“樁—索—錨網噴”組合支護在明洞基坑的應用

盛 小 龍

(江西省勘察設計研究院，江西 南昌 330200)

0 引言

隨著國家大力推進基礎設施建設，會面臨越來越多的復雜深基坑問題。單一的基坑支護方式已經不能滿足工程需求。我們需要因地制宜，根據實際情況，結合工程的地質地形條件，基坑類型，在基坑不同區段采取不同的支護方式，或在基坑的上、下部位采取不同支護手段相結合的方式。來滿足施工要求，達到安全、經濟、合理，便于施工的目的[1]。

1 預應力錨索抗滑樁

1.1 預應力錨索抗滑樁的簡介

預應力錨索抗滑樁由抗滑樁及在樁頂和樁身位置設置的一排或多排預應力錨索組成。錨索一般在抗滑樁樁身達到一定強度時設置，并通過施加預應力使其與抗滑樁形成基坑的組合支護結構。與普通抗滑樁的不同之處在于，通過預應力錨索的施加，使得抗滑樁的受力狀態發生變化，從而影響樁身的內力分布，加強了預應力錨索抗滑樁的支護效果，提高了基坑的穩定性。

1.2 預應力錨索抗滑樁的特點

預應力錨索的設置，相當于在抗滑樁的樁頂施加了一個朝向基坑土體外側的拉力，在樁頂施加了一個約束。從而使抗滑樁從一端嵌固的受力狀態，變為類似上端鉸支，另一端為彈性固結的梁式結構，如圖1所示。

抗滑樁受力狀態的改變，使其從原來的被動受力狀態變為主動受力狀態。預應力錨索的施加，使得抗滑樁能對樁后基坑外側的土體產生一定的壓力。而土體的失穩，需要先克服錨索的摩阻力、錨固力以及抗滑樁對土體的壓力，才能使基坑產生變形。因此，預應力錨索抗滑樁這種組合支護結構，能夠有效地減小土體變形，提高基坑的穩定性。

另外，普通抗滑樁的內力較大，而且樁體的最大抗力一般發生在土體的滑動面附近，樁身內力分布較為集中。所以普通的抗滑樁不僅截面設計較大，而且錨固長度較長，不能很好地發揮材料強度。而預應力錨索抗滑樁由于受力形式發生變化，內力分布更加合理，降低了抗滑樁的最大彎矩和最大剪力，從而能減小抗滑樁的截面尺寸以及嵌固深度。使其在滿足基坑的穩定性要求的同時，還能節省材料，提高了工程經濟性。

總的來說，預應力錨索抗滑樁這種組合支護方式具有“概念明確，主動支護，柔性支護，經濟合理”的特點[2]。

2 樁間錨網噴防護結構

2.1 樁間土防護常用做法

樁間土防護面一般由鋼筋網、掛網鋼筋及橫向拉筋構成，其中掛網鋼筋需要植入樁體中，而露出樁體的部分需要和橫向拉筋進行焊接，如圖2所示。鋼筋網、掛網鋼筋及橫向拉筋規格和排布方式都需要通過計算來確定。

2.2 防護目的

在基坑采用預應力錨索抗滑樁為主要的支護形式時，樁后土體的大部分土壓力都由抗滑樁來承擔。由于排樁之間存在一定的間距，而這些樁間的土體在基坑開挖的過程中，由于失去了側向基坑土體提供的約束力，可能會在工程施工過程中的擾動或震動下，以及地下水滲流及降水的影響下，產生土體脫落或者小范圍土體垮塌的現象，從而形成一些影響基坑穩定性的孔洞[3]。

為了避免這種現象的發生，需要在樁前設置一層錨網噴組合結構作為樁間防護面，來保護樁間土體。同時，防護面層中的掛網鋼筋植入樁體中，還在樁間增設一定數量的錨桿，使得這種組合結構具有一定的剛度，同時也增強了排樁之間的整體性。而且，樁前設置的防護面層，又具有一定的止水防滲作用，在一定程度上能降低地下水對基坑穩定性的不利影響。

3 工程應用

3.1 工程概況

隧址區屬高中山剝蝕地貌，兩側橫向溝谷發育，地形起伏較大。明洞段地勢較平緩，線路在中間有40 m長隧道洞身下穿國道公路。

3.2 地質概況

3.3 工程優化設計方案

3.3.1抗滑樁方案優化

隧道明洞開挖過程中，隧道進口端段原設置66根預加固樁防護，均為人工挖孔樁，樁長22 m～27 m，根據已開挖揭示的1號、23號、35號、66號樁實際情況，開挖樁設置段落地層為卵石土，地下水位較高，抽水困難，預加固樁開挖存在一定的安全風險。結合現場人工挖孔樁揭示情況及周圍施工環境，將人工挖孔樁改為灌注樁加預應力錨索。樁間錨網噴防護的組合支護方式。

與人工挖孔樁相比，鉆孔灌注樁更適合現場地質條件復雜，地下水較為豐富的情況。同時，也能降低現場人工開挖帶來的安全隱患。而且，鉆孔灌注樁的施工工期相對更短，在下穿國道公路施工中，能夠加快施工速度，減小對交通的影響。

除了國道公路外，線路右側還有400 mm玻纖供水管線，施工區位于國家級風景名勝區外圍保護范圍，地形地質條件復雜，生態脆弱。在施工過程中需要密切注意土體變形對周圍環境的影響。因此基坑支護方案的選擇顯得十分重要。

3.3.2組合支護方式優化

在基坑開挖中，常用的組合支護方式有地下連續墻加內支撐、放坡開挖加錨網噴防護以及排樁加預應力錨索等。地下連續墻加內支撐的支護方式雖然支護能力更強，基坑變形更小，但造價也更高。同時也限制了基坑內的作業，不適合本工程明洞隧道施工的情況。而放坡開挖加錨網噴支護的方式雖然造價更低，施工較為簡單。但是不太適合地形地質條件復雜，地下水較為豐富的大型深基坑。大面積的放坡開挖也會對土體產生嚴重的擾動，影響周圍管線，破壞生態。因此綜合考慮，采用預應力錨索抗滑樁與樁間錨網噴防護的“樁—索—錨網噴”組合支護形式。預應力錨索的施加，不僅能夠改變抗滑樁受力狀態，一定程度上減少了材料用量，降低造價，同時還能減小土體變形。錨索施工也較便捷，能加快施工進度，降低施工對國道公路交通的影響。另外，抗滑樁之間通過冠梁及腰梁連接，增強了排樁的整體性，提升了強度。

下面將通過有限元軟件Midas/GTX NX模擬基坑開挖施工過程，驗證“樁—索—錨網噴”組合支護結構在隧道明洞開挖中的支護能力。

4 有限元模擬

4.1 模型概況

明洞開挖段共225 m長。基坑在縱向上的尺寸遠遠大于基坑在橫斷面上的尺寸，且基坑橫斷面尺寸在縱向上無較大的變化，屬于平面應變問題，同時外力可近似認為平行于橫截面作用且沿縱向無變化。并結合現場分段開挖的施工方案，確定所模擬基坑開挖的縱向長度為60 m。一般來說，基坑開挖的影響范圍為3倍～5倍基坑開挖深度，明洞開挖段基坑平均深度大約為15 m，從而確定模型豎向尺寸為50 m，平面尺寸為70 m×60 m，見圖3。

其中，排樁的受力機理在承受彎矩方面與地下連續墻相似，而且在排樁采用冠梁及腰梁連接，樁間防護面的存在也在一定程度上增強了排樁的整體性，因此在有限元模擬中，將排樁等效為地下連續墻。地下連續墻的厚度采用以下公式計算[4]：

其中，h為地下連續墻的厚度；D為樁直徑，1.5 m;t為樁的凈間距，1.5 m，算得地下連續墻厚度約為1 m。

模型中，第一層土體粉質黏土約為3.5 m，第二層卵石土為15 m，第三層土碎石土為18 m，第四層炭質板巖厚13.5 m基坑土體分四次開挖，分層高度分別為3.5 m，3.5 m，4 m，4 m。材料屬性參考現場勘察報告及《工程地質手冊》，取值如表1所示。

表1 模型物理力學參數取值

4.2 有限元數值分析結果

模型將基坑開挖過程模擬為六個施工階段，第一個階段為初始應力分析，第二個階段埋設與排樁剛度等效的地下連續墻，兩個施工階段都進行位移清零操作。剩余四個施工階段依次開挖劃分好的四層基坑土體。錨索布置分別在第一、第二層基坑土體開挖后進行。

基坑側壁的水平位移變化情況能較為直觀的判斷基坑的穩定性，因此，從數值模擬結果中選取基坑水平位移部分，來對“樁—索—錨網噴”組合支護體系的實際工程應用效果作出一個評價。

基坑側壁水平位移最大值同樣發生在基坑開挖的最后一個階段，側壁頂部及坑底均有較大位移，基坑側壁頂部水平位移最大，為5.3 mm，底部位移較小，為3.8 mm，方向均朝向基坑內側。圖4～圖7為基坑側壁在不同開挖深度時的水平位移，水平位移以朝向基坑內側為正值，朝向基坑外側為負值。由于模型左右對稱，因此基坑兩側壁受力及變形可視為基本一致。

4.3 數值模擬結果說明

從不同開挖深度的基坑側壁水平位移變化曲線圖可以看出基坑側壁在頂部和底部均有較大的水平位移，方向分別為背離基坑和朝向基坑，而且開挖11 m之前其水平位移值均為水平位移的最大值。一方面是預應力的施加，會使排樁受到拉力，對樁外的土體產生一定的擠壓力，使其有向著基坑外側運動的趨勢。另外有可能是由于坑底土體隆起引起的。

坑底隆起主要是因為隨著上部土體開挖卸荷，坑底土體的受力不平衡產生的。還可能是因為模型中地下連續墻體在坑底嵌固的部分，受到基坑外側土體較大的擠壓力，而擠壓基坑內側土體引起的基坑隆起[5]。四層土體開挖后引起的坑底隆起最大值分別為：16.5 mm,48.8 mm,33.2 mm,57.2 mm。坑底隆起必然會造成周圍土體的移動，從而使基坑側壁產生背離基坑方向的變形[6]。大致趨勢是離基坑底越大，這種水平變形就越大。同時，也會使坑底周圍土體產生朝向基坑方向的水平移動，從而引起基坑側壁的變形。

而在開挖11 m及開挖15 m深度的水平位移變化曲線上，由于開挖深度較大，基坑外的土體對基坑內的側壓力越來越大，所引起的基坑側壁水平位移也越明顯。從圖中可以看出，基坑側壁朝向基坑內側的變形在開挖段中部明顯增大。

有限元分析結果表明，采用“樁—索—錨網噴”組合支護體系進行明洞深基坑開挖，能使基坑側壁的水平位移控制在較小的范圍內，能夠滿足安全施工的需要。“樁—索—錨網噴”組合支護結構具有較強的支護能力，能較好地保持基坑開挖的穩定性。

5 結語

因為預應力錨索的施加，改變了抗滑樁的受力狀態，使抗滑樁的內力分布更為合理，從而使預應力錨索抗滑樁能夠起到減小基坑開挖變形、節約材料的作用，通過實際工程，也進一步說明其具有安全、經濟、受力合理，便于施工的特點。而樁間錨網噴防護除了能夠保護樁間土體，防止其形成孔洞影響基坑施工安全外，還能在一定程度上起到增強組合支護結構整體性的作用，有利于基坑穩定。通過有限元模擬分析，也驗證了“樁—索—錨網噴”組合支護結構在明洞深基坑開挖中具有較強的支護能力。