噴錨技術在基坑支護中的應用研究

胡銘輝（北京興展宏業投資有限公司，北京 大興 102600）

1 噴錨支護結構簡述

噴錨支護是邊坡噴射混凝土、鋼筋掛網及各種類型錨桿聯合使用的一種支護形式[1-3]。因為其具有造價低、操作方便靈活、支護方法安全可靠的優點，在深基坑或場地面積不大的場地適用情況較好。通過多年的推廣使用，在深基坑的支護上取得了較好的效果。文章以一個開挖深度7.5m左右的雙層地下車庫基坑作為分析案例，對其進行數值模擬，并計算噴錨支護作用下基坑邊坡的變形量大小，以定量分析的方式預測噴錨支護的應用條件。

噴錨支護結構由混凝土噴面、鋼筋網和錨固構件組成[4-8]。三個組成部分的作用如下：混凝土噴面構件是通過高壓空氣推動混凝土漿液高速噴射到邊坡的外層，將先期嵌入的混凝土骨料進行包裹和固化，通過漿液的滲入和固結，邊坡土層和噴射表層之間形成了一個穩定的整體。伴隨著開挖的持續進行，噴射面由上到下延伸，最終對邊坡形成全面的封閉硬化。這種方式一方面避免雨水沖刷邊坡土體，另一方面也起到了隔水防滲，阻止淺層坍塌的發生。錨固構件包括錨索、鉚管和錨桿等，其作用機理是先在邊坡土體上鉆孔，孔深超過潛在滑移面，將錨桿放入孔內并對遠端進行灌漿處理，待漿液硬化，將錨桿遠端和土體連接成為一體后對其進行張拉后錨固，邊坡將得到錨桿收縮后的拉力，阻止其發生坍塌滑移；鋼筋網和混凝土噴面共同作用形成一個整體，一方面可以保護混凝土的局部破壞，另一方面提供更好的抗變形能力，可以有效調節錨桿和噴層的內力分布。圖1為常見噴錨支護的示意圖，可見這種方式是由錨固構件、鋼筋網和混凝土噴層共同組成。

圖1 噴錨支護結構示意圖

2 噴錨支護設計的理論依據

噴錨支護中，錨桿是主要的受力構件，一端固定在堅硬土層，施加預應力防止邊坡發生較大的變形。錨桿的設計依據主要是《建筑基坑支護技術規程》，對錨桿的材料、承載力、使用范圍、施工方法均做出了詳細的規定。錨桿設計的基本原理和計算步驟如下：

（1）計算邊坡壓力和錨桿所受水平拉力的標準值，計算公式如下：

式中Ehk、E、H分別表示豎向邊坡每米的水平分力標準值、邊坡中的水平力標準值和邊坡的高度；Htk、sxj、syj分別表示單個錨桿分配到的水平分力標準值、錨桿的水平間距和豎向間距。

通過公式（1）的上邊部分求得邊坡上每米的水平力標準值，通過公式的下邊部分求出每個錨桿所受到的水平力標準值。

（2）計算錨桿的軸向受拉承載力的標準值和設計值，計算公式如下：

式中Nak、cosa分別表示錨桿的軸向受拉承載力的標準值、錨桿入射角度的余弦值；

Na、rQ式分別表示錨桿軸向受拉承載力的設計值、放大系數。

通過公式（2）可以計算單根錨桿在邊坡抗滑計算中所受到的軸向拉力。

通過公式（1）和（2）的計算結果可以對錨桿進行材料、錨固長度和錨固桿件的面積進行計算，此處不贅述。

3 工程實例

3.1 工程概況

案例項目名稱為月季博物館。月季博物館位于北京市大興區魏善莊龍河公園內，地上二層，地下一層，總高度為17.7m，總建筑面積8337.38㎡，其中地上部分的建筑面積為5649.28㎡（主體面積4712.76㎡，室外空間面積936.52㎡），地下部分建筑面積為2688.10㎡，占地面積為4337.8㎡。地下室大面的開挖深度約為7.5m，其中局部如集水坑、電梯井的部位開挖深度超過9m，基礎形式為獨立基礎加防水板。因不具備天然放坡的條件，采用邊支護邊開挖的方式進行施工，基坑的西側邊坡的支護以噴錨方式進行。表1為基坑西側的土層地質情況。地下水為潛水，水位線位于地面以下6.0m。

表1土層性質

3.2 支護結構設計

基坑邊坡的支護方式采用噴錨與放坡相結合，邊坡的坡度為1:0.3；從坡頂到坡腳共設置了4排錨桿，表2為錨桿的施工參數，每排錨桿均設置［18a槽鋼圍檁。坡面鋼筋網以直徑8mm，間距為200mm的一級鋼筋組成。開挖前先對基坑進行降水處理。

表2 錨桿施工參數

3.3 位移監測

該處邊坡支護的施工期限為20d，施工中在坡頂設置位移監測點，其間距為每隔20m設置一處。監測結果顯示，自基坑開挖開始到支護完成，坡頂累計最大水平位移為8.0mm，其中，在第四道錨桿張拉完成后，邊坡的水平位移變形的增量趨于穩定。根據監控數據，在支護工程完全完成后的10d內，邊坡未有產生較大的位移增量。

4 噴錨支護邊坡位移分析

4.1 計算模型

對邊坡的數值模擬不僅可以得到開挖過程中邊坡的位移情況，同時對開挖中和開挖后的邊坡應力、支護結構應力及控制點位移均可做到可視化。所以，數值模擬對基坑支護效果的定性分析起到了重要的作用[9-14]。因基坑西側的變形最大，本次分析主要針對西側進行。數值模擬中，節點數越多結算的精度越高，但所用的計算時間也約長，考慮到以上兩方面因素，本次分析對模型網格劃分適中，共得到5760個節點、4485個單元；邊坡分析的本構模型以經典的摩爾-庫侖理論為基礎；基坑邊坡的噴錨和鋼筋網以殼單元模擬，錨桿以錨索單元模擬；基坑周邊已有建筑根據實際荷載進行折算施加到地面；基坑頂部的車輛和堆載按照15kPa的面荷載施加。圖2和圖3分別表示施工開始之前的基坑的初始模型和開挖后結構的支護模型。

圖2 基坑初始模型

圖3 基坑支護模型

4.2 位移計算結果及分析

模型計算中記錄了6個點的位移值，分別對應基坑的3個水平位移監測點和相鄰建筑的3個豎向位移監測點。數值模擬工況完全根據施工節點進行設置，工程共分為5個工況，分別反映了基坑向下開挖到2m、3.6m、5.2m、6.8m、7.5m處，分別反映了張拉預應力錨桿和掛網噴面的施工深度，其中最后一個工況反映了基坑全部開挖完成后的坡面受力情況。因最后一個工況對工程的變形影響較小，本次分析對前四個工況進行記錄分析。

4.2.1 邊坡坡頂水平位移分析

圖4反映了坡頂的水平位移計算值與實測值的比較情況。

圖4 邊坡坡頂記錄點位移隨工況變化曲線

從圖4中可以發現：

（1）邊坡的水平位移隨著基坑開挖深度的增加而變大，基坑變形的最大值在工況4中產生，此時，監測得到的坡頂水平位移為8mm，模擬計算得到的水平位移為11.9m。

（2）模擬計算結果和實測數據的變化保持一致，但前者結果偏小，在不斷增加工況之后，水平位移累計值的偏差越來越大，最終超過了將近50%。

（3）三個監測點的數值模擬數據和實測數據沒有太大的差異，均能保持一致，說明模擬結果對基坑邊坡整體變形趨勢的預測準確。

4.2.2 西側建筑物沉降位移分析

圖5是西側邊坡附近建筑物的沉降曲線，表現了實測沉降和計算沉降的結果。從圖5中可以發現：

圖5 建筑物記錄點沉降位移隨工況變化曲線

（1）在前三個工況作用下，建筑物并未產生較大的豎向沉降，直到第三個工況施工借宿之后，建筑物的沉降值最大在1mm左右。在工況4完成后沉降值發生了較大的變化，計算累計沉降約為2.9mm，實測的沉降位移值為1.8mm。

（2）在數值模擬的第1個工況中，監測點位置出現了向上位移，其值約為0.3mm，產生這種現象的原因可能是，程序默認臨空面附近應力為零，造成相鄰建筑互相擠壓產生向上的豎向位移。

（3）基坑深度的增加直接導致相鄰建筑物的沉降值的增加，造成建筑物的不均勻沉降，這對基坑支護的安全穩定性提出了更高的要求。

5 結語

文章將基坑邊坡的實測數據及數值模擬計算結果進行對比，得到了以下結論：

（1）噴錨支護能對土體產生主動土壓力，其支護結構與邊坡土體共同作用，對邊坡的穩定性起到了較好的作用。噴錨結構中的鋼筋網具有較強的變形能力，能有效調節混凝土噴層和錨桿的應力，三者形成了整體性的支護結構。

（2）噴錨支護結構可以有效抵抗邊坡的變形，這種結構作用下，坡頂的水平位移約為開挖深度的0.1%。

（3）與基坑相鄰已有建筑的沉降最大值為1.8mm。當基坑周邊存在已建成建筑物時，基坑支護不僅要做到自身的安全性，還要注意對基坑周邊的影響，避免造成已有建筑的較大沉降，使用噴錨支護方法可以有效減少周邊建筑物的沉降，是一種良好的支護方法。