

本工程中，采用预应力悬臂桩技术方案相比留土反压内支撑支护方案钢筋量节约180t，增加预应力钢绞线360t，内支撑节约964t，留土反压土钉节约5760m，留土反压喷射混凝土护面节约3150㎡，钢围檩节约141t，经过经济对比分析，经过经济对比分析，预应力混凝土悬臂支护桩造价相比传统双排桩造价节约30%，远低于内支撑造价。

采用预应力悬臂桩方案工期方面具有明显优势，基坑所有护坡桩1个月内可以全部施工完成，考虑分段流水施工，施工桩顶冠梁、等待龄期、施加预应力也可于15d内施工完毕。采用此技术从护坡桩开工到预应力施加完成基本上只需要45d，之后土方开挖即可不受任何约束，相比锚索而言省去锚索施工、腰梁制作及其养护张拉时间，相比内支撑而言省去了拆除内支撑工况，不会影响主体结构施工，可大面积开挖土方，工期优势显著。

采用预应力混凝土悬臂支护桩进行基坑支护工艺与传统的排桩支护体系相比只需单排桩即可满足基坑安全及变形要求，基坑土体能顺着支护桩垂直开挖，建设单位可根据支护情况最大深度的优化基坑边线，可以最大化的开发利用地下空间。工期、造价、地下空间的开发利用都是开发商重点考虑的因素，本工艺能缩短基坑支护工程施工工期，扩大地下空间利用率，具有良好的发展前景。