钢管混凝土预应力锚式支护在深基坑支护中的应用

钢管混凝土预应力锚式支护在深基坑支护中的应用

刘,敏

湖南五建市政工程建设有限责任公司 湖南株洲 412000

摘要：利用钢管的抗弯能力强与混凝土的抗压强度高进行结合，大大提高了桩的承载力、抗弯性能及延性，施工方便缩短工期、施工速度快、环保的特点，将其应用于深基坑支护工程中，结合工程实例，探讨这种新型结构支护桩在深基坑支护工程中的设计与施工要点。

关键词：钢管混凝土桩，深基坑，支护工程，预应力

近年来，钢管混凝土结构的迅速发展是由于它具有良好的受力性能和施工性能。钢管混凝土作为一种新型的组合结构，主要以轴心受压和作用力偏心较小的受压构件为主，被广泛使用于框架结构中(如厂房和高层)。这种桩在深基坑支护工程中应用较少，结合项目实例，针对预应力钢管混凝土桩的设计与施工进行探讨，可供类似深基坑参考。

1.工程概况

该工程为火力发电厂补给水泵房工程，距离江边125米，基坑开挖深度16~18m不等。基坑北侧分布有民房和坟墓，南侧分布有寺庙和生态保护区。地下管线和地上线缆均已由建设单位先行迁改。根据施工方案，该工程先作支护，再进行开挖后，施作主体结构。

根据岩土工程勘察报告，本项目的工程地质和水文地质条件如下：

拟建泵房覆盖层厚度小于20m，场地相对平整，局部经人类生产作业活动改造，杂填土较厚。在基坑开挖深度范围内涉及的主要地层分布由上至下分别为：①素填土（松散)，②淤泥（流塑)，③粉土（稍密)，④粉质粘土(软塑)，⑤粉质粘土（可塑)，⑥松质粘土(硬塑)，⑦砾砂(稍密)，⑧卵石(稍密)，下伏基岩为⑨强～中等风化板岩，开挖范围内中风化板岩顶面标高为41.58～51.20m。

场地内地下水类型主要为孔隙性潜水和基岩裂隙水，粘性土、粉土及填土等地层中主要分布孔隙水、上层滞水，砂砾及卵石层中的孔隙水具有一定的承压性。地下水水位埋深约0.0～6.8m，变幅±3.0m左右，受季节影响相对较大。基岩裂隙水主要存在于强风化板岩和中等风化板岩中，该层地下水水位埋深自层顶起水量由风化破碎带至深部逐渐减少。

2.钢管混凝土桩锚式支护主要施工工艺与方法

(1)测放桩位

用全站仪对桩孔准确放样出桩中心后，在切线与法线方向埋设护桩，并注意保护。施工时应利用护桩检查桩孔是否偏离设计位置，需经常对桩孔及护桩进行复核，发现问题及时妥善处理，从而保证桩位准确定位。

由技术主管组织测量人员进行施工放样测量，经监理验收合格后，应根据桩基布置情况导引测量控制点，并设保护标志，以备校核桩位之用。

桩位测放后，先用木桩中心钉小铁钉标示桩孔中心位置，经复测后，据此埋设护筒，并引出至少两个护桩，钻机据此校正位置。

(2)埋设护筒

为了保持孔壁稳定，防止钻孔坍塌，隔离地表水及杂物必须埋设孔口护筒，护筒在埋设定位时，护筒中心与桩中心的平面位置偏差应不大于50mm，护筒在竖直方向倾斜度应不大于1%，并高出地面300mm。护筒宜采用钢板卷制，其内径应大于桩径100mm，壁厚应能使护筒保持圆筒状且不变形。并根据地质情况，在易塌孔和地下水位高的位置需配备6-8米长护筒，以保证旋挖桩机能正常成孔，护筒采用振动锤下压至岩层顶面。

(3)钻机就位

在埋设好护筒后，立好钻架，将钻机就位。钻机架底座应用枕木塞紧，顶端应用缆风绳固定平稳，并在钻孔过程中经常检查。开钻前先检查钻头直径，并调整使钻塔垂直，合格后根据四角控制拉好的“十字线”对准桩位，经质检工程师检查合格并报监理验收合格后方可开钻，钻孔时必须保证成孔中心对准桩位中心。

(4)钻孔作业

旋挖钻机采用筒式钻斗，开钻前找准桩位并拉好十字线，对准桩位后，利用自动控制系统调整基垂直度，开始钻进，在钻进过程中做好钻孔施工记录，按规范要求分段留取渣样，并标明地层深度。在钻孔入岩时，根据最后一斗与标准岩样进行比较，确定入岩3米，钻至不少于设计深度。

(5)钢管吊放安装

下放10mm厚ɸ800钢管前应进行检查验收，钢管质量及尺寸不符合要求不准入孔；起吊钢管时应首先检查吊点的牢固程度。整体吊装入孔，吊装过程中应严防孔壁坍塌。用吊车放入孔时轻放慢下，入孔后不得强行左右旋转，严禁高起猛落、碰撞和强压下放。钢管入孔后应准确、牢固定位，检查钢管顶标高，应与设计标高一致。

(6)基坑土石方开挖及挂网喷射砼

深基坑开挖作业方式采用自上而下、分层分段开挖，以机械作业为主，人工清理为辅。土方以挖掘机按1-2米分层开挖，分层支护；石方用破碎机将岩石逐层破碎，再用挖掘机挖运上车运至指定弃土场。标高50m处设置一道宽3.5m和6.5m的马道，逐层人工修整边坡至设计坡率, 挖至设计标高以上20cm〜30cm时停止，然后人工清理至设计标高，以免扰动基底，确保顶面平实。

分数次喷射，初喷封闭岩面，喷射厚度3～5cm，以后每次喷射5～8cm，直至喷到设计厚度。若设计喷射混凝土较厚，喷射作业应分层进行，一般分2-3层。一次喷射太厚，在自重作用下，喷层会出现裂纹而引起大片坍塌；一次喷射太薄，大部分骨料会回弹，使受喷面上仅留下一层薄薄的混凝土或砂浆，影响工程质量。

(7)双拼工字钢腰梁施工

腰梁采用2I28A工字钢，共布设两道腰梁。每个1米内外设置一道连接板，遇锚索钻孔位置，错位避开。

(8)锚索施工

1　钻机就位成孔

1. 钻机就位后，应保持平稳，导杆或立轴与钻杆倾角一致，并在同一轴线上。
2. 施工中根据地质条件可选择两种钻头，土层中选用三角合金钻头，岩层中选用专用圆柱型钻头。
3. 在钻进过程中，应精心操作，精神集中，合理掌握钻进参数，合理掌握钻进速度，防止埋钻、卡钻等各种孔内事故。一旦发生孔内事故，应争取一切时间尽快处理。粉质粘土、中砂、粗砂层易塌孔，成孔较困难，钻进时采用套管跟进。
4. 锚索钻机成孔，孔径130mm，长度6-17m；应使用专用钻机，成孔时如涌水较大，应采用套管护孔。锚索与水平方向夹角为20～30°，孔位与水平方向允许偏差100mm，垂直方向允许偏差50mm，孔深超过设计长度0.5～1.0m。成孔后应清孔，并立即插入锚索体注浆。
5. 锚筋采用3根7Φ15.2mm钢绞线，安装采用专门托架，锚索自由段为5～11m，锚索的自由段应扎塑料管或包塑料布。锚筋应露出孔口1000mm以上，锚筋应干净无污无锈，预应力锚索锚筋不允许接长。
6. 注浆管应与锚筋一起放入钻孔，底端距钻孔底50～100mm。采用二次注浆，第一次注浆压力为0.3～0.5MPa，二次注浆压力为1.5～2.5MPa，两次注浆压力均采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，水灰比0.45～0.50。两次注浆时间间隔为10～12h，具体由现场确定。
7. 锚索灌浆后，做工字钢腰梁，最后用穿心千斤顶、高压油泵和锚具对锚索施加预应力至设计荷载并锁定；在锚固体强度大于15MPa (灌浆后10天以上)时，即可张拉锁定。

2　锚索制作安装

1. 按设计要求制作锚索，锚索定中架或隔离架均按设计要求制作和安装，使锚索处于钻孔中心。锚索自由段采用涂刷防腐黄油加外套波纹管防腐；锚索下料应满足张拉长度要求，长度误差为50mm。
2. 安放锚索时，应防止筋体扭曲，注浆管宜随锚索一同放入孔内，筋体放入角度与钻孔倾角保持一致，安好后使筋体始终处于钻孔中心，锚索孔口外露1000mm以便张拉。
3. 若发现孔壁坍塌，应重新透孔、清孔，下放双套管施工，直至能顺利送入锚索为止。

3　注浆

1. 注浆材料应根据设计要求确定，选用水灰比0.40～0.45的P.O.42.5R普硅水泥，可外加入早强剂三乙醇胺0.03％，早强剂的用量必须严格精确使用。
2. 浆液应搅拌均匀，过筛，随搅随用，浆液应在初凝前用完，注浆管路应经常保持畅通。
3. 注浆管与锚索一起放入钻孔中，注浆管内端距设计孔底为50～100mm，二次注浆管的出浆孔密封，保证一次注浆液不进入二次注浆管内。一次注浆时采用注浆泵将浆液经压浆管输送至孔底，再由孔底返出孔口，待孔口溢出浆液或排气管停止排气时，可停止注浆。相隔6-8小时（或在锚固体强度达到5.0MPa）后采用高压注浆泵进行二次注浆，二次注浆为劈裂注浆，压力一般不小于1.5～2.5Mpa。

4　锚索张拉锁定

张拉采用经标定合格的千斤顶（油压表）等设备，待锚索孔内砂浆强度达到设计强度的70%，并符合设计要求后进行张拉作业。

锚索正式张拉前，取10~20%的设计张拉荷载，对其预张拉1~2次，使其各部位接触紧密，钢绞线完全平直。张拉分两次逐级进行，第一次张拉值为设计值的70%，第二次张拉值为设计值的110%，两次张拉间隔时间不少于3～5d。张拉时，加载速率要平缓，速率控制在设计预应力值的0.1kN/min左右，达到每一级张拉应力的预定值后，使张拉设备稳定一定时间，在张拉系统出力值不变时，确信油压表无压力向下漂移后再进行锁定，卸载速率控制在设计预应力的0.2kN/min。

张拉采用“双控法”，即以控制油表读数为准，用伸长量校核。当实际伸长量与理论值差别较大时，暂停张拉，待查明原因后方可进行张拉。

5　封锚

锚索张拉锁定后采用水泥砂浆进行封孔注浆，注浆管须插到底部，保证注浆饱满。注浆后，将锚垫板混凝土凿毛处理，再切割锚具外超长部分钢绞线，锚头部分涂刷防腐剂，最后用混凝土封锚。

(9)支护桩外高压旋喷止水及冠梁施工

高压旋喷止水根据基坑开挖渗水的实际情况分地段施工，这样可以节约成本，并缩短工期，达到止水效果。待钢管混凝土桩施工完成再施作桩顶冠梁，以保证支护结构的整体稳定性。并在施工冠梁时，埋设测量监测点。

3.总结

(1)预应力混凝土钢管桩，混凝土强度高，钢管桩刚度大，两者结合，整体提高了支护桩强度、刚度、稳定性，钢管混凝土桩内侧增加工字钢腰梁施加预应力后可大大提高管桩的抗弯能力,在适宜条件下作为支护结构是完全可行的。采用管桩不仅能提高施工效率，加快施工进度,施工也较文明整洁。

(2)大直径钢管桩采用预钻导孔吊放钢管灌注混凝土施工,最大程度地减少了混凝土的用量，节约了成本，保护了周围土体环境免受污染。

(3)基坑内渗水地段，钢管混凝土桩外侧设置高压旋喷桩止水,起到了很好的止水效果。在地下水丰富地区选用此支护方法会收到很好的效果。

参考文献

[1]黄广龙.预应力混凝土管桩在深基坑支护工程中的研究[J].建筑施工，2005，27（4）

[2]龚晓南.深基坑工程设计施工手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1998