預錨絲桿單面支模體系設計與施工應用

龍曉玲 譚應松

（重慶巨能建設集團建筑安裝工程有限公司 重慶 400042）

引言

隨著城市現代化的高速發展，土地資源緊缺，在城市建設中，越來越多的項目設計為垂直開挖。甚至連地下室剪力墻的模板施工作業面也被取消，改為單面原槽澆筑。然而，與放坡開挖相比，垂直開挖受地質條件的影響較大，邊坡支護難度及施工作業面安全管理難度也相應增大。在工程實踐中，我們發現用預錨絲桿單面支模體系取代傳統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量，提高施工過程中的安全系數；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利用，以達到進度快、質量好、節省材料的目的。

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 傳統單面支模方法

錨桿擋墻施工的關鍵環節為單面模板加固，傳統的加固法采用鋼管三角斜撐，該方法加固安全系數低，拆模后擋墻表觀質量差，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，接長鋼管容易發生撓曲；斜撐桿件太多，與腳手架搭設互相交叉干擾，施工不便；模板支設過程中，有的直接把支撐桿件與腳手架連接，以增大支撐力，容易發生腳手架傾覆，造成安全事故。

3 預錨絲桿加固模板的設計研究

預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。其搭設方法詳見圖1。

圖1 預錨絲桿加固單面模板支設示意圖

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，支護錨桿已經施工完成，具有一定的抗拔力，同時該工程邊坡為中風化泥巖，短期內具有較強的穩定性，因此支模用得預錨絲桿只需考慮澆筑混凝土時的施工荷載即可。

3.1 預錨絲桿單面支模施工技術計算機仿真分析

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雜的非線性問題。

3.1.2 數值分析基本模型的建立

（1）本構模型的選擇

在所有的ABAQUS巖土本構模型中，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）網格劃分

幾何模型建立后，ABAQUS可采取合適的網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。根據板面側壁土壓力計算公式，在abaqus中模擬將側壁土壓力轉換為面上的壓力，同時認定邊坡在板肋式錨桿擋墻支護處于穩定狀態，只分析預錨絲桿對模板以及澆筑混凝土時是否能滿足結構安全穩定的作用。

（5）界面單元

為了模擬預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系定為內置區域（Enbedded Region）。

3.1.3 預錨絲桿單面支模應力分析

在ABAQUS程序中通過MISES應力云圖可以看出：預錨絲桿能夠支撐模板保證其穩定，模板在澆筑混凝土時和澆筑完畢后能夠承受起澆注荷載和側面土壓力。當澆筑混凝土后，模板側面承受的壓力最大，此時模板沒有發生變形破壞。因此，預錨絲桿作為支護模板的重要構件，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，保持其穩定性，并對控制模板變形有明顯效果。

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

3.1.4 改變預錨絲桿的參數對支模影響分析

（1）預錨絲桿直徑大小的影響

選取模板左側最下端一點位移作為參考，其他條件固定，通過改變預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定起到增強作用，但不是越大越好。從現場實際和經濟考慮，預錨絲桿直徑選取φ8～φ14。

表1 預錨絲桿直徑變化對位移的影響

（2）預錨絲桿豎向間距的影響

選取模板左側最下端一點位移作為參考，其他條件固定，通過改變預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定起到增強作用。但從現場實際和經濟考慮，預錨絲桿豎向間距不是越小越好，選取0.6～0.8m。

表2 預錨絲桿豎向間距變化對位移的影響

（3）預錨絲桿錨入巖層深度的影響

選取模板左側最下端一點位移作為參考，其他條件固定，通過改變預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定起到增強作用，但無限增大并不會有較大的增強。從現場實際和經濟考慮，預錨絲桿錨入巖層深度選取1.0～1.5m。

（4）預錨絲桿水平間距變化的影響

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

表3 預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定起到減弱作用，但無限縮小也不合理。從現場實際和經濟考慮，預錨絲桿水平間距選取0.6～1.2m較為合適。

表4 預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，得出以下主要結論

（1）該預錨絲桿單面支模結構完全滿足強度、變形和穩定的要求；

（2）預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，預絲桿錨入巖層深度1.0～1.5m。

3.2 施工參數的計算

3．2.1 確定預錨絲桿參數

預錨絲桿長度=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。

最終確定預錨絲桿的參數為：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，預錨絲桿施工20d后，經過現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點，還可解決砂漿達到設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參數確定為：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。經試驗，預錨絲桿施工1h后現場試驗抗拔強度可達到50kN以上，滿足支模要求。

4 預錨絲桿單面支模技術在項目中的應用

4.1 施工工藝流程

主要施工工藝為：土石方開挖→搭設施工支架及平臺→邊坡修整→擋墻錨桿施工→預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、風鎬、壓漿機、鋼筋調直機、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，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分段跳槽進行，每15m為一個施工段。

4.2.3 預埋絲桿施工

（1）測量放線：按設計的間排距確定絲桿位置。

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

（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）根據預埋絲桿位置在木模板預先鉆孔，孔徑保證φ14預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 結語

通過實踐表明使用預錨絲桿加固取代傳統鋼管支撐加固，減少了水泥、混凝土、鋼管、扣件等材料的使用。其結構形式好，具有良好的受力性能。技術可靠、使用安全、優質高效。該預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）施工時重復利用，節約后期施工成本。綜合造價更經濟，在建設集約型、環保型社會的今天，更顯得意義重大。

[1]（美）薩伯，（美）巴布斯卡，著.謝宗蕻，等譯.有限元分析的數學建模、校核與驗證.中航出版傳媒有限公司，2013.

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

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