喷锚支护技术在呈贡雨花片区红粘土边坡支护中的应用
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摘要：本技术拟应用在新建云大教职工住宅小区“天水嘉园”工程上，本文站在建设方的立场，从经济、安全、雨季可实施性、边坡形成后支护要点等方面，通过方案的选择对比，选择了高边坡喷锚支护技术对该项目地下室工程开挖后形成的高边坡进行支护，达到经济合理，安全可靠的目的。
关键词：红粘土高边坡 支护方案选择与设计
一、工程概况
“天水嘉园”住宅小区，项目位于昆明市呈贡新城西南的位于雨花片区的东南部，规划用地23.54公顷（353.11亩）,实际用地19.95公顷(299.26亩)，长约540米，宽约440米。由于现场工期紧，任务重，场地已经进行了大面积的土方开挖以及地下室土方的开挖，在场地中央形成了面积约45000平方米的大型基坑，基坑坑壁高度3－10米不等。
二、工程地基土质情况
（一）地形、地貌
建设场地位于昆明呈贡新区雨花片区，建筑场地属新建工程，经过场地三通一平工程后，现场场地呈台状，场地地形高差较大，最大高差16米，场地北面是雨花片区4＃地块，西北面为云南民族大学呈贡新校区，东南面和西南面均为果园。场地周围均无永久性建筑物。
（二）、水文地质条件
场地地处北暖温带夏雨季风气候区，每年6月至10月为雨季，对基础施工较为不利，场地在基坑开挖至设计地下室底标高后，未发现有地下水。
三、支护方案的选择
拟建场地位于昆明市雨花片区基坑周围没有永久性建筑物，场地条件利于施工，但场地四周规划道路均未施工至场地周边，现仅能依靠通向万溪冲的乡村公路作为主要交通运输路线，场地内布置临时施工道路。根据《岩土工程勘察报告》提供的土质情况及现场条件本着安全可靠，技术可行，经济节约的原则选择支护方案。
1、从安全性角度，因场地内高差较大，四周交通条件较差，场地内必须留设环形施工临时道路，加之群体建筑间间距较小，地下室基坑开挖不具备放坡条件。因场地地质条件较好，故支护可采用柔性支护，主要用于防止雨水冲蚀，造成边坡的塌陷。
2、因工期较紧的因素，在雨季到来之前，基坑土方已施工完毕，选用的方案必须考虑技术可实施性。
3、开挖时，边坡放坡度为1：05，达不到《岩土工程勘察报告》的建议放坡值1：1.5。
4、该支护体量较大，经济性也是支护方案选择的又一重要指标
综上原因，经相关人员的认真研究与讨论，决定采用喷锚支护作为边坡支护方案
四、基坑支护方案的设计
1、基坑支护设计
喷锚支护计算
（1）．喷锚支护设计参数选取
A．坑边外加荷载：取坑边外加施工堆载为20KN／m2。
B．基坑侧壁安全等级为二级，重要性系数γ0＝1.0。
C．现场地高差落差较大开挖深度5~10米不等，根据场地地形特征,地质情况,采用喷锚支护进行边坡支护,并根据不同情况对支护体系进行了划分，共设5个剖面。并对各个剖面作出了不同的支护措确保边坡安全、稳定。打入锚杆长度分别为3~10米，倾角15度。
D．根据《岩土工程勘察报告》，基坑开挖深度范围内各土层物理力学参数取值如下：
集合场地边坡的开挖条件，经地勘、设计现场认定，确定该边坡涉及土层主要为23-144-a4-b 土层。因为圆砾层分布不均匀，故计算中不考虑。根据地勘各土层特征描述，该基坑只需计算红粘土层，粘土层及红粘土层三个土层。
(2)支护计算方法如下：
以边坡高度为10米的剖面为例进行计算
A.基本参数：
侧壁安全级别：二级
基坑开挖深度h(m)：10.000；
土钉墙计算宽度b'(m)：13.00；
土体的滑动摩擦系数按照tanφ计算，φ为坡角水平面所在土层内的内摩擦角；
条分方法：费伦纽斯法；
条分块数：20；
不考虑地下水位影响；
B、土钉(含锚杆)抗拉承载力的计算:
单根土钉受拉承载力计算，根据《规范》JGJ 120-99，
1、其中土钉受拉承载力标准值Tjk按以下公式计算：
其中 ζ --荷载折减系数
eajk --土钉的水平荷载
sxj、szj --土钉之间的水平与垂直距离
aj --土钉与水平面的夹角
ζ按下式计算：
其中 β--土钉墙坡面与水平面的夹角。
φ--土的内摩擦角
eajk按根据土力学按照下式计算：
2、土钉抗拉承载力设计值Tuj按照下式计算
其中dnj --土钉的直径。
γs --土钉的抗拉力分项系数，取1.3
qsik --土与土钉的摩擦阻力。根据JGJ120-99 表6.1.4和表4.4.3选取。
li --土钉在土体破裂面外的长度。
C、土钉墙整体稳定性的计算:
根据《规程》JGJ 120-99要求，土钉墙应根据施工期间不同开挖深度及基坑底面以下可能滑动面采用圆弧滑动简单条分法如下图，按照下式进行整体稳定性验算：
公式中：
n --滑动体条分数
m --滑动体内土钉数
γk --滑动体分项系数，取1.3
γ0 --基坑侧壁重要系数；
wi --第i条土重；
bi --第i分条宽度；
cik --第i条滑土裂面处土体粘结力；
φik --第i条滑土裂面处土体的内摩擦角；
θi --第i条土滑裂面处中点切线与平面夹角；
αj --土钉与水平面之间的夹角；
Li --第i条土滑裂面的弧长；
S --计算滑动体单元厚度，即第i条土条平均高度hi；
Tnj --第j根土钉在圆弧滑裂面外锚固与土体的极限抗拉力，按下式计算。
lnj --第j根土钉在圆弧滑裂面外穿越第i层稳定土体内的长度
把各参数代入上面的公式，进行计算
可得到如下结果：
第 1 步开挖内部整体稳定性安全系数 Fs= 1.646>1.30满足要求! [标高 -1.500 m]
第 2 步开挖内部整体稳定性安全系数 Fs= 1.370>1.30满足要求! [标高 -3.000 m]
第 3 步开挖内部整体稳定性安全系数 Fs= 1.365>1.30满足要求! [标高 -4.500m ]
第 4 步开挖内部整体稳定性安全系数 Fs= 1.357>1.30满足要求! [标高 -6.000m ]
第 5 步开挖内部整体稳定性安全系数 Fs= 1.349>1.30满足要求! [标高 -7.500m ]
第 6 步开挖内部整体稳定性安全系数 Fs= 1.321>1.30满足要求! [标高 -9.000m ]
第 7 步开挖内部整体稳定性安全系数 Fs= 1.312>1.30满足要求! [标高 -10.000m ]
D、抗滑动及抗倾覆稳定性验算
(1)抗滑动稳定性验算
抗滑动安全系数按下式计算：
式中，Eah为主动土压力的水平分量(kN)；
f'为墙底的抗滑阻力(kN)，由下式计算求得：
μ为土体的滑动摩擦系数；
W为所计算土体自重(kN)
q为坡顶面荷载(kN/m2)；
Ba为荷载长度；
Sv为计算墙体的厚度，取土钉的一个水平间距进行计算
1级坡：KH=1.36>1.3，满足要求！
(2)抗倾覆稳定性验算
抗倾覆安全系数按以下公式计算：
式中，MG--由墙体自重和地面荷载产生的抗倾覆力矩，由下式确定
其中，W为所计算土体自重(kN)
其中，q为坡顶面荷载(kN/m2)
Bc为土体重心至o点的水平距离；
Ba为荷载在B范围内长度；
b为荷载距基坑边线长度；
B'为土钉墙计算宽度；
ME--由主动土压力产生的倾覆力矩，由下式确定
其中，Eah为主动土压力的水平分量（kN）；
lh为主动土压力水平分量的合力点至通过墙趾o水平面的垂直距离。
1级坡：KQ=73.78>1.5，满足要求！
2、边坡止水方案的选择
依据地勘质料揭示以及勘察期间至现场了解的情况，本边坡坡底未见地下水位，水位处于坡底以下。开挖临空面内土层均为微渗水，综合考虑场地工程地质水文地质条件及基坑周边环境条等工程特性，从安全经济的角度出发，对拟开挖坡底降排水采用坑内积降水井、排水沟汇集排水的排水方案。
坑顶设500×500地面截水沟，坑底从护壁面设500×300基底排水盲沟与直径1m深1.5m积降水井汇集排水。积水井可采用预制砼井圈，壁面设泄水花眼孔。必须保证基坑开挖施工过程中及开挖至基底后不得有积水现像。排水沟排水坡度不小于3%。基坑开挖成形后在基底设置排水盲沟，防止基底积水影响主体工程施工。坑顶截水沟外侧用100mm厚C15细石砼封闭，防止地表水渗入侧壁土层后改变土体原状性影响边坡稳定,其宽度不宜小于4米。
五、施工技术要求
喷锚支护技术要求
l、支护工作面开挖出后，应及时进行支护。以当天能完成工作量为准。
2、顶部及第一排锚杆护壁喷射砼后应设置沉降位移观测点，并根据其反馈的信息及时调整各项施工参数。
3、施工前查明基坑周边的地下市政给排水、电缆、通讯、煤气等管网，可先人工洛阳铲探明情况后再机械施工。
4、因边坡开挖已经完成，施工时必须搭设脚手架，其高度应与边坡高度相当，宽度不得小于操作半径，既不小于8米宽度，操作面上人部位铺设50板，确保施工安全及满足工期。
5、修坡
①喷锚工作面已开挖，进行修坡须搭设脚手架，以便于钢筋网片制安及喷射砼及时封闭坑壁土体。
②每层工作面高度，坡度及直角底线应接受有关人员的检查，严格控制锚杆击入垂直深度，控制在1.5～1.7m范围。
③坡面应修得大体平整，表面无浮土，应掏出上层工作面的钢筋。
6、挂网
①钢筋网应先调直，可做成半成品或现场绑扎，其间距应均匀。
②钢筋网距坑壁土体≥30mm
③基坑压顶的钢筋网需与坑壁网片边成一体。
7、喷射砼面层
设计强度C20，配合比：水泥：砂：瓜子石=1：2：2，
①采用空压机气动输送利用机械喷射。
②采用干料输送至喷头处与水混合后，再喷射到工作表面上。
③喷头应垂直于工作面，由下至上从左到右的水平喷射，并根据反弹情况调整喷射距离及水灰比。
④喷射砼面层应大致平整、无表面露筋现象，喷射砼下角接头处应预留200－300mm，以便下道钢筋网搭接工序的施工。
8、锚杆施工
①严格按施工方案所设计的锚杆长度和间距施工。锚杆击入角度为15~20度，最大倾角不超过25度，锚杆水平间距最大误差小于10CM。因施工须在脚手架上完成，施工过程中应加强安全管理力度。
②根据位移沉降的反馈信息，及时调整锚杆长度、间距。
③锚杆制作、待现场及甲方有关人员检查合格后方能进行击入土体的施工，用空气锤(锚杆机)直接击入。
④锚杆采用绑条焊接，钢筋直径为Φ14，长度≥10d，三根对称焊接，且必须保证焊接质量，钢筋锚杆采用搭接焊。
⑤锚杆角度应控制好。
⑥为保证和提高注浆效果，锚杆尾部应设止浆袋。
⑦锚杆尾部外露部份均与Φ14加强筋电焊联接。
9、注浆
①第一排锚杆注浆水灰比应稍小，并注意注浆压力，防止地面隆起，其压力应控制在0．3―0．5Mpa以内。
10、该支护体系为临时支护，应组织好地下室的主体施工，尽快施工完毕回镇土方，避免基坑护壁暴露时问过长。
11、土方开挖应分层分段开挖，严禁超挖，必须听从喷锚施工单位的指令，必须配合喷锚施工，确保基坑喷锚支护施工的顺利。可视实际情况作出相应调整。
六、支护结构的监测与应急处理措施
（一）监测
1、监测目的:
1）、根据基坑开挖设计方案，按《建筑安装工程施工测量规范》BJ212-88、《建筑基坑支护规程》JGJ120-99的相关规定和要求，基坑壁位移按安全等级为一级布设观测点、控制点和基准点。
2）、通过监测，掌握边坡的稳定状态、安全程度和支护情况；
3）、将监测数据与预测值相比较，确定支护参数是否安全合理，以确定和优化下一步的施工参数；
4）、检测和评价已加固边坡的最终稳定性，作为安全使用的重要依据；
5）、将监测结果反馈于设计与理论预测中，使理论与设计达到优质安全、经济合理的目的。
2、监测的主要内容:
周边土体变形测量，如坡顶水平位移、坑周地面裂缝、边坡变位、坑底隆起等测量；
3、监测的主要仪器:
施工测量中采用NA2水准仪和J2经纬仪，水准仪用于测量地面、地层内各点及标高及沉降；经纬仪用于量测地形和构筑物的施工控制点坐标及施工中的水平位移。
水准仪测量如下参数：基坑支护结构的差异沉降；
经纬度仪测量如下参数：
（1）、基坑观测点的水平位移；
（2）、建筑物轴线与支护结构间的位移。
4、监测方法:
在基坑周边坡顶部位，按25～30m间隔设22个观测点，测量边坡的水平位移与沉降；
基准点布置在基坑变形影响不到的稳定地点，以确保观测点数据的准确、可靠。每次测量应对基准点进行校核，误差不大于2mm。
基坑开挖前测原始值，从开挖第一步土时开始进行变形观测，观测周期1次/天，直至基础底板完工后，观测周期改为1次/2天。当两次观测位移量很小或地下室施工完一层时，可将观测周期延长至1次/1周。其间可根据施工进度和变形发展，随时加密观测次数，每7天向监理和甲方汇报一次监测结果。如发现变形异常，应及时停止基坑内作业，分析原因，采取措施，确保边坡及建筑物的安全。直至变形趋于零或地下结构至±0.00时，经有关部门同意可停止观测。
（二）应急处理措施
深基坑支护工程是风险性较大的工程，施工过程中可能会遇到各种意外情况，为做到有备无患，针对本工程特点，制定以下应急措施：
l、准备一定数量的土工织物，待位移、沉降超过允许规定值而出现险情时，用编织袋装满砂或土堆压坡脚，以控制变形，如险情较大并条件允许可令挖土机取土直接回填，在位移、沉降过大区域的根据产生的原因或加长加密锚杆，加大注浆量加固后，基坑施工。
2、出现边坡局部涌水，迅速用特种止水材料缩小范围，埋管引流，注浆封堵，原则上要确保砂土不流失。
3、准备一定面积的钢筋网，较差土质的局部剥离坍塌时，迅速采用挂网固定，施喷快凝混凝土，再打锚杆、焊加强筋、二次喷砼。
4、成立应急抢险分队，准备一定数量的钢管等抢险物质器材。
5、施工中多种现场监测手段，可即时调整参数，反馈设计，并确保现场安全，同时做到信息化施工。
七、实施效果与结语
“天水嘉园”住宅小区边坡支护施工专项方案已于二OO九年六月十三日进行了专家组论证，专家一致认为该方案在红粘土基坑开挖后支护方面具有施工速度快，工程造价低，安全可靠的优点，所以项目部于六月十六日开始实施，在施工过程中，项目部将认真通过项目土建工程师，监理工程师以及施工单位技术人员，加强施工中与施工完至基础土方回填完成前的监控与控制，确保雨季施工中的施工质量和安全性。
喷锚支护技术在该项目上的成功实施，将为我公司在红粘土场地条件下的深基坑（高边坡）施工积累丰富的经验，也使项目的项目投资得到较大幅度的节约。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。