高压旋喷锚索在黄土地区深基坑中的应用

满朝晖，张小辉，杨丽娜，王明皎，张 芳

(1.中国煤炭科工集团 西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077；2.机械工业勘察设计研究院有限公司， 陕西 西安 710043；3.西安高新科技职业学院， 陕西 西安 713700)

工程中影响基坑变形的因素很多，可归纳分为两类：人为因素和自然因素，其中人为因素根据工作性质可分为设计因素和施工因素。设计因素主要考虑的问题包括基坑的边界效应、开挖深度及周边环境等；施工因素主要包括土方分步开挖深度和宽度，开挖后锚索施工及张拉效果，降水情况等；而自然因素主要包括土体的物理力学性质，降水引起基坑水文环境变化及土体固结程度等。考虑现场所涉及的影响因素，结合场地工程和水文地质情况，选择合理、安全的支护结构型式，以求达到控制变形的目的。

当深基坑坑顶存在对变形敏感的建(构)筑物及管线且要保证其正常运行时，需选择合理设计方案及施工工艺控制基坑变形，以满足建筑物及管线对变形的要求。而采用高压旋喷锚索，在设定的土层中高压旋喷形成扩大头，特别是黄土地区具有大孔隙发育土体，旋喷注浆可有效改善土体的物理力学性质，提高锚固体周边土体的侧阻力，从而提供较大的抗拔力，达到控制深基坑变形的目的，其研究有着重要的价值和意义[1-6]。

为此，基于现有黄土地区深基坑工程实例及变形监测数据，以支护设计及施工过程为依托展开该方面分析工作。

1 工程概况

项目位于西安市西北郊，北侧紧邻售楼部，东侧、南侧紧邻住宅小区，西侧为住宅小区出入道路，道路下分布污水管线等。基坑东西长约40.5 m，南北宽约107.3 m，周长约285.3 m，支护深度为10.5 m～11.7 m。

基坑周边环境复杂，基坑开挖底口线距相邻售楼部基础外边线距约3.8 m；东侧开挖底口线距相邻小区建筑物(6F)约3.5 m～8.7 m，且距坑顶架空热力管线约1.0 m；南侧开挖底口线距建筑物(桩基础，33F/1D)约11.8 m；西侧开挖底口线距小区出入道路约1.5 m～6.9 m，周边环境及支护见图1。

图1基坑支护平面图

1.1 工程地质及水文地质条件

据勘察报告，基坑影响范围内地层自上而下依次由第四系全新统填土(Q4ml)、冲洪积黄土状土(Q41al+pl)，上更新统冲洪积(Q3al+pl)黏性土和砂土等构成，各土层的物理力学性质指标见表1。

表1 土的物理力学性质指标

勘察期间，场地地下水位埋深为9.0 m～9.7 m；地下水属潜水类型，受大气降水和地表水渗入等补给，排泄方式以径流、人工开采和蒸发为主；潜水位年变化幅度按1.0 m考虑。基坑降水时其综合渗透系数取8 m/d。

1.2 基坑支护设计方案

结合工程概况及场地地质条件，选取东侧临近建筑物及架空热力管线进行典型剖面分析；为保证基坑及临建建筑物、热力管线安全，基坑变形应严格控制，故采用护坡桩与高压旋喷锚索的支护型式。具体参数如下：

(1) 护坡桩及冠梁：桩径0.7 m，桩长17.0 m，桩间距1.60 m，主筋20C20；冠梁尺寸(宽×高)0.7 m×0.5 m；均采用C30混凝土。

(2) 高压旋喷锚索：设置两道，杆体采用3束1860级7s15.2钢绞线。锚索自由段直径150 mm，锚固体过渡段直径200 mm，扩大头直径400 mm。具体参数设计见图2。

图2基坑支护设计方案

1.3 基坑降水方案

基坑水位埋深约9.0 m～9.7 m，基坑开挖深度约11.7 m，考虑水位变幅及水位控制要求(水位降至坑底以下0.5 m)，设计降深约3.5 m～4.2 m，降水采用管井降水方案，井径0.7 m间距20.0 m，井深28.0 m。基坑外布置降水井15口，基坑内共布置2口观测井(布置在后浇带处)。坑顶降水井无施工空间时，可布置在基坑肥槽内。静水位以上选用混凝土实管，静水位以下选用无砂混凝土滤水管，直径500 mm，其孔隙率不小于15%；滤水管接头采用棕皮包封并用铁丝缠绕固定，井底填入1.0 m厚砾石。采用托盘式下管法，井管与孔壁之间采用3 mm～5 mm磨圆度较好的砾石充填，上部采用1.0 m后黏土封闭。降水井结构示意图见图3。

图3降水井结构示意图(单位：mm)

1.4 施工时间节点

由于基坑处于市区内，周围紧邻住宅小区，需要合理排土方开挖、基坑支护及降水施工组织，保证各工序衔接有序完成。基坑支护及降水施工时间节点见表2。

表2 施工时间节点

2 基坑支护计算分析

本剖面设计采用理正深基坑设计软件、MIDAS/XD基坑设计软件及有限元MIDAS/GTS软件计算分析。

(1) 理正设计软件及MIDAS/XD设计软件计算：基坑侧壁安全等级为一级，结构重要性系数取1.10；支护结构采用平面杆系结构弹性支点法，土压力模型采用弹性法土压力模型，沉降变形计算采用指数法，进行基坑开挖工况下变形规律分析。

(2) 有限元分析[7-8]：取护坡桩及高压旋喷锚索为弹性体，土为理想弹塑性体，采用摩尔-库仑强度准则。便于模型计算，分析时简化为二维模型。为减小边界效应对计算模型的影响，长、宽方向取不小于开挖深度的5倍。模型底部约束水平、竖向方向位移，侧向约束水平方向位移。为较好的模拟桩土接触面，便于模型的收敛，土体及建筑物基础采用平面应变四边形单元，护坡桩采用植入式梁单元，旋喷锚索采用植入式桁架单元，其计算区域网格划分采用疏密度控制技术，靠近界面处网格最密，距界面越远网格越稀疏。

参考场地地层分布情况，结合相关实践经验，选取土体的变形与强度参数如表1所示，护坡桩及锚索的变形与强度参数如表3所示。

表3 支护结构单元截面特性

模拟时在初始分析步进行初始地应力平衡，设置自动时间步长，其余分析步设置固定步长进行计算，计算分析位移云图如图4所示。

图4基坑计算位移云图

(3) 由图5可知，通过三个软件比较分析基坑随开挖工况变形规律可知，基坑坑顶水平位移及沉降随着开挖深度增大逐渐增大。

由图5(a)可知，理正深基坑及MIDAS/XD设计软件结果较近，坑顶最大水平位移约26 mm，为基坑支护深度的0.22%，满足《建筑基坑工程监测技术规范》[9](GB 50497—2009)规定相对基坑支护深度0.2%～0.3%要求。

由图5(b)可知，理正深基坑及MIDAS/XD软件结果较近，坑顶最大沉降约30 mm，满足《建筑基坑工程监测技术规范》[9](GB 50497—2009)关于坑顶竖向位移规定25 mm～35 mm要求。

有限元MIDAS/GTS软件水平位移及沉降结果明显高于另外两种设计软件计算结果将近30%～40%，分析原因为本构模型及计算参数仍与工程实际较难完美匹配。但变形规律与工程实际相契合，且计算云图有助于更直观、形象表达设计理念，找出支护结构薄弱点，从而有针对性的设计。

图5基坑设计计算位移变化图

3 降水监测分析

临近深基坑的建筑物及管线对降水引起的沉降比较敏感，采取分阶段降水措施，控制基坑临近相邻建(构)筑物沉降变形：(1) 提前一个月降水，使水位平缓下降，严禁反复升降水位；(2) 基坑第一阶段水位降深1.5 m，维持不少于一周，加强监测；第二阶段将至设计要求水位，并加强监测。

东侧布置J3—J8共6口降水井，井中水位随时间变化规律见图6。由图6可知，开始降水到2018年9月10日，井中水位第一阶段平缓下降约3.0 m，基坑水位下降约1.5 m，维持半个月；至2018年10月24日，井中水位第二阶段平缓下降约4.5 m，基坑水位下降至设计要求水位；2018年10月24日以后，降水处于稳定期；整个降水过程处于受控状态，满足设计要求。

依据《工程地质手册》[10]规定，降水引起地面沉降如下：

S=[a/(1+e0)]ΔpH

(1)

其中：a为土层压缩系数；e0为土层原始孔隙比；Δp为水位变化施加于土层上的平均附加应力；H为计算土层厚度。

通过计算，降水引起地面沉降约13 mm。

图6降水井中水位变化图

降水使坡体内水位下降，引起坡体土层含水率降低，土层的强度随之提高，有助于提高土层的侧阻力[11]，确保基坑变形达到控制要求。

4 高压旋喷锚索施工介绍

4.1 传递机理简述

高压旋喷锚索为变截面，自由段直径较小，锚固段分过渡部分和扩大头部分，其直径较大，详见图7。

图7高压旋喷锚索详图

旋喷锚索的抗拔力(T)由三部分构成，包括锚固段过渡部分桨体与土体的侧摩阻力(T1)、锚固段扩大头部分桨体与土体的侧摩阻力(T2)和锚固段扩大头端部扩大截面与土体间的端承力(T3)，详细计算如式(2)—式(5)所示：

T=T1+T2+T3

(2)

T1=πD1L1τ1

(3)

T2=πD2L2τ2

(4)

T3=π/4(D22-D12)σ12

(5)

其中：D1、L1分别为锚固段过渡部分的直径和长度；D2、L2分别为锚固段扩大头部分的直径和长度；τ1、τ2分别为锚固段过渡部分和扩大头部分与土体的侧摩阻力；σ12为扩大头截面前端的抗力强度。

4.2 施工特点

锚索施工采用旋喷扩大头、带筋钻进施工技术，最大发挥锚索的拉拔力。旋喷钻头的水泥浆在高压力作用下，从侧翼喷嘴向外喷射并同步对周侧土体切割；钻头端部套上锚定板，在转动力作用下向前旋喷推进，将固定在锚定板上的钢绞线(见图8)带入；到达预设深度，旋喷形成锚固段过渡部分、扩大头部分后，钻杆带着钻头自动退出，形成具有较高承载力的扩大头锚索[12-13]。其特点如下：

(1) 通过旋喷搅拌形成扩大头锚固段的同时，对黄土地区大孔隙发育的土体高压喷射注浆，可有效改善锚固段周侧土体的力学性能，使周侧土体的侧阻力可提高1.7倍～2.0倍[14-16]。

(2) 施工时成孔、喷浆、搅拌及插筋一次完成，解决常规锚索砂类土层、软土等地区易塌孔问题，保证施工质量。

(3) 水泥浆高压旋喷形成扩大头锚固段，与常规锚索相比，扩大头直径更大，锚固段长度更短；通过较大预应力张拉，有效约束变形，改善支护结构受力条件。

图8锚定板与钢绞线连接图

4.3 施工准备及工艺

(1) 施工准备。① 钢铰线制作用钢架管将整盘钢铰线坚面固定，方便展开；② 钢角线底端穿过锚定板锚孔，用挤压锚设备将挤压锚与钢铰线挤压固定；③ 挖掘机就位挖溢浆沟槽，一般为宽1 m，深0.5 m，雨季钻机后面挖防洪槽。

(2)施工流程。履带式旋喷钻机调整倾角就位对中→将携带钢铰线的锚定板上的中心孔安装在无翼钻头上→下沉高压水钻进至设计锚固段顶部深度→水泥浆液制备→旋喷作业至设计锚固段底部→底部复喷→拔出每根喷射管补注浆一次，冲洗机具、管道确认冲净未堵→孔口0.5 m范围内进行旋喷注浆封孔，防止地下水从此渗漏→移至下一孔位→安装腰梁→钢铰线张拉、锁定。

(3) 施工技术要求。① 扩孔喷射压力不应小于20 MPa，喷嘴给进或提升速度可取10 cm/min～25 cm/min，喷嘴转速可取5 r/min～15 r/min；② 高压喷射注浆的水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，扩孔时水泥浆液的水灰比可取1.0～1.5；注浆时水灰比宜采用0.4～0.6；③ 当喷射注浆管贯入锚孔中，喷嘴达到设计扩大头位置时，进行高压喷射扩孔。喷管应均匀旋转，匀速提升或下沉，由上而下或由下而上进行高压喷射扩孔，喷射管分段提升或下沉的搭接长度不得小于100 mm；④ 高压喷射扩孔可采用水或水泥浆。采用水泥浆扩孔工艺时，应至少上下往返扩孔两遍；采用清水扩孔工艺时，最后还应采用水泥浆液扩孔一遍。

5 基坑变形监测数据分析

为使开挖期间基坑、临近建筑及热力管线变形得到有效控制，沿东侧基坑坡顶设置变形监测点，选取S1—S4监测点数据进行分析。

由图9可知，从2018年7月20日至2018年10月20日基坑开挖期间，基坑坑顶水平位移及沉降逐渐增大，增加幅度较大；2018年10月20日开挖至设计标高以后，坑顶水平位移及沉降平缓增大且逐渐趋于稳定。基坑变形随着开挖深度增加二逐渐增大的抛物线变化规律中可见，变化曲线存在两个拐点，即2018年8月20日第一道旋喷锚索施工及张拉和2018年9月5日第一道旋喷锚索施工及张拉两个施工节点，旋喷锚索张拉、锁定可有效控制基坑变形，改变支护结构受力条件。基坑开挖至设计标高后，坑顶沉降相对于水平位移更先趋于稳定，说明降水处于稳定状态后，坑顶临建建(构筑物)固结附加沉降变形逐渐减小；而受施工荷载影响，坑顶水平位移继续小幅度蠕变而趋于稳定状态。

由图9(a)可知，S5监测点处于西侧端头，S1—S4监测点处于基坑西侧中部，2018年10月20日开挖至设计标高以后，S5处基坑水平位移小于其余监测点，说明基坑最危险处位于基坑边中部，设计时需重点考虑该部位不利影响因素。基坑最大水平位移不大于18 mm，小于设计理论计算31%，与降水时土体固结、土体强度提高，及旋喷锚索施工提高周侧土体侧阻力，提供较大抗拔力等影响有关。

由图9(b)可知，S1—S5监测沉降变化规律一致，说明坑顶在平行基坑方向不存在差异沉降。监测沉降最大约10 mm，小于设计理论计算67%，也小于降水计算地面沉降23%，说明高压旋喷锚索施工时对周侧土体进行加图，改善了土体力学性质，使实际变形小于理论计算值。

后期监测基坑临近建(构)筑物未发现裂缝、较大变形等现象，热力管线也正常运行，说明支护设计方案对邻近建(构)筑物、管线的影响可控，达到预期效果。

图9 基坑变形监测成果图

6 结 语

(1) 通过旋喷锚索传力机理、施工特点及工艺等介绍，旋喷锚索在黄土地区大孔隙发育土体中具有较大优势，通过喷射注浆可有效提高锚固体周侧土体侧阻力，从而提供较大的抗拔力。

(2) 基坑临近建筑物、管线对降水引起的沉降比较敏感。采取分阶段降水措施，使坡体内水位下降，引起坡体土层含水率降低，土层的强度随之提高，有助于提高土层的侧阻力，确保基坑变形达到控制要求。

(3) 通过不同设计分析软件，采用高压旋喷锚索可有效控制黄土地区深基坑变形，满足坑顶临近建筑物、管线对变形控制要求。与实测监测数据对比分析，实际变形小于理论计算值，与降水时土体固结、土体强度提高及旋喷锚索施工提高周侧土体侧阻力，提供较大抗拔力等因素有关；设计能满足施工要求，且具有一定的安全储备，高压旋喷锚索在黄土地区具有广阔的应用前景。