試論錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)的應(yīng)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(hù)工程也就逐漸成為當(dāng)前基礎(chǔ)工程建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容。錨桿噴射混凝土做為支護(hù)工程是當(dāng)前使用最為廣泛的支護(hù)技術(shù)，其有保護(hù)基坑穩(wěn)定、控制基坑變形、增強(qiáng)陡邊邊坡巖石結(jié)構(gòu)和抗變形的作用。據(jù)此，本文在簡(jiǎn)要介紹研究背景的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)基坑錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控以及噴射混凝土等問題進(jìn)行了分析，最后對(duì)錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行了闡述，提出了信息化施工的想法。希望對(duì)相關(guān)工作人員有一定的幫助。

關(guān)鍵詞：錨桿支護(hù)；噴射混凝土支護(hù)；深基坑；應(yīng)用

一、研究背景以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著高層建筑不斷增多以及地下空間的不斷應(yīng)用，深基坑支護(hù)和施工問題也就成為基礎(chǔ)工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。深基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)及其施工問題一直是土力學(xué)基礎(chǔ)中的一個(gè)古老的課題，也是巖土問題中的一個(gè)重大的工程難題。上世紀(jì)二十年代初期，K.Terzaghi的土力學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)先后問世，將坑基工程的建設(shè)帶入發(fā)展正軌中；同世紀(jì)四十年代K.Terzaghi以及其課題組提出了根據(jù)挖土量的多少估計(jì)基坑穩(wěn)定性和支撐荷載大小的方法，這一理論和預(yù)估方法也一直被沿用。直到上世紀(jì)七十年代，才有學(xué)者開始用理論指導(dǎo)土量的開挖法規(guī)。在此基礎(chǔ)上，不同的支護(hù)方法也被先后提出，其中最被學(xué)術(shù)界認(rèn)可的支護(hù)方法就是錨桿噴射混凝土支護(hù)方法。

錨桿噴射混凝土支護(hù)指的是噴射混凝土、各類錨桿和鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)的簡(jiǎn)稱。這種獨(dú)特的支護(hù)方法不僅改變了傳統(tǒng)支護(hù)方法在墻、管、撐等的被動(dòng)支撐的概念，在最大程度上將基坑邊壁土體原本的力學(xué)強(qiáng)度利用起來，將原本的土體載荷變?yōu)橹ёo(hù)結(jié)構(gòu)的一部分。然后，混凝土經(jīng)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(tǒng)，這樣層面的好處是噴射層不僅能夠加固土層，使其免受風(fēng)化，而且還能使噴射層和土層之間建立一種堅(jiān)固的聯(lián)系，加強(qiáng)支護(hù)作用。錨桿的位置處于破裂面之下的土層中，其埋藏位置應(yīng)該相對(duì)深，外錨固端應(yīng)該同貓王連接成為一體，這樣任何能夠影響層面不穩(wěn)定的因素就會(huì)被轉(zhuǎn)移到內(nèi)錨固段；另外，鋼筋網(wǎng)的加入也在一定程度上增強(qiáng)了噴層整體的柔韌性和完整性，調(diào)整了噴層和錨桿內(nèi)力的分布，這也是錨桿噴射混凝土支護(hù)理論的一大優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，造價(jià)低、工期短、支護(hù)及時(shí)、安全穩(wěn)定、占地面積小等也是錨桿支護(hù)的另一大優(yōu)勢(shì)。

錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)起始于上世紀(jì)七十年代，歐美大國(guó)（德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)等）幾乎是在同一時(shí)間開始研究錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用。這一新潮的起始也同新奧法在當(dāng)時(shí)的流行有著密不可分的關(guān)系。這些國(guó)家還對(duì)錨桿噴射混凝土支護(hù)工作性能的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)其應(yīng)用的分析方法和程序開發(fā)離心機(jī)試驗(yàn)等獲取了大量的資料和數(shù)據(jù)，而后他們開發(fā)出了一種單孔復(fù)合錨桿，主要作用是分散壓力；我國(guó)在這方面的研究開始的相對(duì)較晚，首先使用錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)的是1975年的北京地鐵工程，直到近些年高層建筑的發(fā)展，該技術(shù)才得到較大的發(fā)展。冶金部建筑研究總院和清華大學(xué)還編寫了錨桿噴射混凝土支護(hù)穩(wěn)定性分析的程序，在香港機(jī)場(chǎng)的建設(shè)中，該項(xiàng)分析程序也被實(shí)際應(yīng)用，在承受3000KN的情況下，也沒有見到異常狀況。

在國(guó)內(nèi)外的研究中，對(duì)單根錨桿工作機(jī)理的研究較多，對(duì)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(duì)基坑支護(hù)工程的研究較少。同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)高層建筑越來越多，尤其是近幾年間，高層建筑的出現(xiàn)幾乎是呈現(xiàn)幾何倍數(shù)增長(zhǎng)。建筑層數(shù)的增多也在一定程度上對(duì)基坑的堅(jiān)固程度提出了更高的要求：不僅要保證基坑的穩(wěn)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(hù)技術(shù)更是尤為必要了。

二、錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)

（一）錨桿的設(shè)計(jì)

錨桿設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行，在隧洞、工程斷面以及不同巖質(zhì)的地區(qū)，都應(yīng)該使用不同類型的錨桿。本部分根據(jù)筆者工作實(shí)際，主要介紹預(yù)應(yīng)力錨桿的設(shè)計(jì)需求。預(yù)應(yīng)力錨桿的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵守以下規(guī)定：

（1）硬巖錨固應(yīng)該首先選用拉力型錨桿。如果所建筑的基坑周圍為軟質(zhì)巖石，那么錨桿應(yīng)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(huì)產(chǎn)生相互影響，在設(shè)計(jì)錨桿錨固體之間的間距時(shí)應(yīng)該詳細(xì)考慮。另外，錨桿的傾角也需要根據(jù)實(shí)際地形條件詳細(xì)考慮，我們一般應(yīng)該避免錨桿同水平面的夾角為-10°—10°；

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

（4）預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面尺寸確定應(yīng)該按照公式來計(jì)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(shè)計(jì)值（單位：kN）；fpkt表示預(yù)應(yīng)力鋼筋的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值（單位：N/ mm2）；K為預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面設(shè)計(jì)的安全系數(shù)（一般臨時(shí)錨桿取1.6，永久錨桿取1.8）；

（5）預(yù)應(yīng)力錨桿的錨固灌漿應(yīng)該選用水泥漿或者水泥沙等材料，這些材料有較強(qiáng)的粘合性，同時(shí)為了保證錨桿的抗壓性，水泥的強(qiáng)度應(yīng)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(qiáng)度應(yīng)該高于40MPa；

（6）預(yù)應(yīng)力錨桿中自由端的長(zhǎng)度應(yīng)該大于五米，錨固段的長(zhǎng)度要按照公式進(jìn)行計(jì)算（如下）：

；

其中，Ia的單位為mm；qr水泥結(jié)石體與巖石孔壁間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，一般取標(biāo)準(zhǔn)值的0.8倍；表示泥結(jié)石體與鋼絞線或鋼筋間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，也取標(biāo)準(zhǔn)值的0.8倍； 為介面粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)，在使用兩根或者兩根以上的鋼筋或者鋼絞線時(shí)使用，一般取0.60或0.85。在計(jì)算自由桿長(zhǎng)度時(shí)，要按照這兩個(gè)公式分別計(jì)算，取其中的較大值；

（7）為了保證支護(hù)的穩(wěn)定，壓力分散型或者拉力分散性錨桿的長(zhǎng)度應(yīng)該長(zhǎng)出錨桿鉆孔直徑的15倍；

（8）在設(shè)計(jì)壓力分散型錨桿時(shí)，除了以上的注意點(diǎn)，還應(yīng)該對(duì)灌漿體軸向承壓力進(jìn)行驗(yàn)算。因?yàn)樽{體的軸心抗壓強(qiáng)度同錨桿局部受壓以及注漿體的約束有關(guān)，所以一般使用驗(yàn)算方法為試驗(yàn)；

（9）預(yù)應(yīng)力錨桿以及其相連的周邊受力部件應(yīng)該保證不少于95%的桿體極限抗壓力。對(duì)于拉力鎖定值來說，臨時(shí)預(yù)應(yīng)力錨桿可以小于等于拉里設(shè)計(jì)值；一些永久性預(yù)應(yīng)力錨桿的拉力鎖定值應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該極限值；

（10）在固定預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)，要注意兩根鋼筋之間的間距應(yīng)該至少保持1.5到2.0米，并設(shè)置隔離架。對(duì)于一些永久性的拉力型錨桿或者分散型錨桿，應(yīng)該在其預(yù)應(yīng)力鋼筋外圍套上波形管，并保證保護(hù)層的厚度大于20mm；自由段內(nèi)的預(yù)應(yīng)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(hù)設(shè)計(jì)

在噴射混凝土?xí)r，首先要控制混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度（行業(yè)內(nèi)定不得低于C15，對(duì)于一些豎井或者要求較高的斜井工程，混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)該高于C20），另外，抗壓強(qiáng)度也需要工程師詳細(xì)考慮的一方面；其次，噴射混凝土支護(hù)的厚度也有相應(yīng)的規(guī)定，一般在50mm到200mm之間，鋼筋網(wǎng)的混凝土噴射厚度一般在100mm到250mm之間；最后，在鋼筋網(wǎng)噴射混凝土匯總尤其要注意以下三點(diǎn)：為了保證建筑質(zhì)量，鋼筋網(wǎng)的材料只允許選用鋼筋直徑在4—12mm之間的一級(jí)鋼筋；鋼筋之間的間距應(yīng)該控制在150—350mm；鋼筋保護(hù)層的厚度應(yīng)該大于20mm（水工隧洞的鋼筋保護(hù)層厚度大于50mm）。

（三）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)

有效的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控可以保證工程進(jìn)行的順利性。在現(xiàn)狀監(jiān)控量測(cè)時(shí)，首先應(yīng)該及時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)繪制成時(shí)態(tài)曲線，這樣能根據(jù)曲線進(jìn)行回歸分析，以推算出最終的位移值，確定位移規(guī)律，同時(shí)還要注意明確標(biāo)注施工序號(hào)和開挖面和側(cè)斷面之間的距離；其次，對(duì)于一些地下工程的支護(hù)工作時(shí)，按照隧洞穩(wěn)定的的判斷條件：后期支護(hù)實(shí)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(hù)的實(shí)施應(yīng)該按照三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(duì)值已經(jīng)達(dá)到總位移值的90%。

（四）噴射混凝土施工

在實(shí)施噴射水泥施工之前，首先要全面檢查機(jī)械設(shè)備以及風(fēng)、管路和電線，保證機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；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(jīng)過充分沖刷和濕潤(rùn)，保證沒有雜物，。同時(shí)埋設(shè)混凝土厚度的標(biāo)志，保證混凝土噴射均勻；再次，混凝土的噴射作業(yè)應(yīng)該分片進(jìn)行。一般建議噴射順序?yàn)橛缮隙?，由左至右，但是也要根?jù)實(shí)際地形條件和當(dāng)天的風(fēng)向進(jìn)行調(diào)整，保證噴射作業(yè)的順利；最后，如果工程需求按照噴錨網(wǎng)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(shè)置錨桿和鋼筋網(wǎng)。我們一般設(shè)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(shí)再進(jìn)行第二層的噴射。在第二層噴射之前應(yīng)該充分清洗第一層的表面，在混凝土噴射結(jié)束后的24小時(shí)內(nèi)要澆水養(yǎng)護(hù)，保證混凝土的質(zhì)量。

另外，混凝土的水灰比要按照實(shí)際需求進(jìn)行控制，比例以保證混凝土表面平整、整體濕潤(rùn)光滑，無流淌或者干斑為準(zhǔn)。為了保證噴射過程的順利，噴射機(jī)應(yīng)該設(shè)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(hù)技術(shù)中關(guān)鍵的一步。首先，在定位錨桿鉆孔位置時(shí)，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(jī)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(jiān)硬的巖石，不能強(qiáng)硬的選擇加大壓力沖鉆，這樣會(huì)影響邊坡的穩(wěn)定，造成不安全因素。我們建議在堅(jiān)硬的巖石上鉆孔時(shí)，可以選擇使用加水的方式鉆孔，鉆進(jìn)速度要隨著機(jī)鉆速度進(jìn)行，不要人為干預(yù)；再次，在注漿時(shí)，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(shí)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(yīng)該插入孔底5—10cm處，在砂漿注滿后應(yīng)該緩慢拔出，避免氣泡；最后，注漿完畢后，應(yīng)該立即插入錨桿，如果插入錨桿后沒有砂漿溢出，應(yīng)該及時(shí)補(bǔ)充砂漿。

三、信息施工技術(shù)

支護(hù)技術(shù)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工程，其中包含著巖土工程學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)，而且?guī)r土體學(xué)中包含著非常復(fù)雜的線性關(guān)系，同時(shí)在支護(hù)結(jié)構(gòu)中相關(guān)的強(qiáng)度計(jì)算和土壓力的計(jì)算尚且不夠成熟；人們對(duì)支護(hù)技術(shù)的要求也越來越多。根據(jù)有關(guān)資料顯示，支護(hù)體系失效導(dǎo)致的安全問題約占總事故率的13%。其中，由于理論計(jì)算的成本高昂、對(duì)實(shí)際情況的估計(jì)不足等問題，很容易產(chǎn)生安全隱患。因此，使用信息施工法建立一定的反饋機(jī)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(diǎn)，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(hù)的發(fā)展趨勢(shì)。因此，信息法施工的重點(diǎn)在于建立一套完整的計(jì)算模型，這樣才能用理論盡可能接近的模擬出實(shí)際情況。但是不可否認(rèn)的是，計(jì)算模型確實(shí)是一種接近實(shí)際的擬合狀況，所以其計(jì)算結(jié)果不具備唯一性，更能夠預(yù)測(cè)一種趨勢(shì)，其真實(shí)性和可靠性要靠不斷的施工信息追蹤和信息反饋檢測(cè)系統(tǒng)來影響，只有多種信息手段同時(shí)運(yùn)用才能確保信息法施工的安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。

四、結(jié)語

錨桿噴射混凝土支護(hù)工作是一個(gè)非常復(fù)雜的工程，當(dāng)前需要克服的難題尚且有很多，發(fā)生工程事故的概率也往往比主體工程的概率要高。同時(shí)，由于種種客觀因素，制定一套工程設(shè)計(jì)和施工方法標(biāo)準(zhǔn)非常困難，施工過程中的變化很難被全面估計(jì)。為了盡可能的提高施工安全性，筆者建議：首先，在設(shè)計(jì)錨桿時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況加入砂卵石土、沙質(zhì)土等不同巖土層，保證錨桿設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確；其次，要根據(jù)坡體變化規(guī)律總結(jié)出其強(qiáng)度破壞規(guī)則，盡量根據(jù)變形速率以及矢量方向的變化精準(zhǔn)化破壞規(guī)則。

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作者簡(jiǎn)介：

修天翔 男 山東省青島市 本科 見習(xí)專業(yè)工程師 中建八局第一建設(shè)有限公司 ，研究方向： 有關(guān)深基坑支護(hù)施工、基坑持力層為巖石的基槽開挖、有關(guān)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(qū)不同持力層的基坑開挖的區(qū)別，及更為之有效的開挖方案