“桩—索—锚网喷”组合支护在明洞基坑的应用

盛 小 龙

(江西省勘察设计研究院，江西 南昌 330200)

0 引言

随着国家大力推进基础设施建设，会面临越来越多的复杂深基坑问题。单一的基坑支护方式已经不能满足工程需求。我们需要因地制宜，根据实际情况，结合工程的地质地形条件，基坑类型，在基坑不同区段采取不同的支护方式，或在基坑的上、下部位采取不同支护手段相结合的方式。来满足施工要求，达到安全、经济、合理，便于施工的目的[1]。

1 预应力锚索抗滑桩

1.1 预应力锚索抗滑桩的简介

预应力锚索抗滑桩由抗滑桩及在桩顶和桩身位置设置的一排或多排预应力锚索组成。锚索一般在抗滑桩桩身达到一定强度时设置，并通过施加预应力使其与抗滑桩形成基坑的组合支护结构。与普通抗滑桩的不同之处在于，通过预应力锚索的施加，使得抗滑桩的受力状态发生变化，从而影响桩身的内力分布，加强了预应力锚索抗滑桩的支护效果，提高了基坑的稳定性。

1.2 预应力锚索抗滑桩的特点

预应力锚索的设置，相当于在抗滑桩的桩顶施加了一个朝向基坑土体外侧的拉力，在桩顶施加了一个约束。从而使抗滑桩从一端嵌固的受力状态，变为类似上端铰支，另一端为弹性固结的梁式结构，如图1所示。

抗滑桩受力状态的改变，使其从原来的被动受力状态变为主动受力状态。预应力锚索的施加，使得抗滑桩能对桩后基坑外侧的土体产生一定的压力。而土体的失稳，需要先克服锚索的摩阻力、锚固力以及抗滑桩对土体的压力，才能使基坑产生变形。因此，预应力锚索抗滑桩这种组合支护结构，能够有效地减小土体变形，提高基坑的稳定性。

另外，普通抗滑桩的内力较大，而且桩体的最大抗力一般发生在土体的滑动面附近，桩身内力分布较为集中。所以普通的抗滑桩不仅截面设计较大，而且锚固长度较长，不能很好地发挥材料强度。而预应力锚索抗滑桩由于受力形式发生变化，内力分布更加合理，降低了抗滑桩的最大弯矩和最大剪力，从而能减小抗滑桩的截面尺寸以及嵌固深度。使其在满足基坑的稳定性要求的同时，还能节省材料，提高了工程经济性。

总的来说，预应力锚索抗滑桩这种组合支护方式具有“概念明确，主动支护，柔性支护，经济合理”的特点[2]。

2 桩间锚网喷防护结构

2.1 桩间土防护常用做法

桩间土防护面一般由钢筋网、挂网钢筋及横向拉筋构成，其中挂网钢筋需要植入桩体中，而露出桩体的部分需要和横向拉筋进行焊接，如图2所示。钢筋网、挂网钢筋及横向拉筋规格和排布方式都需要通过计算来确定。

2.2 防护目的

在基坑采用预应力锚索抗滑桩为主要的支护形式时，桩后土体的大部分土压力都由抗滑桩来承担。由于排桩之间存在一定的间距，而这些桩间的土体在基坑开挖的过程中，由于失去了侧向基坑土体提供的约束力，可能会在工程施工过程中的扰动或震动下，以及地下水渗流及降水的影响下，产生土体脱落或者小范围土体垮塌的现象，从而形成一些影响基坑稳定性的孔洞[3]。

为了避免这种现象的发生，需要在桩前设置一层锚网喷组合结构作为桩间防护面，来保护桩间土体。同时，防护面层中的挂网钢筋植入桩体中，还在桩间增设一定数量的锚杆，使得这种组合结构具有一定的刚度，同时也增强了排桩之间的整体性。而且，桩前设置的防护面层，又具有一定的止水防渗作用，在一定程度上能降低地下水对基坑稳定性的不利影响。

3 工程应用

3.1 工程概况

隧址区属高中山剥蚀地貌，两侧横向沟谷发育，地形起伏较大。明洞段地势较平缓，线路在中间有40 m长隧道洞身下穿国道公路。

3.2 地质概况

3.3 工程优化设计方案

3.3.1抗滑桩方案优化

隧道明洞开挖过程中，隧道进口端段原设置66根预加固桩防护，均为人工挖孔桩，桩长22 m～27 m，根据已开挖揭示的1号、23号、35号、66号桩实际情况，开挖桩设置段落地层为卵石土，地下水位较高，抽水困难，预加固桩开挖存在一定的安全风险。结合现场人工挖孔桩揭示情况及周围施工环境，将人工挖孔桩改为灌注桩加预应力锚索。桩间锚网喷防护的组合支护方式。

与人工挖孔桩相比，钻孔灌注桩更适合现场地质条件复杂，地下水较为丰富的情况。同时，也能降低现场人工开挖带来的安全隐患。而且，钻孔灌注桩的施工工期相对更短，在下穿国道公路施工中，能够加快施工速度，减小对交通的影响。

除了国道公路外，线路右侧还有400 mm玻纤供水管线，施工区位于国家级风景名胜区外围保护范围，地形地质条件复杂，生态脆弱。在施工过程中需要密切注意土体变形对周围环境的影响。因此基坑支护方案的选择显得十分重要。

3.3.2组合支护方式优化

在基坑开挖中，常用的组合支护方式有地下连续墙加内支撑、放坡开挖加锚网喷防护以及排桩加预应力锚索等。地下连续墙加内支撑的支护方式虽然支护能力更强，基坑变形更小，但造价也更高。同时也限制了基坑内的作业，不适合本工程明洞隧道施工的情况。而放坡开挖加锚网喷支护的方式虽然造价更低，施工较为简单。但是不太适合地形地质条件复杂，地下水较为丰富的大型深基坑。大面积的放坡开挖也会对土体产生严重的扰动，影响周围管线，破坏生态。因此综合考虑，采用预应力锚索抗滑桩与桩间锚网喷防护的“桩—索—锚网喷”组合支护形式。预应力锚索的施加，不仅能够改变抗滑桩受力状态，一定程度上减少了材料用量，降低造价，同时还能减小土体变形。锚索施工也较便捷，能加快施工进度，降低施工对国道公路交通的影响。另外，抗滑桩之间通过冠梁及腰梁连接，增强了排桩的整体性，提升了强度。

下面将通过有限元软件Midas/GTX NX模拟基坑开挖施工过程，验证“桩—索—锚网喷”组合支护结构在隧道明洞开挖中的支护能力。

4 有限元模拟

4.1 模型概况

明洞开挖段共225 m长。基坑在纵向上的尺寸远远大于基坑在横断面上的尺寸，且基坑横断面尺寸在纵向上无较大的变化，属于平面应变问题，同时外力可近似认为平行于横截面作用且沿纵向无变化。并结合现场分段开挖的施工方案，确定所模拟基坑开挖的纵向长度为60 m。一般来说，基坑开挖的影响范围为3倍～5倍基坑开挖深度，明洞开挖段基坑平均深度大约为15 m，从而确定模型竖向尺寸为50 m，平面尺寸为70 m×60 m，见图3。

其中，排桩的受力机理在承受弯矩方面与地下连续墙相似，而且在排桩采用冠梁及腰梁连接，桩间防护面的存在也在一定程度上增强了排桩的整体性，因此在有限元模拟中，将排桩等效为地下连续墙。地下连续墙的厚度采用以下公式计算[4]：

其中，h为地下连续墙的厚度；D为桩直径，1.5 m;t为桩的净间距，1.5 m，算得地下连续墙厚度约为1 m。

模型中，第一层土体粉质黏土约为3.5 m，第二层卵石土为15 m，第三层土碎石土为18 m，第四层炭质板岩厚13.5 m基坑土体分四次开挖，分层高度分别为3.5 m，3.5 m，4 m，4 m。材料属性参考现场勘察报告及《工程地质手册》，取值如表1所示。

表1 模型物理力学参数取值

4.2 有限元数值分析结果

模型将基坑开挖过程模拟为六个施工阶段，第一个阶段为初始应力分析，第二个阶段埋设与排桩刚度等效的地下连续墙，两个施工阶段都进行位移清零操作。剩余四个施工阶段依次开挖划分好的四层基坑土体。锚索布置分别在第一、第二层基坑土体开挖后进行。

基坑侧壁的水平位移变化情况能较为直观的判断基坑的稳定性，因此，从数值模拟结果中选取基坑水平位移部分，来对“桩—索—锚网喷”组合支护体系的实际工程应用效果作出一个评价。

基坑侧壁水平位移最大值同样发生在基坑开挖的最后一个阶段，侧壁顶部及坑底均有较大位移，基坑侧壁顶部水平位移最大，为5.3 mm，底部位移较小，为3.8 mm，方向均朝向基坑内侧。图4～图7为基坑侧壁在不同开挖深度时的水平位移，水平位移以朝向基坑内侧为正值，朝向基坑外侧为负值。由于模型左右对称，因此基坑两侧壁受力及变形可视为基本一致。

4.3 数值模拟结果说明

从不同开挖深度的基坑侧壁水平位移变化曲线图可以看出基坑侧壁在顶部和底部均有较大的水平位移，方向分别为背离基坑和朝向基坑，而且开挖11 m之前其水平位移值均为水平位移的最大值。一方面是预应力的施加，会使排桩受到拉力，对桩外的土体产生一定的挤压力，使其有向着基坑外侧运动的趋势。另外有可能是由于坑底土体隆起引起的。

坑底隆起主要是因为随着上部土体开挖卸荷，坑底土体的受力不平衡产生的。还可能是因为模型中地下连续墙体在坑底嵌固的部分，受到基坑外侧土体较大的挤压力，而挤压基坑内侧土体引起的基坑隆起[5]。四层土体开挖后引起的坑底隆起最大值分别为：16.5 mm,48.8 mm,33.2 mm,57.2 mm。坑底隆起必然会造成周围土体的移动，从而使基坑侧壁产生背离基坑方向的变形[6]。大致趋势是离基坑底越大，这种水平变形就越大。同时，也会使坑底周围土体产生朝向基坑方向的水平移动，从而引起基坑侧壁的变形。

而在开挖11 m及开挖15 m深度的水平位移变化曲线上，由于开挖深度较大，基坑外的土体对基坑内的侧压力越来越大，所引起的基坑侧壁水平位移也越明显。从图中可以看出，基坑侧壁朝向基坑内侧的变形在开挖段中部明显增大。

有限元分析结果表明，采用“桩—索—锚网喷”组合支护体系进行明洞深基坑开挖，能使基坑侧壁的水平位移控制在较小的范围内，能够满足安全施工的需要。“桩—索—锚网喷”组合支护结构具有较强的支护能力，能较好地保持基坑开挖的稳定性。

5 结语

因为预应力锚索的施加，改变了抗滑桩的受力状态，使抗滑桩的内力分布更为合理，从而使预应力锚索抗滑桩能够起到减小基坑开挖变形、节约材料的作用，通过实际工程，也进一步说明其具有安全、经济、受力合理，便于施工的特点。而桩间锚网喷防护除了能够保护桩间土体，防止其形成孔洞影响基坑施工安全外，还能在一定程度上起到增强组合支护结构整体性的作用，有利于基坑稳定。通过有限元模拟分析，也验证了“桩—索—锚网喷”组合支护结构在明洞深基坑开挖中具有较强的支护能力。