预锚丝杆单面支模体系设计与施工应用

龙晓玲 谭应松

（重庆巨能建设集团建筑安装工程有限公司 重庆 400042）

引言

随着城市现代化的高速发展，土地资源紧缺，在城市建设中，越来越多的项目设计为垂直开挖。甚至连地下室剪力墙的模板施工作业面也被取消，改为单面原槽浇筑。然而，与放坡开挖相比，垂直开挖受地质条件的影响较大，边坡支护难度及施工作业面安全管理难度也相应增大。在工程实践中，我们发现用预锚丝杆单面支模体系取代传统的钢管三角斜撑支撑加固单面模板进行边坡支护挡墙施工是可行的。一方面可保证边坡施工质量，提高施工过程中的安全系数；另一方面地下车库剪力墙进行单面支模时可进行二次重复利用，以达到进度快、质量好、节省材料的目的。

1 项目基本情况

某工程位于城市中心，施工场地极为有限，基坑开挖采取不放坡垂直开挖，板肋式锚杆挡墙设计面板厚度为180mm，肋梁厚为400mm，锚杆直径为φ28mm，每孔3根锚杆，孔径φ150mm，锚杆长度为7～19m，间排距为2.5～3mm。地下车库剪力墙为400mm厚。地下室车库剪力墙设计为原槽浇筑，不进行回填。该锚杆挡墙周边长约253m，高约21m，边坡立面积约5326m2。

2 传统单面支模方法

锚杆挡墙施工的关键环节为单面模板加固，传统的加固法采用钢管三角斜撑，该方法加固安全系数低，拆模后挡墙表观质量差，施工速度较慢。除此以外这种支模方式主要缺点还有：单面支撑加固不牢，容易爆模，混凝土表面平整度得不到保证；斜撑时需在地面上做地锚，由于受钢管长度的影响，当支模高度过大，接长钢管容易发生挠曲；斜撑杆件太多，与脚手架搭设互相交叉干扰，施工不便；模板支设过程中，有的直接把支撑杆件与脚手架连接，以增大支撑力，容易发生脚手架倾覆，造成安全事故。

3 预锚丝杆加固模板的设计研究

预锚丝杆模板加固法是将制作好的丝杆一端埋入边坡中，另一端作为自由端，利用螺帽紧固，在支模时作为对拉螺杆来进行模板加固。这种方法能够很好地解决支撑问题，由于减少了斜撑，且不防碍土石方开挖工作，每次浇筑混凝土高度可达3m，不易爆模，大大的提高了工作效率。其搭设方法详见图1。

图1 预锚丝杆加固单面模板支设示意图

采用这种方法需要解决的问题有：确定丝杆锚固长度、丝杆的直径及预埋丝杆的间排距。由于本工程采用了锚杆挡墙支护，因此在施工面板时，支护锚杆已经施工完成，具有一定的抗拔力，同时该工程边坡为中风化泥岩，短期内具有较强的稳定性，因此支模用得预锚丝杆只需考虑浇筑混凝土时的施工荷载即可。

3.1 预锚丝杆单面支模施工技术计算机仿真分析

3.1.1 ABAQUS软件简介

ABAQUS属于工程模拟有限元软件，它拥有一个丰富的单元库，基本可以模拟工程中任何一种材料。用以解决相对简单的线性问题和复杂的非线性问题。

3.1.2 数值分析基本模型的建立

（1）本构模型的选择

在所有的ABAQUS岩土本构模型中，本文采用摩尔-库仑模型。

（2）几何模型的建立

该基坑支护工程，深度达到21m以上，场地条件受到限制，设计为垂直开挖，施工时采用在立面方向分三段，每段7m作为一个施工段，预锚丝杆单面支模，每次支模高度为3m，边坡采用逆作法施工。因此，选取逆作法3m高一断面进行分析。模型中边坡高为3m，垂直坡面。水平边界满足1.5倍边坡水平距离，竖直边界满足2倍边坡竖直距离。

（3）网格划分

几何模型建立后，ABAQUS可采取合适的网格划分方式和合适的单元类型，以获得最合理的模拟计算结果。

（4）边界条件

将边坡自然坡面作为自由边界，底面边界为固定约束，左右边界为水平约束，竖直向自由。根据板面侧壁土压力计算公式，在abaqus中模拟将侧壁土压力转换为面上的压力，同时认定边坡在板肋式锚杆挡墙支护处于稳定状态，只分析预锚丝杆对模板以及浇筑混凝土时是否能满足结构安全稳定的作用。

（5）界面单元

为了模拟预锚丝杆与土的相互作用，ABAQUS程序在接触Interaction分析步中将他们的关系定为内置区域（Enbedded Region）。

3.1.3 预锚丝杆单面支模应力分析

在ABAQUS程序中通过MISES应力云图可以看出：预锚丝杆能够支撑模板保证其稳定，模板在浇筑混凝土时和浇筑完毕后能够承受起浇注荷载和侧面土压力。当浇筑混凝土后，模板侧面承受的压力最大，此时模板没有发生变形破坏。因此，预锚丝杆作为支护模板的重要构件，可以有效地缓解模板变形，明显加固模板抗压和变形能力，增加模板的强度和刚度，保持其稳定性，并对控制模板变形有明显效果。

从边坡塑性区截图可以看出，整个边坡应力和应变都集中在坡角底部，但是整个模板处于稳定的状态。这表明，预锚丝杆加固模板是非常有效的。另外，从位移云图中看出，预锚丝杆的刚度对抑制下一台阶开挖导致的持续变形发挥着主要作用。可以看出，施加了预锚丝杆固定模板，锚固后基本没有塑性区的出现，这表明由于预锚丝杆的存在，不仅提高了模板的强度和稳定性，对边坡的整体稳定没有造成影响。

3.1.4 改变预锚丝杆的参数对支模影响分析

（1）预锚丝杆直径大小的影响

选取模板左侧最下端一点位移作为参考，其他条件固定，通过改变预锚丝杆直径大小来分析对模板加固的影响。

从表1可以看出，随着预锚丝杆直径的增大，端点位移逐渐减小，说明增大直径对模板稳定起到增强作用，但不是越大越好。从现场实际和经济考虑，预锚丝杆直径选取φ8～φ14。

表1 预锚丝杆直径变化对位移的影响

（2）预锚丝杆竖向间距的影响

选取模板左侧最下端一点位移作为参考，其他条件固定，通过改变预锚丝杆竖向间距来分析对模板加固的影响。

从表2可以看出，随着预锚丝杆直径竖向间距的增大，端点位移逐渐增大，说明增大竖向间距对模板稳定起到增强作用。但从现场实际和经济考虑，预锚丝杆竖向间距不是越小越好，选取0.6～0.8m。

表2 预锚丝杆竖向间距变化对位移的影响

（3）预锚丝杆锚入岩层深度的影响

选取模板左侧最下端一点位移作为参考，其他条件固定，通过改变预锚丝杆锚入岩层深度来分析对模板加固的影响。

从表3可以看出，随着预锚丝杆锚入岩层深度的增大，端点位移逐渐减小，但是增加到2m后，变化不明显，说明增大竖向间距对模板稳定起到增强作用，但无限增大并不会有较大的增强。从现场实际和经济考虑，预锚丝杆锚入岩层深度选取1.0～1.5m。

（4）预锚丝杆水平间距变化的影响

选取模板左侧最下端一点位移作为参考，其他条件固定，通过改变预锚丝杆水平间距来分析对模板加固的影响。

表3 预锚丝杆锚入岩层深度变化对位移的影响

从表4可以看出，随着预锚丝杆水平间距的增大，端点位移逐渐变大，说明增大水平间距对模板稳定起到减弱作用，但无限缩小也不合理。从现场实际和经济考虑，预锚丝杆水平间距选取0.6～1.2m较为合适。

表4 预锚丝杆水平间距变化对位移的影响

3.1.5 利用ABAQUS的仿真分析，得出以下主要结论

（1）该预锚丝杆单面支模结构完全满足强度、变形和稳定的要求；

（2）预锚丝杆宜选用直径宜为φ8～φ14，竖向布置间距0.6～0.8m，横向布置间距0.6～1.2m，预丝杆锚入岩层深度1.0～1.5m。

3.2 施工参数的计算

3．2.1 确定预锚丝杆参数

预锚丝杆长度=锚固长度+支模工作长度=锚固长度+混凝土面板厚度+木楞截面高度+钢楞直径（一般用钢管）+山型卡等需长度。

则预锚丝杆长度=1.2+0.18+0.09+0.048+0.1=1.618m，取1.65m。

可见，拆模后外露丝杆还有1.65-1.2-0.18=0.27m，完全满足后期施工地下室挡墙支模时的接长搭接长度。

最终确定预锚丝杆的参数为：直径为φ14mm，有效直径为φ12.1mm；锚孔直径为φ28mm，锚入深度为1.2m，外露0.45m作为模板加固的对拉螺杆；灌注砂浆为M30水泥砂浆，预锚丝杆施工20d后，经过现场试验抗拔强度可达到17kN，基本满足支模要求。

3.2.2 锚固参数确定

由于砂浆锚杆达到强度时间较长，影响施工进度。树脂锚杆既有砂浆锚杆具有的优点，还可解决砂浆达到设计强度时间周期长的问题。树脂锚杆分为端头锚固和全长锚固，结合边坡岩石情况，本工程采用端头锚固型。

通过计算比较，本工程树脂锚杆技术参数确定为：直径为φ14mm，锚孔直径为φ28mm，锚入深度为0.5m，总长0.95m，外露0.27m作为模板加固的对拉螺杆，锚固剂为MSK23350型。经试验，预锚丝杆施工1h后现场试验抗拔强度可达到50kN以上，满足支模要求。

4 预锚丝杆单面支模技术在项目中的应用

4.1 施工工艺流程

主要施工工艺为：土石方开挖→搭设施工支架及平台→边坡修整→挡墙锚杆施工→预埋丝杆锚孔测量定位、钻孔、清孔、验孔→安装树脂药卷及丝杆→肋板柱钢筋制安→安装单面模板→用螺帽固定模板→混凝土浇筑。

4.2 主要工序施工方法

主要工序包括锚杆挡墙和预埋丝杆两部分，锚杆挡墙施工方法不再详述，这里重点介绍预埋丝杆和模板安装的方法。

4.2.1 施工准备

主要施工机械包括空压机、锚杆钻机、风镐、压浆机、钢筋调直机、切割机、弯曲机、电焊机等，主要工程材料包括挡墙锚杆、预埋丝杆、模板、钢筋、混凝土等。

4.2.2 锚杆挡墙施工顺序

锚杆挡墙竖向每6m为一个逆作法施工段，竖向6m内施工中采用顺作法，每3m一次模板支护、混凝土浇筑，从下到上进行施工。

严格控制分层分段开挖，坡面开挖时要按测量人员精确定点、标高进行，严格控制每层开挖的深度和垂直度。分层高度与支护锚杆高程适应，按照逆作法施工，先做好冠梁然后做下面肋梁和面板。当边坡开挖高度为6m左右时开始钻孔、注浆，支模，6m高度模板分2次支护到位，每支护一次模板浇筑一次混凝土。开挖与锚杆挡墙施工交替进行，锚杆、冠梁、竖肋、面板的强度均达到85%后方可进行下阶开挖，开挖与锚杆挡墙施工应分段跳槽进行，每15m为一个施工段。

4.2.3 预埋丝杆施工

（1）测量放线：按设计的间排距确定丝杆位置。

（2）预埋丝杆钻孔：采用YT-28型风动钻机，直径为φ28mm，深度为1.2m，钻孔后清孔、验孔，用压风清扫眼孔浮尘。

（3）安装丝杆：树脂锚杆φ14mm长0.95m，锚固剂为MSK23350型。

4.2.4 模板安装

（1）安装模板前，用高压风吹岩面，清除泥垢。

（2）模板采用九夹板，面板厚度18mm。冠梁、面板与竖肋采用木模板。

（3）根据预埋丝杆位置在木模板预先钻孔，孔径保证φ14预埋丝杆能够顺利穿过，然后安装垫板，用螺帽固定模板。

（4）模板直接放在基岩上，下端面板预留钢筋弯钩保证搭接长度，如有封闭不严实处，必须补好，保证不漏浆。

（5）为保证拆模方便，丝杆外露尺寸不能太长。外露长度必须保证车库剪力墙模板加固时方便有效使用。

5 结语

通过实践表明使用预锚丝杆加固取代传统钢管支撑加固，减少了水泥、混凝土、钢管、扣件等材料的使用。其结构形式好，具有良好的受力性能。技术可靠、使用安全、优质高效。该预锚丝杆不仅用于单面模板加固，还可以在采用原槽浇筑的地下室挡土墙（剪力墙）施工时重复利用，节约后期施工成本。综合造价更经济，在建设集约型、环保型社会的今天，更显得意义重大。

[1]（美）萨伯，（美）巴布斯卡，著.谢宗蕻，等译.有限元分析的数学建模、校核与验证.中航出版传媒有限公司，2013.

[2]张向东，张树光，刘松，编著.锚杆支护配套技术设计与施工.中国计划出版社，2003.

[3]苏自约，等主编.岩土锚固技术的新发展与工程实践.人民交通出版社，2008.