新型城镇化建设的稳步发展，伴随着大量建筑和市政地下空间的建设开发，锚杆基坑支护设计、施工技术工艺和应用领域日益得到不断创新与拓展机遇。另一方面，工程特殊的水文工程地质条件、基坑周边环境协调要求，以及应对季节变化施工措施、投资主体结构要求等因素对基坑支护工程技术的推广应用提出了新挑战、新要求。因此，综合考虑环境影响与地质条件，充分利用锚杆基坑支护技术的专业性和灵活性，提高基坑工程的安全可靠性，降低造价成本，实现工程项目全寿命周期费用效率的目标优化，有必要对基坑支护锚杆设计和施工技术要点的有关问题和规律进行研究、探讨与总结，为合理选择基坑支护结构中锚杆支护类型和形式、优化锚杆技术施工工艺等提供必要的理论依据和基础。

 

　　论文结合102号地块工程住宅工程的基坑支护实例，探讨可回收预应力锚杆技术应用的工程场区水文工程地质条件、基坑支护设计方案和施工工艺，尝试对基坑土层支护的可回收预应力锚杆技术设计和施工要点的有关应用问题和客观规律进行研究与总结。

 

　　1.1工程概况

 

　　拟建的102号地块工程位于杭州市余杭区，包括由新建7幢高层（28～32层），数幢公建及裙房和二个大型一层地下车库组成，地下车库间通过通道连接。项目工程±0.00相当于黄海高程6.00m，场地平均相对标高为-0.70。基坑开挖深度为5.80～6.60m，电梯井坑中坑挖深为2.55～3.35m。根据工程地质勘察报告（内部报告），基坑开挖影响范围内的场地土层分布及其性质指标简要描述如下：

 

　　①-1杂填土：灰褐色、杂色，含砖瓦块等建筑垃圾和少量生活垃圾，层厚0.40～2.80m。

 

　　①-2素填土：灰褐色，灰色，软塑，主要成份为粘性土，局部夹含淤填土，含少量木屑、石子，层顶高程为3.63～5.28m，层厚1.50～3.40m。

 

　　②粉质粘土夹粉土：灰色、灰黄色，软塑～可塑，含云母、氧化铁，局部粉土含量较高，层顶高程为2.38～4.91m，层厚0.90～3.70m。

 

　　③淤泥质粉质粘土夹粉土：灰色，流塑，含腐殖质、云母，夹薄层状粉土，层顶高程为0.23～3.52m，层厚2.00～11.00m。

 

　　④粘质粉土：灰色，稍密，含铁锰质斑点和云母碎片；层顶高程-8.76～-0.08m，层厚0.90～7.70m。

 

　　⑤粘质粉土：灰色，很湿，稍密～中密，含铁锰质斑点和云母碎片；层顶高程-4.93～-2.02m，层厚4.80～8.00m。

 

　　潜水赋存于①层素填土、②层粉质粘土夹粉土，地下水位年变幅为1.0～2.0米之间。

 

　　1.2基坑工程周边建筑环境

 

　　基坑工程周边建筑环境较为复杂，基坑东侧靠北为在建工程2F地下室，深度11m，基坑边线（均指围护桩内边线，余同）距离该侧用地红线的距离约1.50～2.40m。东侧靠南为在建工程1层地下室，深度4.60m，基坑边线距离该侧用地红线的距离约3.40～5.70m。

 

　　基坑中部有东西走向的待建15m宽度的规划道路，两侧基坑边线距离30m～38.7m。

 

　　基坑西侧为已建成30米宽度城市道路，道路下埋深有多条燃气、通讯、电力、市政管线，基坑边线距离该侧用地红线的距离约3.0～9.0m。

 

　　基坑北侧为已建成30米宽度城市道路，下面埋设有多条燃气、通讯、电力、市政管线，基坑边线距离该侧用地红线的距离约10.80m。

 

　　拟建的102号地块工程地下室的底板标高落在③淤泥质粉质粘土夹粉土层的位置，基坑围护结构支护部分断面设计采用桩锚结构，其中7-7剖面的设计如下图1所示，对可回收预应力锚杆在淤泥质土中的应用提供了相当有效的例证。

 

 

　　锚杆一般由杆体、注浆形成的固结体、锚具、套管、连接器所组成，可分为锚头段、自由段和锚固段三部分。作为一种临时性支护技术措施，锚杆常常由于埋藏于地下没有取出，最终形成地下障碍物，长期占用地下空间，造成极大的资源浪费和环境污染，限制了产权意识日益增强的地下空间的长期开发与利用。而可回收式锚杆技术具有友好的绿色环境界面，埋藏于地下的锚杆经过一种安全、快速的施工过程，待基础施工结束对锚杆进行100%回收，这种回收后再利用的锚杆可以降低建设工程造价，解决临时支护造成的地下建筑垃圾问题，具有非常广阔而深远的战略意义。

 

　　预应力锚固技术是预应力混凝土技术在岩土工程领域的延伸和发展，其中预应力锚杆将一种合适的材料（如钢筋、树脂、钢绞线）制作为一系列可承受拉力的锚固构件，按照设计要求布置于岩土体中，与稳定土层紧密结合并向支护对象施加主动压应力，最终形成一种新的结构复合体，达到控制支护对象发生不利形变和位移的目的。它已经典型地应用于三峡水利枢纽工程，在长1607m、高170m的船闸边坡处于风化程度不等的闪云斜长花岗岩中，采用近100000根8～14m的高强锚杆作系统加固和局部加固，极大程度上阻止了不稳定块体的发育塌滑、抑制塑性区的扩展，提高边坡的整体稳定性。英美以及印度、南非等国外也有不少预应力锚杆加固技术的成功案例。

 

　　预应力锚杆技术具有很强的灵活性和可塑性，通过建立主动的后张预应力场，在尽可能不扰动原状土层的情况下，抵消土方施工对工程地质体或构筑物所造成的危害，达到加固改造支护对象的目的。基于预应力锚杆技术的良好用户使用界面，融合可回收式锚杆技术的友好环境界面，可回收式预应力锚杆技术能够充分协调周边环境影响，以其设计和施工的专业性，提高支护加固工程的安全可靠度，降低材料成本与工程造价，可广泛应用于临时边坡支挡工程、基坑工程、地下人防工程等领域。

 

　　3可回收预应力锚杆设计

 

　　3.1可回收预应力锚杆的常见形式

 

　　锚拉式支挡结构（anchoredretainingstructure）是由沿基坑侧壁排列设置的支护桩及冠梁所组成的支挡式结构部件或悬臂式支挡结构，挡土构件和锚杆（锚索）为主要构件的不同组合形成桩锚结构。

 

　　其中锚杆由杆体（钢绞线、普通钢筋、热处理钢筋或钢管）、注浆形成的固结体、锚具、套管、连接器所组成的一端与支护结构构件连接，另一端锚固在稳定岩土体内的受拉杆件。杆体采用钢绞线时，亦可称为锚索。锚杆又可以分为普通锚杆和预应力锚杆；预应力锚杆有不回收和可以回收两种，按照杆体受力形式又可以分为拉力型和压力型锚杆。

 

　　3.2锚拉式支挡结构的应力分析

 

　　可将整个结构分解为挡土结构、锚拉结构（锚杆及腰梁、冠梁）分别进行分析；挡土结构宜采用平面杆系结构弹性支点法进行分析；作用在锚拉结构上的荷载应取挡土结构分析时得出的支点力。

 

　　锚拉式支挡结构的设计工况应包括基坑开挖至坑底的状态和锚杆或支撑设置后的开挖状态。当需要在主体地下结构施工过程以其构件替换并拆除局部锚杆或支撑时，设计工况中尚应包括拆除锚杆或支撑时的状态。支挡式结构的构件应按各设计工况内力和支点力的最大值进行承载力计算。替换锚杆或支撑的主体地下结构构件应满足各工况下的承载力、变形及稳定性要求。对采用水平内支撑的支撑式结构，当不同基坑侧壁的支护结构水平荷载、基坑开挖深度等不对称时，应分别按相应的荷载及开挖状态进行支护结构计算分析。

 

　　3.3锚杆对挡土构件的作用

 

　　Fh=kR（vR-vR0）+Ph

 

　　式中：Fh──挡土构件计算宽度内的弹性支点水平反力（kN）；kR──计算宽度内弹性支点刚度系数（kN/m）；采用锚杆时可按《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012来确定；vR──挡土构件在支点处的水平位移值（m）；vR0──设置支点时，支点的初始水平位移值（m）；Ph──挡土构件计算宽度内的法向预加力（kN）；采用锚杆或竖向斜撑时，取Ph=P·cosα·ba/s；采用水平对撑时，取Ph=P·ba/s；对不预加轴向压力的支撑，取Ph=0；锚杆的预加轴向拉力（P）宜取（0.75Nk～0.9Nk），支撑的预加轴向压力（P）宜取（0.5Nk～0.8Nk），此处，P为锚杆的预加轴向拉力值或支撑的预加轴向压力值，α为锚杆倾角或支撑仰角，ba为结构计算宽度，s为锚杆或支撑的水平间距，Nk为锚杆轴向拉力标准值或支撑轴向压力标准值。

 

　　3.4锚杆的极限抗拔承载力

 

　　Rk/Nk≥Kt

 

　　式中：Kt──锚杆抗拔安全系数；安全等级为一级、二级、三级的支护结构，Kt分别不应小于1.8、1.6、1.4；Nk──锚杆轴向拉力标准值（kN）；Rk──锚杆极限抗拔承载力标准值（kN）。

 

　　锚杆的轴向拉力标准值应按下式计算：

 

　　Nk=Fh×s/bacosα

 

　　式中：Nk──锚杆的轴向拉力标准值（kN）；Fh──挡土构件计算宽度内的弹性支点水平反力（kN）；s──锚杆水平间距（m）；ba──结构计算宽度（m）；α──锚杆倾角（°）。

 

　　3.5可回收预应力锚杆的实例

 

　　预应力锚杆技术基本工作原理是反力进行平衡以实现结构主体的主动支护，即通过对锚杆施加预应力，在基坑未开挖前就限制土体发生过大变形。如若是地质土层的差异性较大，锚杆设计长度一般较长，导致锚杆的长度可能超出用地红线或对其它施工造成不利影响。拟建的102号地块程施工面位于③淤泥质粉质粘土夹粉土层，基坑工支护设计部分断面采用桩锚（桩+可回收的预应力锚杆）支护技术，这样待基坑土方回填到锚杆相应标高处时，对100%杆体进行拆除回收，同时产生一定的经济效益。

 

　　拟建的102号工程基坑开挖面积30500m2，围护支护结构总体上采用钻孔灌注桩+一道钢筋砼支撑、悬臂钻孔灌注桩、自然放坡及钻孔灌注桩+可回收预应力锚杆等复合支护结构，地面超载设计取均布荷载20kPa。剖面是设计采用钢筋混凝土排桩+锚杆（可回收的预应力锚杆）技术的构造简图：排桩Φ700@1000mm有效长度11.25m和Φ600@450mm水泥搅拌桩有效长度为8.80m的止水帷幕，排桩和水泥搅拌桩的轴线间距650mm，上部放坡1：0.8，坡面采用Φ6.5@300双向钢筋网喷射C20厚度80mm的混凝土，排桩冠梁600×900mm，混凝土C30，14Φ20+4Φ14（HRB400），四肢箍筋Φ8@200。

 

　　设计采用可回收的预应力锚杆支护钻孔直径120mm，实际成孔深度大于设计0.5米，钻孔轴线水平夹角15度。锚杆采用1860级1×7的Φ15.24mm钢绞线，外套Φ25PP（聚丙烯）软管，锚固段主筋套Φ250mm的浆囊袋，浆囊袋长度13米，钢绞线端部与U型承载头连接，锚杆设计长度18米。选用Φ20注浆钢管，注浆材料为水泥砂浆，P.O42.5水泥，配合比为1：0.5：0.5，采用定量注浆（0.64m3/每根）。

 

　　4可回收预应力锚杆施工分析

 

　　4.1锚杆现场预检测试验

 

　　本工程场地淤泥质粉质粘土夹粉土土层，若采用普通的锚固段结构要达到一定的承载力，通常加大锚杆的长度，这样可能导致锚杆大大超出用地红线，同时成孔难度增加，锚杆质量风险迅速放大。因此，为了确保锚杆的施工质量，检查基坑地质土层的差异性，按照现行规范要求，研究确定在该基坑现场先做3根可回收预应力锚杆）进行锚杆抗拨力预检测试验，其中3根可回收预应力锚杆抗拔力试验检测结果分别为256KN、250KN、245KN，进一步验证了工程场址土层可回收的预应力锚杆抗拔力设计值（118kN）的可靠性，保证了锚杆施工质量达到设计预期的目标。

 

　　4.2锚杆施工技术参数与工艺

 

　　该工程可回收预应力锚杆的按设计长度18m，钻孔直径为120mm，锚固段（桨囊袋直径250mm）长度13米，定量注浆0.64m3，钢绞线下料长度19m，锚杆张拉锁定荷载90KN。可回收预应力锚杆的施工工艺包括成孔、杆体制作与安放、注浆及张拉与锁定、回收杆体等。

 

　　①锚杆的成孔根据锚杆的设计参数、工程地质报告以及场地周边环境条件，最终选用MGJ-50型锚杆钻机，成孔结束后及时安放桨囊袋、杆体（包括注浆管）和压力注浆。

 

　　②锚杆杆体的制作安装杆体制作和安放时增加一道除锈、除油污、避免杆体弯曲的工序。钢绞线的长度（按照19m下料）和完好程度应满足张拉要求，杆体绑扎时，钢绞线保持平行，且间距均匀，避免钢绞线在孔内弯曲或扭转，同时和护套管、承载头、桨囊袋、注浆管等安装牢固。

 

　　③锚杆注浆浆液选用水泥砂浆，P.O42.5水泥，配合比为1：0.5：0.5，采用Φ20注浆钢管对桨囊袋内进行压力注浆，每根锚杆的注浆量为0.64m3，注浆压力不小于2.0MPa。

 

　　④锚杆张拉锁定当锚杆固结体的强度达到设计强度的75%后，按照锚杆设计值控制张拉值分级加载进行预张拉，保持在张拉值下的锚杆位移和检测压力表压力稳定，分级加载张拉后再逐步卸载对锚杆的张拉，用专用配套锚具将钢绞线锚杆固定在排桩顶部的钢筋混凝土冠梁上，锚杆锁定荷载为90KN。

 

　　⑤锚杆的检测与回收在锚杆锁定锚固后，按照现行施工验收规范要求，对锚杆抗拔力按照锚杆总数量的3%比例进行抽样检测试验，检测结果均符合锚杆设计要求。待工程基础结构施工完成，回填土施工到锚杆的位置时，用专用机械对冠梁上的钢绞线锚具进行拆除，100%回收钢绞线及时清理归库。

 

　　4.3预应力锚杆的应力检测与锚杆回收

 

　　在专业的监测单位对该基坑进行实时监测数据的基础上，分析锚杆应力的数据变化：锚杆的实测值与设计值的对比，该基坑周边的锚杆应力值与设计值的比为30.5%—45.6%，可以证明该工程的预应力锚杆应力未得到充分发挥。若对其它条件进行仔细的分析与选用，对锚杆的轴向拉力标准值的大小进行价值分析，从而实现降低工程成本。

 

　　根据在工程施工现场开工前施工的3根锚杆的检测结果和工程地质条件及基坑工程周边复杂的建筑环境，可回收预应力锚杆依次完成成孔、安放注浆管、浆囊袋、钢绞线等施工工艺，注浆完成后用专用配套锚具将钢绞线固定在排桩顶部的钢筋混凝土冠梁上，进行锚杆的张拉锁定。

 

　　在基坑土方回填到相应标高处时，开始采用专业的机械对钢绞线进行拆卸，锚杆杆体钢绞线100%回收，合计拆除钢绞线共280根，按照1.101Kg/m计算，节省钢绞线重量280×19×1.101=5.86（吨），钢绞线的价格每吨5000元，节省工程材料造价5.86×5000=29300元。钢绞线一般可重复使用二、三次，若是钢绞线锚杆（索）数量大幅增加，对工程造价影响更加显著。锚杆（索）施工阶段对某些基坑工程周边环境的影响不大，但是锚杆长期停留在地质土层里，对未来的建设项目造成严重的阻碍，在这些环境条件下，可回收预应力锚杆就显得更大的优势。

 

 

　　为确保基坑环境周边建（构）筑物、地下管线、道路的安全和正常使用，合理提供主体地下结构的施工空间，合理确定锚杆的承载力大小，选用合适的锚杆支护技术，控制地质土层变形的发展，提供施工安全保障。在淤泥质土层中，可回收预应力锚杆技术对锚固段进行压力注浆后使锚固体的有效直径扩大，工艺简单，操作便捷，杆体100%回收再利用，保证地质土层的再利用，节约工程材料，为优化工程成本提供便利。

 

　　值得一提的是，随着基坑技术实践的不断挖掘创新和更新优化，锚杆应用技术呈现多式多样综合化的特点，从对锚杆杆体构造的更新与加工、改变锚固体的外部形状等，出现了一系列新的锚杆应用技术如：自钻式锚杆、高压旋喷扩大头锚杆、可回预应力收锚杆等；锚杆技术从单一作用的一次性临时构件、可回收再利用构件、共同组合结构的永久受力构件；针对具体的地质土层合理选择锚杆的轴向拉力设计值，提高锚杆承载力的应用效率；这些尝试必将促进和推动锚杆技术理论与实践的进一步系统化研究。