喷锚网支护技术

喷锚网支护技术及在广州地区的应用

一、工作原理
基坑喷锚网支护结构属于土体原位加筋技术，配合机械开挖，采用下行式短台阶下挖方式施工。通过在边坡设置高密度小尺寸锚杆群，配合面层钢筋砼结构组成轻型支护挡土体系。设计上是以锚杆力逐段分块平衡土压力，在密集锚杆的拉结下，把潜在滑裂面前的主动土压力区复合土体加固为具有自撑能力的稳定土体。稳定性验算是视锚杆加筋土体为重力式挡土墙，支撑外缘未加锚土体的侧压力，确保边坡整体稳定性。

喷锚网的锚杆以高密度的方式布设，与边坡土体牢固结合而共同工作，将主动区分块段土压作为分散荷载传至破裂面后的稳定区内，群锚在复合土体中起着箍束骨架作用，提高了土坡的抗剪力和整体刚度。坡面面层结构是两层喷射砼夹双层钢筋网，并用加强筋和锚头牢固焊结，由于主动区土压力的大部分被密集锚杆黏结力所牵制吸纳抵消，使锚喷网面层已不是受力构件，而是面层土压力传力构件，仅仅起保证局部土体稳定、不受风化侵蚀的作用。与预应力锚杆不同，喷锚网不设自由段，全长注浆，抗剪切性能好。一般不加预应力，要求产生有限位移才出现摩擦力。这个意义上可称为柔性支护结构，可使土压按平衡原理进行再分配调整，试验表明位移量4～13mm已使摩擦力发挥到最高点。每条锚杆支撑边坡面积一般为1.2m2～2.5m2，故设计单根锚固力一般不超过100～120KN，即使某个单元失效，后果并不严重。而预应力锚杆，一般设计值均超过200KN，故锚头的锚定处理要非常牢固。当喷锚网支护面贴近重要建筑物或在抢险工程中为了控制位移两必须在喷锚网中设定若干预应力锚杆或锚索，这部分设计和施工均应按土层锚杆技术规程进行。

喷锚网支护起源于隧道矿山井巷支护，随着施工工艺的进步，广泛采用超前锚杆、超前高压注浆锚管，以及注浆锚管棚架等，配合各类止水唯幕，采用联合支护结构，其适用性几乎推广到大多数地层条件。具有施工快捷、设备轻便、造价较低、位移较小施工安全等优点，并在过程中按土质情况及时完全调整设计，做到信息化施工管理，，但对水流侵蚀抵御能力差，水、流砂能使群锚整体失效。

二、设计要点
喷锚网支护设计参数主要是确定锚杆密度、锚杆长度和材质、止水措施、喷锚网面层结构、以及整体稳定性验算等。决定这些参数的主要因素是开挖深度、工程水文地质条件、地面荷载、邻近建筑物以及地下管线等。

一般土层基坑喷锚网支护设计经验参数为：
群锚布设纵横间距：Sx（Sy）=1.1m～1.5m，前者为软弱土层，后者为硬塑土层。群锚钻孔直径d孔视乎选择适合土层的成孔施工方法，一般可硬塑土层选择钻孔锚杆，d孔=0.11～0.13m，采用钻进成孔，一般水下软弱土层选择注浆锚管d=φ48～φ60钢管，采用打入式成锚，一般岩石采用气动冲击成孔或钻进成孔，d孔=76mm～110mm，且在中风化以上岩层成孔深度不宜超过5米。但对裸露岩坡，必须用群锚牢固拉结岩层层面，节理裂隙面。锚杆倾角一般以12°～15°为宜，除非具备有效的压力注浆止浆塞工艺，锚孔倾角不宜小于8°。为避开地下障碍物或上层软弱土，倾角可加大到35°。锚杆长度在基坑上部一般为L=1.2H～1.6H（H为基坑开挖深度），前者适用工程水文条件较好的基坑，后者适用土质差、水位高周边常有动载的基坑。接近基坑底层的锚杆长度通常只有上层锚杆的0.5～0.7倍，呈倒梯形分布（与土压力强度分布相反）。因为尽管表层土压力小，但通常土质较差，雨水和外荷交替作用，锚固黏结力相对较差且较易破坏丧失，尽量布设较长锚杆可减少位移量，限制裂缝的出现，对安全施工至关重要。对紧临道路和建筑物的基坑，首排锚杆最好施加30%的预应力锁定。

锚筋材料强度要与锚固力设计值相匹配，由于采用高密度锚杆，多数锚筋材料为φ25～φ28钢筋或φ48注浆锚管，除非特别设置的预应力锚杆才采用更高强度的材料。注浆一般采用水灰比0.4～0.5的纯水泥浆，强度等级不低于M20。

面层结构包括二次喷射C20～C30强度等级细石砼，厚度为10～16cm，中间夹有两层钢筋网：φ6～φ8200～300的绑扎网和焊接锚头的φ14～16加强筋网。

三、设计计算的几个问题
土压力分布：喷锚网设计意图是用锚杆锚固力分段平衡土压力，施工是逐级下挖支护，实测证明边坡面层上土压力分布与传统库轮理论不同， 山西王步云在10.2m高的均质土坡中，用P～Y模型试验实测土压力分布，[P（侧压力）=K11（地基水平基床系数）×Y（坡面结构挠度）]，原位试验表明土压力强度逐渐递增至开挖高度一半以后，不再增加（见图1，图2）。
即eai=me×K×r×hi；
当hi＜H/2时，取hi=h；
当h＞H/2时，取hi=H/2；
eai—主动土压力强度；
me=1.1～1.2工程条件系数；
r—土密度；
h—坡高度；
H—基坑深度；
K=1/2（K0＋Ka）介乎静止土压力和主动土压力之间的侧压力系数。
K0=1-Sinψ，Ka=tg2（45°-ψ/2）；
ψ—等值内摩擦角。
若有地下水和地面堆载q，则水压不能折减
eai=me×K×(r’×hi+q)+rw×h水
以上理论是在均质土层中实测所得，而自然土层通常都是深层土强度优于表层，按上式计算土压力是安
全的。
①库伦主动土压力；
②实测土压力；
③简化计算土压力。
潜在滑裂面形式：经喷锚网支护处理的均质土坡面，采用足尺监测试验，证明其破坏滑裂面不同于库伦
破裂面（按45°+ψ/2）发展，也不同于有限元分析得出的对数螺线滑裂面，原位试验证明：挖深度为H的基
坑破裂面在0.75H以上为一垂直平面，离开坡面距离为0.3H，而在坑底0.25H一段则是一个倾角约40°的圆弧
滑动面。多数破坏形式为沿破裂面滑移上挫，上段溜塌下段呈舌弧外突，锚杆与土层之间出现塑行流动，锚
杆或者拔出破坏，或者弯曲下挫，甚少面层结构脱落。在设计计算锚固力时，可取锚杆前段0.3H长度为潜在
主动滑以区，不计算锚固力（见图3、图4）。
①库伦破裂面
②有限元法所得破裂面
③实测破裂面
锚杆锚固力设计。目前主要依据有两本规范：①岩土工程勘察规范（GB50021-94）；②土层锚杆设计与
施工规范（CECS22:90）。前者对砂层锚杆计算要考虑上覆有效土压力，对粘性土则利用不排水抗剪强度来计
算界面摩擦力。后者则是按各类土层界面黏结强度（推荐经验值）来计算锚杆界面摩擦力。笔者认为4米高度
以上应采用①规范计算锚固力，4米以下则应该采用②规范计算锚固力，部分抗剪试验资料表明深4～10米的
锚固力主要决定于土层黏结力，而与上覆土压力无明显相关关系。但是实际设计中深4米以上的锚杆设计，如
前所述主要是安全构造设计，规定锚长为1.2H～1.6H是安全的需要，其锚固力远高于浅层抗衡土压力的需
要。
一般锚杆轴向拉力设计值Rt=∏×d×gs×Ls
d—锚固体直径
gs—土的锚孔界面黏结强度
Ls—锚固体有效长度
钢筋强度要与锚固力相适应设计截面积为At=Rt/fptk
式中fptk—钢筋、钢绞线强度标准值
喷锚网内部稳定分析
1) 锚固力极限状态
∏×d×gs×Ls/ea×Sx×Sy≥1.4（临）～1.8（永）
Sx×Sy：锚杆纵横间距
ea：主动土压力强度
2) 锚筋抗断裂极限状态
At×fptk/ea×Sx×Sy≥1.3～1.5
At×fptk—锚筋抗拉强度标准值
3) 面层配筋砼板强度抵御水压力验算（略）
外部稳定性验算
在保证内部稳定和整体黏结的条件下，喷锚体结构可视为重力式挡土墙。
1） 抗滑动验算
Kg=∑Rt/∑Ea≥1.3～1.5
2） 抗倾覆验算
Km=∑Rt×ht/∑Ea×ha≥1.3
3） 抗涌淤砂验算
Fs=Mr（抵抗矩）/Md（滑动矩）≥1.5
Mr=R×∫∏SudR=R2×∏×Cu
Cu—十字板剪切测试土饱和不排水抗剪强度
R—涌淤滑动体转动验算半径
Md=W×R/2=（r×H×R/2）×R/2=R2/4×r×H
试验监测要求：
1) 抽检锚杆数1%进行现场抗拔试验。
2) 水平位移和竖向沉降观测的设置。
此外，整个设计过程要将防水止水措施放在首要地位周详考虑