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摘 要：锚索、锚杆为基坑工程常见的施工工艺，其施工对周边的地铁结构影响较大。全国范围内曾发生多起由锚索、锚杆及土钉施工引起的地铁安全事故。本文通过工程特例对其进行分析总结，以更好地对邻近地铁结构的基坑工程管控作为范例借鉴。
关键词：锚杆；锚索；基坑
1、锚索、锚杆工艺概述
众所周知，“桩(墙)+撑”和“桩(墙)+锚”是目前深基坑工程中两种应用广泛的强力式支护型式，在控制基坑稳定方面二者都发挥了出色的和可靠的作用。近年来，随着城市建筑、市政道路、地下空间等开发利用的进一步发展，新建基坑周边条件更加复杂、更加困难，除要求安全稳定外，往往还须结合周边环境的变形要求。
1.1 锚索
锚索是通过外端固定于坡面，另一端锚固在滑动面以内的稳定岩体中穿过边坡滑动面的预应力钢绞线，直接在滑面上产生抗滑阻力，增大抗滑摩擦阻力，使结构面处于压紧状态，以提高边坡岩体的整体性，从而从根本上改善岩体的力学性能，有效地控制岩体的位移，促使其稳定，达到整治顺层、滑坡及危岩、危石的目的。
1.2 锚杆
锚杆是用于工程技术中，可以对边坡、隧道、坝体进行主体加固。
作用原理：锚杆作为深入地层的受拉构件，它一端与工程构筑物连接，另一端深入地层中，整根锚杆分为自由段和锚固段，自由段是指将锚杆头处的拉力传至锚固体的区域，其功能是对锚杆施加预应力；锚固段是指水泥浆体将预应力筋与土层粘结的区域，其功能是将锚固体与土层的粘结摩擦作用增大，增加锚固体的承压作用，将自由段的拉力传至土体深处。
1.3 内支撑体系与锚杆（锚索）体系的区别
“支护桩(墙)+内支撑”支护在确保基坑稳定和控制周边变形方面的作用是显著的，但也存在着一些明显的缺点，主要表现在:①土方开挖相对比较困难，效率低，特别是在一些小而深的超深基坑中，一个几千平方米的基坑，深度超过20 m，布置4～5道水平支撑，出土坡道布置非常困难；②基坑深层变形控制存在薄弱环节和不利因素，例如:支撑竖向间距较大，支撑结构和施工较复杂，造成土方开挖、支撑施作时间长;支撑施作过程中基坑暴露范围大，难以实施分段控制变形；拆撑还会造成附加变形；③地下室结构施工工序多，速度慢；④工程造价较高。
“支护桩(墙) +锚索”的优缺点正好相反，它克服了“支护桩(墙)+内支撑”支护方式的上述缺点，但也存在着两个明显的不足:①对基坑顶部周边变形控制能力相对较弱，对变形要求严格的工程难以胜任；②对软弱地层和布有管道、基础、构筑物的地层使用受限制。
根据多年的工程实践经验，从深基坑工程实际需要出发，在工程中尝试采用“支护桩(墙)+内支撑+锚索”联合支护技术。这种支护体系是将上述两种实用技术结合起来，强强联合，取长补短，从而达到安全可靠、方便施工、加快施工速度、合理控制工程造价的综合效果。
1.4适用条件
（1）环境条件
“支护桩(墙)+内支撑+锚索”支护方式对基坑周边环境条件无特殊限制，凡是可以采用“支护桩(墙)+内支撑”或“支护桩(墙) +锚索”的基坑，“支护桩(墙)+内支撑+锚索”支护均可使用，而且其综合优越性会比二者更加突出。
（2）工程地质条件
“支护桩(墙)+内支撑+锚索”支护方式对地层条件的要求是:锚杆锚固段所处地层要能够提供可靠的锚固作用，如果基坑中下部有厚层淤泥、淤泥质土或新近填土，一般不宜采用。但应说明，厚层砂层并不影响使用，上部的软弱土层也不影响其应用。
图1 该工程基坑总平面
(3)基坑深度
适于“支护桩(墙)+内支撑+锚索”支护方式的基坑深度与周边环境条件和工程地质条件有关，既有工程已有20 m深的使用实例，更多的经验尚待进一步实践和积累。一般认为，对于基坑深度在15～20 m，且周边环境比较复杂的基坑，采用“一道水平支撑+多道预应力锚索”联合支护最为适宜。对于深度超过20 m的基坑，可根据地质条件灵活决定:如果基岩已经露头，那么下部可继续使用预应力锚索或喷锚支护；如果基岩较深，则可考虑采用二道支撑(顶部一道，下部一道)加多排预应力锚索的支护方案。“支护桩(墙)+内支撑+锚索”支护体系中，支撑立柱的安全要满足规范和计算要求。
2、工程实例
2.1 项目概况
某研发中心项目位于萝岗开创大道南侧、开达路西侧地块。该项目规划地上为8～20层（裙楼1～2层）酒店及办公楼，设地下室2层。该项目邻近地铁的基坑北侧开挖深度约为11.5m，采用明挖法施工。邻近地铁的基坑北侧E-F段剖面采用“φ1000@1200旋挖桩+二道预应力锚索”支护形式，F-G、H-I段剖面采用“放坡+φ1000@1200旋挖桩+二道预应力锚索”支护形式，G-H段剖面采用“放坡+φ1200@1400旋挖桩+二道钢筋混凝土内支撑”支护形式。该项目基坑支护桩、基础桩、锚索外边线与地铁车站A出入口结构外边线的最小水平净距分别约为10m、12.8m、17.9m。
2.2 基坑工程对地铁结构影响分析
由于工程临近己投入使用的地铁出入口，对其影响大，主要体现在以下两个方面:
(1)由于基坑开挖卸载，出入口周边土压力分布发生变化，结构的内力及变形可能超限，对地铁结构的正常运营会产生较大的风险。
(2)支护方案初步定为桩+锚索，而锚索对地铁出入口基底下方土层扰动，地基土中应力发生改变，可能会导致出入口结构出现差异沉降、裂缝等，影响后期正常使用。锚索部分处于砂层，有出现塌孔及涌砂的风险，进而会引起临近地铁结构的沉降甚至损坏。锚头空间受力失效后，基坑的安全性将不能保证。
2.2.1数值计算方法
数值分析中土体采用了摩尔一库仑理想弹塑性本构模型。有限差分法软件中的摩尔一库仑本构模型屈服破坏面包含拉伸破坏和压剪破坏两部分，当压缩破坏时，满足非关联的流动法则;当拉伸破坏时，满足相关联的流动法则。压剪屈服破坏函数描绘破坏包络线f=0，即:
拉伸屈服函数与塑性函数满足相关联流动性法则：
2.2.2数值模型与参数确定
参照以往类似工程岩土有限元分析的实例，本项目模型大小按如下原则选取:
a.既有地铁出入口以南，取基坑开挖边界以外2倍开挖深度；
b.由于地铁车站主体结构及区间隧道结构距离基坑较远，故模型只反映地铁出入口；
c.由于基坑范围较大，只对有可能对地铁结构造成影响区域外扩2倍基坑深度范围进行建模；
d.沿深度方向，取地铁车站底2倍开挖深度。
2.2.3计算结果分析
在建立数值计算模型后对输入土体参数，首先得到初始应力场的分布；再对地铁出入口的施工过程进行模拟，确定后续基坑工程开挖前土体和结构的应力分布情况。再动态的模拟基坑动态施工，进而对地铁结构和运营安全进行评判。得出结论如下:
a.三维有限元软件模拟显示，基坑靠近地铁出入口结构双排围护桩最大水平位移约为10 mm，地表沉降最大约为7 mm。
b.三维有限元软件模拟结果，出入口结构最大水平变形为1.99 mm，最大竖向沉降为3mm。
c.出入口爬坡段最大差异沉降约为4mm，最大差异侧向位移约为5mm。
根据分析结果，我们可以认为此深基坑工程开挖过程中地铁出入口结构变形满足规定要求，工程施工过程中地铁结构是安全稳定的。但是锚索施工对地铁结构风险仍然较大，首先，锚索施工精度控制不良，钻孔过程中损坏地铁结构；其次，锚固端锚固质量不良，导致锚索中的拉力不符合要求，影响基坑稳定；最后，锚索易受锈蚀影响，周边地层含水量高会加速锚索锈蚀速度，导致锚索受损，影响基坑支护稳定。
2.3保证地铁出入口安全的辅助措施
虽然分析结果显示该基坑支护工程对地铁结构的影响符合要求，但是基坑支护中的锚索施工对地铁的风险仍然非常大，为进一步减少施工对地铁结构的影响，特提出以下施工建议:(1）深基坑施工时采用信息化施工，施工过程中需加强对基坑支护、周边环境及近邻地铁结构的变形监测工作，应在地铁结构内布置监测点，密切关注地铁结构的状态，并根据监测情况对施工方案及时进行针对性的
调整。应对地铁出入口自动扶梯处加密布置监测点，加强监测，确保其运营安全。必要时应停止该出入口自动扶梯的使用。
(2)锚索施工前，须按设计方案进行布置，不得擅自变更钻孔位置、角度及深度。
(3) 基坑工程须连续施工，尽快回填，减少锚索使用时间。
(4)须保证锚索的材料质量，并做好防锈蚀处理。
(5)加密邻近地铁侧基坑的土体侧向变形监测点布置，基坑施工过程中，应保证止水帷幕的整体有效性，严格控制基坑外水位，不得大量抽排地下水，减少降水对地铁周边地层的影响。
（6）应做好应急预案的编制，建议定期演练，以应对各种危及地铁结构的突发情况；当观察发现外界施工围护结构或周边区域出现塌陷、滑坡，或地铁结构出现鼓出、裂缝(发展)、新增渗漏水、扶梯无法使用等异常情况时，应及时上报并按应急预案采取措施。当基坑邻近地铁部分出现设计方案变更或基坑工程出现重大事故时应及时采取针对性的措施，并对地铁结构的安全状态进行重新评估。
3、结论与建议
本论文经过计算、分析，认为该基坑工程采用的“φ1000@1200旋挖桩+二道预应力锚索”支护方式能保证施工过程中地铁结构是安全稳定的。但是我们同时须看到锚索施工对地铁结构风险仍然较大，首先，锚索施工精度控制不良，钻孔过程中损坏地铁结构；其次，锚固端锚固质量不良，导致锚索中的拉力不符合要求，影响基坑稳定；最后，周边地层含水量高会加速锚索锈蚀速度，导致锚索受损，影响基坑支护稳定。针对以上风险，我们通过有针对性的管控措施可以有效地保证邻近的地铁结构安全。所以在特定条件下，采用“桩/墙+锚索”的支护方式既能保证地铁结构安全，又能节省工程费用。
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论文作者:丁德高
论文发表刊物:《防护工程》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/26
标签：基坑论文; 地铁论文; 结构论文; 出入口论文; 锚固论文; 工程论文; 预应力论文; 《防护工程》2018年第32期论文;