喷锚技术在深基坑工程中的应用及位移分析

郭学达，于清杨，孙 晶

(1.吉林大学 建设工程学院，吉林 长春 130021;2.天津职业技术师范大学，天津 300222)

1 喷锚支护结构

喷锚支护是喷射混凝土、各类锚杆(管、索、栓)和钢筋网联合支护的简称。由于其安全可靠、操作灵活、造价低，特别适用于小场地、深基坑情况下施工，近年来越来越多地应用于深基坑边坡支护工程并且取得了良好的效果。本文结合一个深度约7.5 m的住宅楼基坑工程，采用数值模拟分析方法对喷锚支护边坡位移进行模拟验算及定量分析。

锚杆(索)、钢筋网、混凝土喷面共同组成喷锚支护结构。喷射混凝土在高压空气作用下，高速喷向土层表面，先期骨料嵌入表土层内，并为后继料流所充填包裹，在喷层与土层间产生“嵌固层效应”，并随开挖逐步形成全封闭支护系统。喷层与嵌固层共同具有保护和加固表土层，使之避免风化和雨水冲刷、浅层坍塌、局部剥落以及隔水防渗等作用。锚杆(索、管等)的锚固段深固于滑移面之外的土体内部，其外锚固端同喷网联为一体，可把边壁不稳定体“危机”转移到内锚固段及其附近并消除于无形。钢筋网可使喷层具有更好的整体性和柔性，能有效地调控喷层与锚杆内应力分布。

常见的放坡与喷锚相结合的喷锚支护结构，其示意如图1。

2 工程实例

2.1 工程概况

图1 喷锚支护结构

某商业—住宅楼基坑深度约7.5 m，电梯井深度为9.5 m。基坑西侧边坡外有一排二层楼房，距拟建建筑物西侧基础边线为5.5 m，条形基础埋深1.2 m，场地条件不具备天然放坡的条件。同时需限定基坑开挖后边坡水平位移与建筑物垂直位移，因而基坑西侧边坡采用放坡与喷锚相结合进行支护。基坑西侧边坡土层:①杂填土，厚度约1.5 m，重度为1 800 kN/m3，黏聚力为18 kPa，内摩擦角为15°;②粉土，厚度约4.0 m，重度为1 960 kN/m3，黏聚力为 12 kPa，内摩擦角为23°;③黏性土，厚度约 6.0 m，重度为1 980 kN/m3，黏聚力为22.5 kPa，内摩擦角为11°。地下水位埋深为6.0 m，类型为潜水。

2.2 支护结构设计

基坑西侧边坡采用放坡与喷锚相结合进行支护。坡度系数为1∶0.3，共布置4道锚杆，锚杆施工参数见表1。坡面钢筋网为φ8@200 mm×200 mm，围檩采用1根［18a槽钢。基坑开挖前进行了降水处理。

2.3 位移监测

该边坡支护在20 d内完成，支护效果较好。

观测点分别设在边坡坡顶(间隔20 m)及相邻建筑物墙角处。从基坑开挖至基坑边坡支护工程完工后，累计最大水平位移为8.0 mm;基坑西侧二层楼房累计最大沉降量为1.8 mm。边坡水平位移在第四道锚杆(索)张拉锁定后趋于稳定。边坡支护工程结束后继续监测，在随后的10 d内边坡位移均无出现较大增量。

表1 锚杆施工参数

3 喷锚支护边坡位移分析

3.1 计算模型

数值模拟分析不仅可以模拟开挖支护全过程，而且还可以得到基坑边坡土体的位移场值、应力场、支护结构的应力以及各节点的位移。因此，在这里选取数值模拟方法进行位移稳定性分析。

由于最大位移量出现在基坑西侧，所以这里只模拟基坑西侧边坡开挖与支护过程。为了保证计算速度和足够的计算精度，整体模型共4 485个单元，5 760个节点;本构模型采用经典的库仑摩尔模型;基坑采用空模型模拟开挖;基坑支护采用锚索单元与壳单元。西侧二层楼房荷载值按30 kPa考虑，靠近基坑边坡部分超载按15 kPa施加于地面。基坑开挖前初始模型与基坑挖至槽底及加入支护结构单元的模型分别见图2和图3。

图2 基坑初始模型

图3 基坑模型及结构单元

3.2 位移计算结果及分析

计算中对模型中6个节点的位移进行了记录。节点的位置分别对应于基坑边坡监测点:坡顶位置设置了3个水平位移监测点，由于选取模型关系，监测点间隔0.8 m;在二层楼位置也设置了3个垂直位移监测点，监测点间隔0.8 m。数值模拟过程与实际施工开挖步骤相同，即开挖深度分别为2.0 m，3.6 m，5.2 m和6.8 m，挂网喷混凝土、锚索张拉并锁定分别对应于1，2，3，4 号工况。

3.2.1 边坡坡顶水平位移分析

边坡坡顶水平位移数值模拟计算结果与实测数据见图4。

图4 边坡坡顶记录点位移随工况变化曲线

1)从图4还可以看出，随着基坑开挖的进行，边坡坡顶水平位移逐渐变大，同实际监测的位移曲线形状相似。其中最大水平位移出现在工况4(即挖至槽底)，最大模拟水平位移值为11.9 mm，实测最大水平位移值为8.0 mm。

2)从数值模拟的位移值看，3个点的位移值没有太大的差异，基本相等。

3)从图4可以看出，随着开挖深度的增加，边坡坡顶水平位移值持续增加，这与一般规律相符。

3.2.2 西侧建筑物沉降位移分析

对西侧建筑物选取3个沉降点进行数值模拟分析，其位移值与实测位移值见图5。

1)从图5可以看出，工况1、2、3对于建筑物的沉降位移并没有太大的影响，其垂直沉降位移一直保持在1 mm左右，随着开挖深度的增加，挖至槽底即工况4时，位移出现较大的增加，最大位移为2.9 mm，实测位移为1.8 mm。

2)图中数据显示，开始开挖时沉降点出现了向上的位移，数值为0.3 mm。原因可能为基坑开挖，边坡临空面附近水平应力为零，引起相邻建筑物相互挤压造成向上的位移。3个点的数值模拟沉降计算值基本相等。

图5 建筑物记录点沉降位移随工况变化曲线

3)从图5还可以看出，沉降记录点的位移随着开挖深度的增加而持续增加。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。

4 结论

将模拟结果与工程实测结果对比，得出如下结论:

1)喷锚支护的边坡水平位移小，为开挖深度的0.11%，稳定性较好。喷锚支护结构主动支护土体，并与土体共同工作。钢筋网喷层具有较好的整体性与柔性，可以有效地调整锚杆与喷层内的应力分布。

2)基坑外围相邻建筑物最大沉降值为1.8 mm。对于基坑周围存在重要建筑物，工程进行不仅要保持本身的稳定性，更不能对相邻建筑物造成影响或破坏，在这种情况下喷锚支护结构可以满足该要求。

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