試論錨桿噴射混凝土支護技術的應用

摘要：隨著高層建筑的不斷增加，地下空間也被充分利用起來，由此深基坑的支護工程也就逐漸成為當前基礎工程建設的重點內容。錨桿噴射混凝土做為支護工程是當前使用最為廣泛的支護技術，其有保護基坑穩定、控制基坑變形、增強陡邊邊坡巖石結構和抗變形的作用。據此，本文在簡要介紹研究背景的基礎上，重點對基坑錨桿支護的設計和現場監控以及噴射混凝土等問題進行了分析，最后對錨桿噴射混凝土支護技術的未來發展進行了闡述，提出了信息化施工的想法。希望對相關工作人員有一定的幫助。

關鍵詞：錨桿支護；噴射混凝土支護；深基坑；應用

一、研究背景以及國內外研究現狀

隨著高層建筑不斷增多以及地下空間的不斷應用，深基坑支護和施工問題也就成為基礎工程的重點和難點問題。深基坑支護的設計及其施工問題一直是土力學基礎中的一個古老的課題，也是巖土問題中的一個重大的工程難題。上世紀二十年代初期，K.Terzaghi的土力學和工程地質學先后問世，將坑基工程的建設帶入發展正軌中；同世紀四十年代K.Terzaghi以及其課題組提出了根據挖土量的多少估計基坑穩定性和支撐荷載大小的方法，這一理論和預估方法也一直被沿用。直到上世紀七十年代，才有學者開始用理論指導土量的開挖法規。在此基礎上，不同的支護方法也被先后提出，其中最被學術界認可的支護方法就是錨桿噴射混凝土支護方法。

錨桿噴射混凝土支護指的是噴射混凝土、各類錨桿和鋼筋網聯合支護的簡稱。這種獨特的支護方法不僅改變了傳統支護方法在墻、管、撐等的被動支撐的概念，在最大程度上將基坑邊壁土體原本的力學強度利用起來，將原本的土體載荷變為支護結構的一部分。然后，混凝土經過高壓空氣的作用高速向土層表面噴射出來，先期噴射出來的混凝土就成為了骨料被嵌入表層土中，后期噴射出的混凝土就疊加在骨料上并將骨料完全包裹。就這樣，噴射層和土料之間形成了嵌固層，并隨著開挖形成了封閉系統，這樣層面的好處是噴射層不僅能夠加固土層，使其免受風化，而且還能使噴射層和土層之間建立一種堅固的聯系，加強支護作用。錨桿的位置處于破裂面之下的土層中，其埋藏位置應該相對深，外錨固端應該同貓王連接成為一體，這樣任何能夠影響層面不穩定的因素就會被轉移到內錨固段；另外，鋼筋網的加入也在一定程度上增強了噴層整體的柔韌性和完整性，調整了噴層和錨桿內力的分布，這也是錨桿噴射混凝土支護理論的一大優勢。當然，造價低、工期短、支護及時、安全穩定、占地面積小等也是錨桿支護的另一大優勢。

錨桿噴射混凝土支護技術起始于上世紀七十年代，歐美大國（德國、法國、美國等）幾乎是在同一時間開始研究錨桿噴射混凝土支護技術的應用。這一新潮的起始也同新奧法在當時的流行有著密不可分的關系。這些國家還對錨桿噴射混凝土支護工作性能的實驗研究，對其應用的分析方法和程序開發離心機試驗等獲取了大量的資料和數據，而后他們開發出了一種單孔復合錨桿，主要作用是分散壓力；我國在這方面的研究開始的相對較晚，首先使用錨桿噴射混凝土支護技術的是1975年的北京地鐵工程，直到近些年高層建筑的發展，該技術才得到較大的發展。冶金部建筑研究總院和清華大學還編寫了錨桿噴射混凝土支護穩定性分析的程序，在香港機場的建設中，該項分析程序也被實際應用，在承受3000KN的情況下，也沒有見到異常狀況。

在國內外的研究中，對單根錨桿工作機理的研究較多，對錨桿和土體之間的相互作用的研究卻較少，其中尤其是缺乏對基坑支護工程的研究較少。同時，隨著國內高層建筑越來越多，尤其是近幾年間，高層建筑的出現幾乎是呈現幾何倍數增長。建筑層數的增多也在一定程度上對基坑的堅固程度提出了更高的要求：不僅要保證基坑的穩定還要滿足一定的變形要求，這樣才能保證基坑周圍的的建筑物以及地下管道和線路的安全。正是這樣，研究錨桿噴射混凝土支護技術更是尤為必要了。

二、錨桿噴射混凝土支護技術

（一）錨桿的設計

錨桿設計應該根據實際情況進行，在隧洞、工程斷面以及不同巖質的地區，都應該使用不同類型的錨桿。本部分根據筆者工作實際，主要介紹預應力錨桿的設計需求。預應力錨桿的設計應當遵守以下規定：

（1）硬巖錨固應該首先選用拉力型錨桿。如果所建筑的基坑周圍為軟質巖石，那么錨桿應該選用壓力分散型或者拉力分散型錨桿；

（2）由于不同錨桿之間必然會產生相互影響，在設計錨桿錨固體之間的間距時應該詳細考慮。另外，錨桿的傾角也需要根據實際地形條件詳細考慮，我們一般應該避免錨桿同水平面的夾角為-10°—10°；

（3）預應力鋼筋的材料選取以鋼絞線、高強度鋼絲和高強度螺紋鋼筋為宜，這些材料強度好，韌性足，能夠承重的重量也足。對于壓力型錨桿，其預應力鋼筋的材料應該選擇無粘結鋼絞線，如果該處預應力鋼筋需要承擔的預應力較小或者錨桿的長度小于20m時，也可以選擇二級鋼筋或者三級鋼筋作為預應力鋼筋；

（4）預應力鋼筋的截面尺寸確定應該按照公式來計算（如下）：

其中，A表示鋼筋的截面積（單位：mm2）；Nt表示錨桿軸向拉力的設計值（單位：kN）；fpkt表示預應力鋼筋的標準強度值（單位：N/ mm2）；K為預應力鋼筋的截面設計的安全系數（一般臨時錨桿取1.6，永久錨桿取1.8）；

（5）預應力錨桿的錨固灌漿應該選用水泥漿或者水泥沙等材料，這些材料有較強的粘合性，同時為了保證錨桿的抗壓性，水泥的強度應該保證在30MPa之上；如果使用壓力分散型的錨桿錨固，那么水泥部分的抗壓強度應該高于40MPa；

（6）預應力錨桿中自由端的長度應該大于五米，錨固段的長度要按照公式進行計算（如下）：

；

其中，Ia的單位為mm；qr水泥結石體與巖石孔壁間的粘結強度設計值，一般取標準值的0.8倍；表示泥結石體與鋼絞線或鋼筋間的粘結強度設計值，也取標準值的0.8倍； 為介面粘結強度降低系數，在使用兩根或者兩根以上的鋼筋或者鋼絞線時使用，一般取0.60或0.85。在計算自由桿長度時，要按照這兩個公式分別計算，取其中的較大值；

（7）為了保證支護的穩定，壓力分散型或者拉力分散性錨桿的長度應該長出錨桿鉆孔直徑的15倍；

（8）在設計壓力分散型錨桿時，除了以上的注意點，還應該對灌漿體軸向承壓力進行驗算。因為注漿體的軸心抗壓強度同錨桿局部受壓以及注漿體的約束有關，所以一般使用驗算方法為試驗；

（9）預應力錨桿以及其相連的周邊受力部件應該保證不少于95%的桿體極限抗壓力。對于拉力鎖定值來說，臨時預應力錨桿可以小于等于拉里設計值；一些永久性預應力錨桿的拉力鎖定值應該遠遠高于該極限值；

（10）在固定預應力鋼筋時，要注意兩根鋼筋之間的間距應該至少保持1.5到2.0米，并設置隔離架。對于一些永久性的拉力型錨桿或者分散型錨桿，應該在其預應力鋼筋外圍套上波形管，并保證保護層的厚度大于20mm；自由段內的預應力鋼筋可以選擇帶有塑料的雙重防腐形式，有條件的甚至可以在套管和孔壁之間灌滿水泥凈漿。

（二）噴射混凝土支護設計

在噴射混凝土時，首先要控制混凝土的設計強度（行業內定不得低于C15，對于一些豎井或者要求較高的斜井工程，混凝土的設計強度應該高于C20），另外，抗壓強度也需要工程師詳細考慮的一方面；其次，噴射混凝土支護的厚度也有相應的規定，一般在50mm到200mm之間，鋼筋網的混凝土噴射厚度一般在100mm到250mm之間；最后，在鋼筋網噴射混凝土匯總尤其要注意以下三點：為了保證建筑質量，鋼筋網的材料只允許選用鋼筋直徑在4—12mm之間的一級鋼筋；鋼筋之間的間距應該控制在150—350mm；鋼筋保護層的厚度應該大于20mm（水工隧洞的鋼筋保護層厚度大于50mm）。

（三）現場監控量測

有效的現場監控可以保證工程進行的順利性。在現狀監控量測時，首先應該及時將現場的各種數據繪制成時態曲線，這樣能根據曲線進行回歸分析，以推算出最終的位移值，確定位移規律，同時還要注意明確標注施工序號和開挖面和側斷面之間的距離；其次，對于一些地下工程的支護工作時，按照隧洞穩定的的判斷條件：后期支護實施后的水平位移和垂直位移逐漸趨近于零。所以其后期支護的實施應該按照三個標準進行：水平收斂速度小于0.2mm/d（隧洞周邊）、垂直位移速度小于0.1mm/d（拱頂或底板）；水平、垂直位移明顯下降；位移相對值已經達到總位移值的90%。

（四）噴射混凝土施工

在實施噴射水泥施工之前，首先要全面檢查機械設備以及風、管路和電線，保證機器的正常運轉；其次，為了保證混凝土和巖層的粘合度，在噴射之前，巖層要經過充分沖刷和濕潤，保證沒有雜物，。同時埋設混凝土厚度的標志，保證混凝土噴射均勻；再次，混凝土的噴射作業應該分片進行。一般建議噴射順序為由上而下，由左至右，但是也要根據實際地形條件和當天的風向進行調整，保證噴射作業的順利；最后，如果工程需求按照噴錨網混凝土施工，那么施工順序就非常重要了。一定要在噴射出第一層混凝土后才能設置錨桿和鋼筋網。我們一般設置第一層混凝土的厚度為3-4厘米，在第一層混凝土終凝后一小時再進行第二層的噴射。在第二層噴射之前應該充分清洗第一層的表面，在混凝土噴射結束后的24小時內要澆水養護，保證混凝土的質量。

另外，混凝土的水灰比要按照實際需求進行控制，比例以保證混凝土表面平整、整體濕潤光滑，無流淌或者干斑為準。為了保證噴射過程的順利，噴射機應該設置在較為平整的位置。

（五）錨桿鉆孔及注漿

錨桿鉆孔和注漿也是錨桿噴射混凝土支護技術中關鍵的一步。首先，在定位錨桿鉆孔位置時，要在噴射過第一層混凝土凝固之后再行定位，定位孔宜選用氣腿式鑿巖機鉆孔，一般孔徑保持在50mm，鉆孔深度為1.0—1.5m即可，錨桿的分布要按照梅花狀安排；其次，如果在鉆孔的過程中遇到過于堅硬的巖石，不能強硬的選擇加大壓力沖鉆，這樣會影響邊坡的穩定，造成不安全因素。我們建議在堅硬的巖石上鉆孔時，可以選擇使用加水的方式鉆孔，鉆進速度要隨著機鉆速度進行，不要人為干預；再次，在注漿時，一般建議選擇壓力泵將水泥砂漿注入錨孔中，如果砂漿注入孔洞時客觀要求不能加壓過大，那么可以保持0.1MPa壓力注入。為了保證注漿飽滿，注漿管應該插入孔底5—10cm處，在砂漿注滿后應該緩慢拔出，避免氣泡；最后，注漿完畢后，應該立即插入錨桿，如果插入錨桿后沒有砂漿溢出，應該及時補充砂漿。

三、信息施工技術

支護技術是一項非常復雜的工程，其中包含著巖土工程學和結構力學知識，而且巖土體學中包含著非常復雜的線性關系，同時在支護結構中相關的強度計算和土壓力的計算尚且不夠成熟；人們對支護技術的要求也越來越多。根據有關資料顯示，支護體系失效導致的安全問題約占總事故率的13%。其中，由于理論計算的成本高昂、對實際情況的估計不足等問題，很容易產生安全隱患。因此，使用信息施工法建立一定的反饋機制以控制施工過程的完善和安全也是信息施工的重要方面。

雖然信息法施工有一定的缺點，但是在信息化逐漸覆蓋的今天，信息化施工也必然是錨桿噴射混凝土支護的發展趨勢。因此，信息法施工的重點在于建立一套完整的計算模型，這樣才能用理論盡可能接近的模擬出實際情況。但是不可否認的是，計算模型確實是一種接近實際的擬合狀況，所以其計算結果不具備唯一性，更能夠預測一種趨勢，其真實性和可靠性要靠不斷的施工信息追蹤和信息反饋檢測系統來影響，只有多種信息手段同時運用才能確保信息法施工的安全可靠、經濟合理。

四、結語

錨桿噴射混凝土支護工作是一個非常復雜的工程，當前需要克服的難題尚且有很多，發生工程事故的概率也往往比主體工程的概率要高。同時，由于種種客觀因素，制定一套工程設計和施工方法標準非常困難，施工過程中的變化很難被全面估計。為了盡可能的提高施工安全性，筆者建議：首先，在設計錨桿時，要根據實際情況加入砂卵石土、沙質土等不同巖土層，保證錨桿設計的準確；其次，要根據坡體變化規律總結出其強度破壞規則，盡量根據變形速率以及矢量方向的變化精準化破壞規則。

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作者簡介：

修天翔 男 山東省青島市 本科 見習專業工程師 中建八局第一建設有限公司 ，研究方向： 有關深基坑支護施工、基坑持力層為巖石的基槽開挖、有關土石方工程巖石破碎開挖/爆破施工合理流程。 還有基坑持力層為巖石與其他地區不同持力層的基坑開挖的區別，及更為之有效的開挖方案