喷锚技术在基坑支护中的应用研究

胡铭辉（北京兴展宏业投资有限公司，北京 大兴 102600）

1 喷锚支护结构简述

喷锚支护是边坡喷射混凝土、钢筋挂网及各种类型锚杆联合使用的一种支护形式[1-3]。因为其具有造价低、操作方便灵活、支护方法安全可靠的优点，在深基坑或场地面积不大的场地适用情况较好。通过多年的推广使用，在深基坑的支护上取得了较好的效果。文章以一个开挖深度7.5m左右的双层地下车库基坑作为分析案例，对其进行数值模拟，并计算喷锚支护作用下基坑边坡的变形量大小，以定量分析的方式预测喷锚支护的应用条件。

喷锚支护结构由混凝土喷面、钢筋网和锚固构件组成[4-8]。三个组成部分的作用如下：混凝土喷面构件是通过高压空气推动混凝土浆液高速喷射到边坡的外层，将先期嵌入的混凝土骨料进行包裹和固化，通过浆液的渗入和固结，边坡土层和喷射表层之间形成了一个稳定的整体。伴随着开挖的持续进行，喷射面由上到下延伸，最终对边坡形成全面的封闭硬化。这种方式一方面避免雨水冲刷边坡土体，另一方面也起到了隔水防渗，阻止浅层坍塌的发生。锚固构件包括锚索、铆管和锚杆等，其作用机理是先在边坡土体上钻孔，孔深超过潜在滑移面，将锚杆放入孔内并对远端进行灌浆处理，待浆液硬化，将锚杆远端和土体连接成为一体后对其进行张拉后锚固，边坡将得到锚杆收缩后的拉力，阻止其发生坍塌滑移；钢筋网和混凝土喷面共同作用形成一个整体，一方面可以保护混凝土的局部破坏，另一方面提供更好的抗变形能力，可以有效调节锚杆和喷层的内力分布。图1为常见喷锚支护的示意图，可见这种方式是由锚固构件、钢筋网和混凝土喷层共同组成。

图1 喷锚支护结构示意图

2 喷锚支护设计的理论依据

喷锚支护中，锚杆是主要的受力构件，一端固定在坚硬土层，施加预应力防止边坡发生较大的变形。锚杆的设计依据主要是《建筑基坑支护技术规程》，对锚杆的材料、承载力、使用范围、施工方法均做出了详细的规定。锚杆设计的基本原理和计算步骤如下：

（1）计算边坡压力和锚杆所受水平拉力的标准值，计算公式如下：

式中Ehk、E、H分别表示竖向边坡每米的水平分力标准值、边坡中的水平力标准值和边坡的高度；Htk、sxj、syj分别表示单个锚杆分配到的水平分力标准值、锚杆的水平间距和竖向间距。

通过公式（1）的上边部分求得边坡上每米的水平力标准值，通过公式的下边部分求出每个锚杆所受到的水平力标准值。

（2）计算锚杆的轴向受拉承载力的标准值和设计值，计算公式如下：

式中Nak、cosa分别表示锚杆的轴向受拉承载力的标准值、锚杆入射角度的余弦值；

Na、rQ式分别表示锚杆轴向受拉承载力的设计值、放大系数。

通过公式（2）可以计算单根锚杆在边坡抗滑计算中所受到的轴向拉力。

通过公式（1）和（2）的计算结果可以对锚杆进行材料、锚固长度和锚固杆件的面积进行计算，此处不赘述。

3 工程实例

3.1 工程概况

案例项目名称为月季博物馆。月季博物馆位于北京市大兴区魏善庄龙河公园内，地上二层，地下一层，总高度为17.7m，总建筑面积8337.38㎡，其中地上部分的建筑面积为5649.28㎡（主体面积4712.76㎡，室外空间面积936.52㎡），地下部分建筑面积为2688.10㎡，占地面积为4337.8㎡。地下室大面的开挖深度约为7.5m，其中局部如集水坑、电梯井的部位开挖深度超过9m，基础形式为独立基础加防水板。因不具备天然放坡的条件，采用边支护边开挖的方式进行施工，基坑的西侧边坡的支护以喷锚方式进行。表1为基坑西侧的土层地质情况。地下水为潜水，水位线位于地面以下6.0m。

表1土层性质

3.2 支护结构设计

基坑边坡的支护方式采用喷锚与放坡相结合，边坡的坡度为1:0.3；从坡顶到坡脚共设置了4排锚杆，表2为锚杆的施工参数，每排锚杆均设置［18a槽钢围檩。坡面钢筋网以直径8mm，间距为200mm的一级钢筋组成。开挖前先对基坑进行降水处理。

表2 锚杆施工参数

3.3 位移监测

该处边坡支护的施工期限为20d，施工中在坡顶设置位移监测点，其间距为每隔20m设置一处。监测结果显示，自基坑开挖开始到支护完成，坡顶累计最大水平位移为8.0mm，其中，在第四道锚杆张拉完成后，边坡的水平位移变形的增量趋于稳定。根据监控数据，在支护工程完全完成后的10d内，边坡未有产生较大的位移增量。

4 喷锚支护边坡位移分析

4.1 计算模型

对边坡的数值模拟不仅可以得到开挖过程中边坡的位移情况，同时对开挖中和开挖后的边坡应力、支护结构应力及控制点位移均可做到可视化。所以，数值模拟对基坑支护效果的定性分析起到了重要的作用[9-14]。因基坑西侧的变形最大，本次分析主要针对西侧进行。数值模拟中，节点数越多结算的精度越高，但所用的计算时间也约长，考虑到以上两方面因素，本次分析对模型网格划分适中，共得到5760个节点、4485个单元；边坡分析的本构模型以经典的摩尔-库仑理论为基础；基坑边坡的喷锚和钢筋网以壳单元模拟，锚杆以锚索单元模拟；基坑周边已有建筑根据实际荷载进行折算施加到地面；基坑顶部的车辆和堆载按照15kPa的面荷载施加。图2和图3分别表示施工开始之前的基坑的初始模型和开挖后结构的支护模型。

图2 基坑初始模型

图3 基坑支护模型

4.2 位移计算结果及分析

模型计算中记录了6个点的位移值，分别对应基坑的3个水平位移监测点和相邻建筑的3个竖向位移监测点。数值模拟工况完全根据施工节点进行设置，工程共分为5个工况，分别反映了基坑向下开挖到2m、3.6m、5.2m、6.8m、7.5m处，分别反映了张拉预应力锚杆和挂网喷面的施工深度，其中最后一个工况反映了基坑全部开挖完成后的坡面受力情况。因最后一个工况对工程的变形影响较小，本次分析对前四个工况进行记录分析。

4.2.1 边坡坡顶水平位移分析

图4反映了坡顶的水平位移计算值与实测值的比较情况。

图4 边坡坡顶记录点位移随工况变化曲线

从图4中可以发现：

（1）边坡的水平位移随着基坑开挖深度的增加而变大，基坑变形的最大值在工况4中产生，此时，监测得到的坡顶水平位移为8mm，模拟计算得到的水平位移为11.9m。

（2）模拟计算结果和实测数据的变化保持一致，但前者结果偏小，在不断增加工况之后，水平位移累计值的偏差越来越大，最终超过了将近50%。

（3）三个监测点的数值模拟数据和实测数据没有太大的差异，均能保持一致，说明模拟结果对基坑边坡整体变形趋势的预测准确。

4.2.2 西侧建筑物沉降位移分析

图5是西侧边坡附近建筑物的沉降曲线，表现了实测沉降和计算沉降的结果。从图5中可以发现：

图5 建筑物记录点沉降位移随工况变化曲线

（1）在前三个工况作用下，建筑物并未产生较大的竖向沉降，直到第三个工况施工借宿之后，建筑物的沉降值最大在1mm左右。在工况4完成后沉降值发生了较大的变化，计算累计沉降约为2.9mm，实测的沉降位移值为1.8mm。

（2）在数值模拟的第1个工况中，监测点位置出现了向上位移，其值约为0.3mm，产生这种现象的原因可能是，程序默认临空面附近应力为零，造成相邻建筑互相挤压产生向上的竖向位移。

（3）基坑深度的增加直接导致相邻建筑物的沉降值的增加，造成建筑物的不均匀沉降，这对基坑支护的安全稳定性提出了更高的要求。

5 结语

文章将基坑边坡的实测数据及数值模拟计算结果进行对比，得到了以下结论：

（1）喷锚支护能对土体产生主动土压力，其支护结构与边坡土体共同作用，对边坡的稳定性起到了较好的作用。喷锚结构中的钢筋网具有较强的变形能力，能有效调节混凝土喷层和锚杆的应力，三者形成了整体性的支护结构。

（2）喷锚支护结构可以有效抵抗边坡的变形，这种结构作用下，坡顶的水平位移约为开挖深度的0.1%。

（3）与基坑相邻已有建筑的沉降最大值为1.8mm。当基坑周边存在已建成建筑物时，基坑支护不仅要做到自身的安全性，还要注意对基坑周边的影响，避免造成已有建筑的较大沉降，使用喷锚支护方法可以有效减少周边建筑物的沉降，是一种良好的支护方法。