預(yù)錨絲桿單面支模體系設(shè)計與施工應(yīng)用

龍曉玲 譚應(yīng)松

（重慶巨能建設(shè)集團建筑安裝工程有限公司 重慶 400042）

引言

隨著城市現(xiàn)代化的高速發(fā)展，土地資源緊缺，在城市建設(shè)中，越來越多的項目設(shè)計為垂直開挖。甚至連地下室剪力墻的模板施工作業(yè)面也被取消，改為單面原槽澆筑。然而，與放坡開挖相比，垂直開挖受地質(zhì)條件的影響較大，邊坡支護難度及施工作業(yè)面安全管理難度也相應(yīng)增大。在工程實踐中，我們發(fā)現(xiàn)用預(yù)錨絲桿單面支模體系取代傳統(tǒng)的鋼管三角斜撐支撐加固單面模板進行邊坡支護擋墻施工是可行的。一方面可保證邊坡施工質(zhì)量，提高施工過程中的安全系數(shù)；另一方面地下車庫剪力墻進行單面支模時可進行二次重復(fù)利用，以達到進度快、質(zhì)量好、節(jié)省材料的目的。

1 項目基本情況

某工程位于城市中心，施工場地極為有限，基坑開挖采取不放坡垂直開挖，板肋式錨桿擋墻設(shè)計面板厚度為180mm，肋梁厚為400mm，錨桿直徑為φ28mm，每孔3根錨桿，孔徑φ150mm，錨桿長度為7～19m，間排距為2.5～3mm。地下車庫剪力墻為400mm厚。地下室車庫剪力墻設(shè)計為原槽澆筑，不進行回填。該錨桿擋墻周邊長約253m，高約21m，邊坡立面積約5326m2。

2 傳統(tǒng)單面支模方法

錨桿擋墻施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為單面模板加固，傳統(tǒng)的加固法采用鋼管三角斜撐，該方法加固安全系數(shù)低，拆模后擋墻表觀質(zhì)量差，施工速度較慢。除此以外這種支模方式主要缺點還有：單面支撐加固不牢，容易爆模，混凝土表面平整度得不到保證；斜撐時需在地面上做地錨，由于受鋼管長度的影響，當支模高度過大，接長鋼管容易發(fā)生撓曲；斜撐桿件太多，與腳手架搭設(shè)互相交叉干擾，施工不便；模板支設(shè)過程中，有的直接把支撐桿件與腳手架連接，以增大支撐力，容易發(fā)生腳手架傾覆，造成安全事故。

3 預(yù)錨絲桿加固模板的設(shè)計研究

預(yù)錨絲桿模板加固法是將制作好的絲桿一端埋入邊坡中，另一端作為自由端，利用螺帽緊固，在支模時作為對拉螺桿來進行模板加固。這種方法能夠很好地解決支撐問題，由于減少了斜撐，且不防礙土石方開挖工作，每次澆筑混凝土高度可達3m，不易爆模，大大的提高了工作效率。其搭設(shè)方法詳見圖1。

圖1 預(yù)錨絲桿加固單面模板支設(shè)示意圖

采用這種方法需要解決的問題有：確定絲桿錨固長度、絲桿的直徑及預(yù)埋絲桿的間排距。由于本工程采用了錨桿擋墻支護，因此在施工面板時，支護錨桿已經(jīng)施工完成，具有一定的抗拔力，同時該工程邊坡為中風(fēng)化泥巖，短期內(nèi)具有較強的穩(wěn)定性，因此支模用得預(yù)錨絲桿只需考慮澆筑混凝土?xí)r的施工荷載即可。

3.1 預(yù)錨絲桿單面支模施工技術(shù)計算機仿真分析

3.1.1 ABAQUS軟件簡介

ABAQUS屬于工程模擬有限元軟件，它擁有一個豐富的單元庫，基本可以模擬工程中任何一種材料。用以解決相對簡單的線性問題和復(fù)雜的非線性問題。

3.1.2 數(shù)值分析基本模型的建立

（1）本構(gòu)模型的選擇

在所有的ABAQUS巖土本構(gòu)模型中，本文采用摩爾-庫侖模型。

（2）幾何模型的建立

該基坑支護工程，深度達到21m以上，場地條件受到限制，設(shè)計為垂直開挖，施工時采用在立面方向分三段，每段7m作為一個施工段，預(yù)錨絲桿單面支模，每次支模高度為3m，邊坡采用逆作法施工。因此，選取逆作法3m高一斷面進行分析。模型中邊坡高為3m，垂直坡面。水平邊界滿足1.5倍邊坡水平距離，豎直邊界滿足2倍邊坡豎直距離。

（3）網(wǎng)格劃分

幾何模型建立后，ABAQUS可采取合適的網(wǎng)格劃分方式和合適的單元類型，以獲得最合理的模擬計算結(jié)果。

（4）邊界條件

將邊坡自然坡面作為自由邊界，底面邊界為固定約束，左右邊界為水平約束，豎直向自由。根據(jù)板面?zhèn)缺谕翂毫τ嬎愎剑赼baqus中模擬將側(cè)壁土壓力轉(zhuǎn)換為面上的壓力，同時認定邊坡在板肋式錨桿擋墻支護處于穩(wěn)定狀態(tài)，只分析預(yù)錨絲桿對模板以及澆筑混凝土?xí)r是否能滿足結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的作用。

（5）界面單元

為了模擬預(yù)錨絲桿與土的相互作用，ABAQUS程序在接觸Interaction分析步中將他們的關(guān)系定為內(nèi)置區(qū)域（Enbedded Region）。

3.1.3 預(yù)錨絲桿單面支模應(yīng)力分析

在ABAQUS程序中通過MISES應(yīng)力云圖可以看出：預(yù)錨絲桿能夠支撐模板保證其穩(wěn)定，模板在澆筑混凝土?xí)r和澆筑完畢后能夠承受起澆注荷載和側(cè)面土壓力。當澆筑混凝土后，模板側(cè)面承受的壓力最大，此時模板沒有發(fā)生變形破壞。因此，預(yù)錨絲桿作為支護模板的重要構(gòu)件，可以有效地緩解模板變形，明顯加固模板抗壓和變形能力，增加模板的強度和剛度，保持其穩(wěn)定性，并對控制模板變形有明顯效果。

從邊坡塑性區(qū)截圖可以看出，整個邊坡應(yīng)力和應(yīng)變都集中在坡角底部，但是整個模板處于穩(wěn)定的狀態(tài)。這表明，預(yù)錨絲桿加固模板是非常有效的。另外，從位移云圖中看出，預(yù)錨絲桿的剛度對抑制下一臺階開挖導(dǎo)致的持續(xù)變形發(fā)揮著主要作用?？梢钥闯?，施加了預(yù)錨絲桿固定模板，錨固后基本沒有塑性區(qū)的出現(xiàn)，這表明由于預(yù)錨絲桿的存在，不僅提高了模板的強度和穩(wěn)定性，對邊坡的整體穩(wěn)定沒有造成影響。

3.1.4 改變預(yù)錨絲桿的參數(shù)對支模影響分析

（1）預(yù)錨絲桿直徑大小的影響

選取模板左側(cè)最下端一點位移作為參考，其他條件固定，通過改變預(yù)錨絲桿直徑大小來分析對模板加固的影響。

從表1可以看出，隨著預(yù)錨絲桿直徑的增大，端點位移逐漸減小，說明增大直徑對模板穩(wěn)定起到增強作用，但不是越大越好。從現(xiàn)場實際和經(jīng)濟考慮，預(yù)錨絲桿直徑選取φ8～φ14。

表1 預(yù)錨絲桿直徑變化對位移的影響

（2）預(yù)錨絲桿豎向間距的影響

選取模板左側(cè)最下端一點位移作為參考，其他條件固定，通過改變預(yù)錨絲桿豎向間距來分析對模板加固的影響。

從表2可以看出，隨著預(yù)錨絲桿直徑豎向間距的增大，端點位移逐漸增大，說明增大豎向間距對模板穩(wěn)定起到增強作用。但從現(xiàn)場實際和經(jīng)濟考慮，預(yù)錨絲桿豎向間距不是越小越好，選取0.6～0.8m。

表2 預(yù)錨絲桿豎向間距變化對位移的影響

（3）預(yù)錨絲桿錨入巖層深度的影響

選取模板左側(cè)最下端一點位移作為參考，其他條件固定，通過改變預(yù)錨絲桿錨入巖層深度來分析對模板加固的影響。

從表3可以看出，隨著預(yù)錨絲桿錨入巖層深度的增大，端點位移逐漸減小，但是增加到2m后，變化不明顯，說明增大豎向間距對模板穩(wěn)定起到增強作用，但無限增大并不會有較大的增強。從現(xiàn)場實際和經(jīng)濟考慮，預(yù)錨絲桿錨入巖層深度選取1.0～1.5m。

（4）預(yù)錨絲桿水平間距變化的影響

選取模板左側(cè)最下端一點位移作為參考，其他條件固定，通過改變預(yù)錨絲桿水平間距來分析對模板加固的影響。

表3 預(yù)錨絲桿錨入巖層深度變化對位移的影響

從表4可以看出，隨著預(yù)錨絲桿水平間距的增大，端點位移逐漸變大，說明增大水平間距對模板穩(wěn)定起到減弱作用，但無限縮小也不合理。從現(xiàn)場實際和經(jīng)濟考慮，預(yù)錨絲桿水平間距選取0.6～1.2m較為合適。

表4 預(yù)錨絲桿水平間距變化對位移的影響

3.1.5 利用ABAQUS的仿真分析，得出以下主要結(jié)論

（1）該預(yù)錨絲桿單面支模結(jié)構(gòu)完全滿足強度、變形和穩(wěn)定的要求；

（2）預(yù)錨絲桿宜選用直徑宜為φ8～φ14，豎向布置間距0.6～0.8m，橫向布置間距0.6～1.2m，預(yù)絲桿錨入巖層深度1.0～1.5m。

3.2 施工參數(shù)的計算

3．2.1 確定預(yù)錨絲桿參數(shù)

預(yù)錨絲桿長度=錨固長度+支模工作長度=錨固長度+混凝土面板厚度+木楞截面高度+鋼楞直徑（一般用鋼管）+山型卡等需長度。

則預(yù)錨絲桿長度=1.2+0.18+0.09+0.048+0.1=1.618m，取1.65m。

可見，拆模后外露絲桿還有1.65-1.2-0.18=0.27m，完全滿足后期施工地下室擋墻支模時的接長搭接長度。

最終確定預(yù)錨絲桿的參數(shù)為：直徑為φ14mm，有效直徑為φ12.1mm；錨孔直徑為φ28mm，錨入深度為1.2m，外露0.45m作為模板加固的對拉螺桿；灌注砂漿為M30水泥砂漿，預(yù)錨絲桿施工20d后，經(jīng)過現(xiàn)場試驗抗拔強度可達到17kN，基本滿足支模要求。

3.2.2 錨固參數(shù)確定

由于砂漿錨桿達到強度時間較長，影響施工進度。樹脂錨桿既有砂漿錨桿具有的優(yōu)點，還可解決砂漿達到設(shè)計強度時間周期長的問題。樹脂錨桿分為端頭錨固和全長錨固，結(jié)合邊坡巖石情況，本工程采用端頭錨固型。

通過計算比較，本工程樹脂錨桿技術(shù)參數(shù)確定為：直徑為φ14mm，錨孔直徑為φ28mm，錨入深度為0.5m，總長0.95m，外露0.27m作為模板加固的對拉螺桿，錨固劑為MSK23350型。經(jīng)試驗，預(yù)錨絲桿施工1h后現(xiàn)場試驗抗拔強度可達到50kN以上，滿足支模要求。

4 預(yù)錨絲桿單面支模技術(shù)在項目中的應(yīng)用

4.1 施工工藝流程

主要施工工藝為：土石方開挖→搭設(shè)施工支架及平臺→邊坡修整→擋墻錨桿施工→預(yù)埋絲桿錨孔測量定位、鉆孔、清孔、驗孔→安裝樹脂藥卷及絲桿→肋板柱鋼筋制安→安裝單面模板→用螺帽固定模板→混凝土澆筑。

4.2 主要工序施工方法

主要工序包括錨桿擋墻和預(yù)埋絲桿兩部分，錨桿擋墻施工方法不再詳述，這里重點介紹預(yù)埋絲桿和模板安裝的方法。

4.2.1 施工準備

主要施工機械包括空壓機、錨桿鉆機、風(fēng)鎬、壓漿機、鋼筋調(diào)直機、切割機、彎曲機、電焊機等，主要工程材料包括擋墻錨桿、預(yù)埋絲桿、模板、鋼筋、混凝土等。

4.2.2 錨桿擋墻施工順序

錨桿擋墻豎向每6m為一個逆作法施工段，豎向6m內(nèi)施工中采用順作法，每3m一次模板支護、混凝土澆筑，從下到上進行施工。

嚴格控制分層分段開挖，坡面開挖時要按測量人員精確定點、標高進行，嚴格控制每層開挖的深度和垂直度。分層高度與支護錨桿高程適應(yīng)，按照逆作法施工，先做好冠梁然后做下面肋梁和面板。當邊坡開挖高度為6m左右時開始鉆孔、注漿，支模，6m高度模板分2次支護到位，每支護一次模板澆筑一次混凝土。開挖與錨桿擋墻施工交替進行，錨桿、冠梁、豎肋、面板的強度均達到85%后方可進行下階開挖，開挖與錨桿擋墻施工應(yīng)分段跳槽進行，每15m為一個施工段。

4.2.3 預(yù)埋絲桿施工

（1）測量放線：按設(shè)計的間排距確定絲桿位置。

（2）預(yù)埋絲桿鉆孔：采用YT-28型風(fēng)動鉆機，直徑為φ28mm，深度為1.2m，鉆孔后清孔、驗孔，用壓風(fēng)清掃眼孔浮塵。

（3）安裝絲桿：樹脂錨桿φ14mm長0.95m，錨固劑為MSK23350型。

4.2.4 模板安裝

（1）安裝模板前，用高壓風(fēng)吹巖面，清除泥垢。

（2）模板采用九夾板，面板厚度18mm。冠梁、面板與豎肋采用木模板。

（3）根據(jù)預(yù)埋絲桿位置在木模板預(yù)先鉆孔，孔徑保證φ14預(yù)埋絲桿能夠順利穿過，然后安裝墊板，用螺帽固定模板。

（4）模板直接放在基巖上，下端面板預(yù)留鋼筋彎鉤保證搭接長度，如有封閉不嚴實處，必須補好，保證不漏漿。

（5）為保證拆模方便，絲桿外露尺寸不能太長。外露長度必須保證車庫剪力墻模板加固時方便有效使用。

5 結(jié)語

通過實踐表明使用預(yù)錨絲桿加固取代傳統(tǒng)鋼管支撐加固，減少了水泥、混凝土、鋼管、扣件等材料的使用。其結(jié)構(gòu)形式好，具有良好的受力性能。技術(shù)可靠、使用安全、優(yōu)質(zhì)高效。該預(yù)錨絲桿不僅用于單面模板加固，還可以在采用原槽澆筑的地下室擋土墻（剪力墻）施工時重復(fù)利用，節(jié)約后期施工成本。綜合造價更經(jīng)濟，在建設(shè)集約型、環(huán)保型社會的今天，更顯得意義重大。

[1]（美）薩伯，（美）巴布斯卡，著.謝宗蕻，等譯.有限元分析的數(shù)學(xué)建模、校核與驗證.中航出版?zhèn)髅接邢薰荆?013.

[2]張向東，張樹光，劉松，編著.錨桿支護配套技術(shù)設(shè)計與施工.中國計劃出版社，2003.

[3]蘇自約，等主編.巖土錨固技術(shù)的新發(fā)展與工程實踐.人民交通出版社，2008.