试论锚杆喷射混凝土支护技术的应用

摘要：随着高层建筑的不断增加，地下空间也被充分利用起来，由此深基坑的支护工程也就逐渐成为当前基础工程建设的重点内容。锚杆喷射混凝土做为支护工程是当前使用最为广泛的支护技术，其有保护基坑稳定、控制基坑变形、增强陡边边坡岩石结构和抗变形的作用。据此，本文在简要介绍研究背景的基础上，重点对基坑锚杆支护的设计和现场监控以及喷射混凝土等问题进行了分析，最后对锚杆喷射混凝土支护技术的未来发展进行了阐述，提出了信息化施工的想法。希望对相关工作人员有一定的帮助。

关键词：锚杆支护；喷射混凝土支护；深基坑；应用

一、研究背景以及国内外研究现状

随着高层建筑不断增多以及地下空间的不断应用，深基坑支护和施工问题也就成为基础工程的重点和难点问题。深基坑支护的设计及其施工问题一直是土力学基础中的一个古老的课题，也是岩土问题中的一个重大的工程难题。上世纪二十年代初期，K.Terzaghi的土力学和工程地质学先后问世，将坑基工程的建设带入发展正轨中；同世纪四十年代K.Terzaghi以及其课题组提出了根据挖土量的多少估计基坑稳定性和支撑荷载大小的方法，这一理论和预估方法也一直被沿用。直到上世纪七十年代，才有学者开始用理论指导土量的开挖法规。在此基础上，不同的支護方法也被先后提出，其中最被学术界认可的支护方法就是锚杆喷射混凝土支护方法。

锚杆喷射混凝土支护指的是喷射混凝土、各类锚杆和钢筋网联合支护的简称。这种独特的支护方法不仅改变了传统支护方法在墙、管、撑等的被动支撑的概念，在最大程度上将基坑边壁土体原本的力学强度利用起来，将原本的土体载荷变为支护结构的一部分。然后，混凝土经过高压空气的作用高速向土层表面喷射出来，先期喷射出来的混凝土就成为了骨料被嵌入表层土中，后期喷射出的混凝土就叠加在骨料上并将骨料完全包裹。就这样，喷射层和土料之间形成了嵌固层，并随着开挖形成了封闭系统，这样层面的好处是喷射层不仅能够加固土层，使其免受风化，而且还能使喷射层和土层之间建立一种坚固的联系，加强支护作用。锚杆的位置处于破裂面之下的土层中，其埋藏位置应该相对深，外锚固端应该同猫王连接成为一体，这样任何能够影响层面不稳定的因素就会被转移到内锚固段；另外，钢筋网的加入也在一定程度上增强了喷层整体的柔韧性和完整性，调整了喷层和锚杆内力的分布，这也是锚杆喷射混凝土支护理论的一大优势。当然，造价低、工期短、支护及时、安全稳定、占地面积小等也是锚杆支护的另一大优势。

锚杆喷射混凝土支护技术起始于上世纪七十年代，欧美大国（德国、法国、美国等）几乎是在同一时间开始研究锚杆喷射混凝土支护技术的应用。这一新潮的起始也同新奥法在当时的流行有着密不可分的关系。这些国家还对锚杆喷射混凝土支护工作性能的实验研究，对其应用的分析方法和程序开发离心机试验等获取了大量的资料和数据，而后他们开发出了一种单孔复合锚杆，主要作用是分散压力；我国在这方面的研究开始的相对较晚，首先使用锚杆喷射混凝土支护技术的是1975年的北京地铁工程，直到近些年高层建筑的发展，该技术才得到较大的发展。冶金部建筑研究总院和清华大学还编写了锚杆喷射混凝土支护稳定性分析的程序，在香港机场的建设中，该项分析程序也被实际应用，在承受3000KN的情况下，也没有见到异常状况。

在国内外的研究中，对单根锚杆工作机理的研究较多，对锚杆和土体之间的相互作用的研究却较少，其中尤其是缺乏对基坑支护工程的研究较少。同时，随着国内高层建筑越来越多，尤其是近几年间，高层建筑的出现几乎是呈现几何倍数增长。建筑层数的增多也在一定程度上对基坑的坚固程度提出了更高的要求：不仅要保证基坑的稳定还要满足一定的变形要求，这样才能保证基坑周围的的建筑物以及地下管道和线路的安全。正是这样，研究锚杆喷射混凝土支护技术更是尤为必要了。

二、锚杆喷射混凝土支护技术

（一）锚杆的设计

锚杆设计应该根据实际情况进行，在隧洞、工程断面以及不同岩质的地区，都应该使用不同类型的锚杆。本部分根据笔者工作实际，主要介绍预应力锚杆的设计需求。预应力锚杆的设计应当遵守以下规定：

（1）硬岩锚固应该首先选用拉力型锚杆。如果所建筑的基坑周围为软质岩石，那么锚杆应该选用压力分散型或者拉力分散型锚杆；

（2）由于不同锚杆之间必然会产生相互影响，在设计锚杆锚固体之间的间距时应该详细考虑。另外，锚杆的倾角也需要根据实际地形条件详细考虑，我们一般应该避免锚杆同水平面的夹角为-10°—10°；

（3）预应力钢筋的材料选取以钢绞线、高强度钢丝和高强度螺纹钢筋为宜，这些材料强度好，韧性足，能够承重的重量也足。对于压力型锚杆，其预应力钢筋的材料应该选择无粘结钢绞线，如果该处预应力钢筋需要承担的预应力较小或者锚杆的长度小于20m时，也可以选择二级钢筋或者三级钢筋作为预应力钢筋；

（4）预应力钢筋的截面尺寸确定应该按照公式来计算（如下）：

其中，A表示钢筋的截面积（单位：mm2）；Nt表示锚杆轴向拉力的设计值（单位：kN）；fpkt表示预应力钢筋的标准强度值（单位：N/ mm2）；K为预应力钢筋的截面设计的安全系数（一般临时锚杆取1.6，永久锚杆取1.8）；

（5）预应力锚杆的锚固灌浆应该选用水泥浆或者水泥沙等材料，这些材料有较强的粘合性，同时为了保证锚杆的抗压性，水泥的强度应该保证在30MPa之上；如果使用压力分散型的锚杆锚固，那么水泥部分的抗压强度应该高于40MPa；

（6）预应力锚杆中自由端的长度应该大于五米，锚固段的长度要按照公式进行计算（如下）：

；

其中，Ia的单位为mm；qr水泥结石体与岩石孔壁间的粘结强度设计值，一般取标准值的0.8倍；表示泥结石体与钢绞线或钢筋间的粘结强度设计值，也取标准值的0.8倍； 为介面粘结强度降低系数，在使用两根或者两根以上的钢筋或者钢绞线时使用，一般取0.60或0.85。在计算自由杆长度时，要按照这两个公式分别计算，取其中的较大值；

（7）为了保证支护的稳定，压力分散型或者拉力分散性锚杆的长度应该长出锚杆钻孔直径的15倍；

（8）在设计压力分散型锚杆时，除了以上的注意点，还应该对灌浆体轴向承压力进行验算。因为注浆体的轴心抗压强度同锚杆局部受压以及注浆体的约束有关，所以一般使用验算方法为试验；

（9）預应力锚杆以及其相连的周边受力部件应该保证不少于95%的杆体极限抗压力。对于拉力锁定值来说，临时预应力锚杆可以小于等于拉里设计值；一些永久性预应力锚杆的拉力锁定值应该远远高于该极限值；

（10）在固定预应力钢筋时，要注意两根钢筋之间的间距应该至少保持1.5到2.0米，并设置隔离架。对于一些永久性的拉力型锚杆或者分散型锚杆，应该在其预应力钢筋外围套上波形管，并保证保护层的厚度大于20mm；自由段内的预应力钢筋可以选择带有塑料的双重防腐形式，有条件的甚至可以在套管和孔壁之间灌满水泥净浆。

（二）喷射混凝土支护设计

在喷射混凝土时，首先要控制混凝土的设计强度（行业内定不得低于C15，对于一些竖井或者要求较高的斜井工程，混凝土的设计强度应该高于C20），另外，抗压强度也需要工程师详细考虑的一方面；其次，喷射混凝土支护的厚度也有相应的规定，一般在50mm到200mm之间，钢筋网的混凝土喷射厚度一般在100mm到250mm之间；最后，在钢筋网喷射混凝土汇总尤其要注意以下三点：为了保证建筑质量，钢筋网的材料只允许选用钢筋直径在4—12mm之间的一级钢筋；钢筋之间的间距应该控制在150—350mm；钢筋保护层的厚度应该大于20mm（水工隧洞的钢筋保护层厚度大于50mm）。

（三）现场监控量测

有效的现场监控可以保证工程进行的顺利性。在现状监控量测时，首先应该及时将现场的各种数据绘制成时态曲线，这样能根据曲线进行回归分析，以推算出最终的位移值，确定位移规律，同时还要注意明确标注施工序号和开挖面和侧断面之间的距离；其次，对于一些地下工程的支护工作时，按照隧洞稳定的的判断条件：后期支护实施后的水平位移和垂直位移逐渐趋近于零。所以其后期支护的实施应该按照三个标准进行：水平收敛速度小于0.2mm/d（隧洞周边）、垂直位移速度小于0.1mm/d（拱顶或底板）；水平、垂直位移明显下降；位移相对值已经达到总位移值的90%。

（四）喷射混凝土施工

在实施喷射水泥施工之前，首先要全面检查机械设备以及风、管路和电线，保证机器的正常运转；其次，为了保证混凝土和岩层的粘合度，在喷射之前，岩层要经过充分冲刷和湿润，保证没有杂物，。同时埋设混凝土厚度的标志，保证混凝土喷射均匀；再次，混凝土的喷射作业应该分片进行。一般建议喷射顺序为由上而下，由左至右，但是也要根据实际地形条件和当天的风向进行调整，保证喷射作业的顺利；最后，如果工程需求按照喷锚网混凝土施工，那么施工顺序就非常重要了。一定要在喷射出第一层混凝土后才能设置锚杆和钢筋网。我们一般设置第一层混凝土的厚度为3-4厘米，在第一层混凝土终凝后一小时再进行第二层的喷射。在第二层喷射之前应该充分清洗第一层的表面，在混凝土喷射结束后的24小时内要浇水养护，保证混凝土的质量。

另外，混凝土的水灰比要按照实际需求进行控制，比例以保证混凝土表面平整、整体湿润光滑，无流淌或者干斑为准。为了保证喷射过程的顺利，喷射机应该设置在较为平整的位置。

（五）锚杆钻孔及注浆

锚杆钻孔和注浆也是锚杆喷射混凝土支护技术中关键的一步。首先，在定位锚杆钻孔位置时，要在喷射过第一层混凝土凝固之后再行定位，定位孔宜选用气腿式凿岩机钻孔，一般孔径保持在50mm，钻孔深度为1.0—1.5m即可，锚杆的分布要按照梅花状安排；其次，如果在钻孔的过程中遇到过于坚硬的岩石，不能强硬的选择加大压力冲钻，这样会影响边坡的稳定，造成不安全因素。我们建议在坚硬的岩石上钻孔时，可以选择使用加水的方式钻孔，钻进速度要随着机钻速度进行，不要人为干预；再次，在注浆时，一般建议选择压力泵将水泥砂浆注入锚孔中，如果砂浆注入孔洞时客观要求不能加压过大，那么可以保持0.1MPa压力注入。为了保证注浆饱满，注浆管应该插入孔底5—10cm处，在砂浆注满后应该缓慢拔出，避免气泡；最后，注浆完毕后，应该立即插入锚杆，如果插入锚杆后没有砂浆溢出，应该及时补充砂浆。

三、信息施工技术

支护技术是一项非常复杂的工程，其中包含着岩土工程学和结构力学知识，而且岩土体学中包含着非常复杂的线性关系，同时在支护结构中相关的强度计算和土压力的计算尚且不够成熟；人们对支护技术的要求也越来越多。根据有关资料显示，支护体系失效导致的安全问题约占总事故率的13%。其中，由于理论计算的成本高昂、对实际情况的估计不足等问题，很容易产生安全隐患。因此，使用信息施工法建立一定的反馈机制以控制施工过程的完善和安全也是信息施工的重要方面。

虽然信息法施工有一定的缺点，但是在信息化逐渐覆盖的今天，信息化施工也必然是锚杆喷射混凝土支护的发展趋势。因此，信息法施工的重点在于建立一套完整的计算模型，这样才能用理论尽可能接近的模拟出实际情况。但是不可否认的是，计算模型确实是一种接近实际的拟合状况，所以其计算结果不具备唯一性，更能够预测一种趋势，其真实性和可靠性要靠不断的施工信息追踪和信息反馈检测系统来影响，只有多种信息手段同时运用才能确保信息法施工的安全可靠、经济合理。

四、结语

锚杆喷射混凝土支护工作是一个非常复杂的工程，当前需要克服的难题尚且有很多，发生工程事故的概率也往往比主体工程的概率要高。同时，由于种种客观因素，制定一套工程设计和施工方法标准非常困难，施工过程中的变化很难被全面估计。为了尽可能的提高施工安全性，笔者建议：首先，在设计锚杆时，要根据实际情况加入砂卵石土、沙质土等不同岩土层，保证锚杆设计的准确；其次，要根据坡体变化规律总结出其强度破坏规则，尽量根据变形速率以及矢量方向的变化精准化破坏规则。

参考文献：

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作者简介：

修天翔 男 山东省青岛市 本科 见习专业工程师 中建八局第一建设有限公司 ，研究方向： 有关深基坑支护施工、基坑持力层为岩石的基槽开挖、有关土石方工程岩石破碎开挖/爆破施工合理流程。 还有基坑持力层为岩石与其他地区不同持力层的基坑开挖的区别，及更为之有效的开挖方案