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摘要 ：文章主要研究黄土状土层的工程建设中，高压旋喷 锚索的使用问题。以某建筑项目为例，简述工程开发要求、规划 区域的客观环境与土层条件。进一步分析该工程高压旋喷锚索 作业中，用到的机具与主要工艺参数，梳理施工流程和要点部 分。并从开挖检验与锚索抗拔性能两个角度， 讨论此项锚索工艺在黄土状土层工程条件下的应用效果。
关键词 ：黄土状土层,高压旋喷锚索,喷浆压力
从某种层面上来说，旋喷锚固是传统锚索和旋喷桩的“结合 体”，其借助增加锚固体的直径尺寸，保障支护结构锚固力。近 些年， 我国黄土区域的基础建设高速成长， 很多深基坑工程因为 规划场地周围已有管道、建筑物与地铁隧道等条件的限制， 如果 选择常规锚索加固，会因为长度不足，留下支护效果不佳的隐 患。反观旋喷锚索，由于结构直径尺寸大，单位长度下的承载力 强等优势， 被深基坑开发项目广泛使用。
1 高压旋喷锚索桩锚协同支护机理
高压旋喷锚索桩锚支护结构体系是一种把高压旋喷锚索支 护和排桩支护结合起来的超静定支护结构，它可以同时运用旋 喷锚索与土体间的摩阻力和排桩嵌固段的约束力共同抵抗基坑 侧壁土压力， 维护基坑的稳定， 属于主动支护结构。
1.1 排桩支护原理
排桩支护法是将钻孔灌注桩、混凝土预制桩、钢管桩等桩按 不同的方法进行施工。排桩的平面布局可分为单排桩、多排桩、 咬合排桩、分隔排桩。支护排桩的基本思想是将桩身埋设在稳定 的土壤中， 再通过其抗弯和剪切刚度， 将外部的土压力传递给稳 定的承载层。
1.2 桩锚协同作用机理
在桩 - 锚固结构中，由于受周围土压力、水压力及其它建筑 (构架) 的影响，产生了一种往深层移动的倾向。在深基坑底部 到埋设埋设深的区域， 在一定程度上， 受支撑排桩横向变形的作 用，会引起地基上的动土压力。此外，在支护排桩上施加的锚索(杆件) 也会受到预应力的影响(如果是没有预应力的，则会因为桩身的横向移动而受到影响)，从而抑制桩身的变形，从而使 其能够承受一部分的被动土压。因而，在基坑开挖过程中，基坑 内的基坑应力与锚索应力是相互影响的。在受动土压及锚索极 限锚固的情况下， 在不发生侧移的情况下， 该支护系统是行之有 效的 ;在受动荷载作用下， 受荷载作用下， 受荷载作用的影响较 小，而受荷载作用的影响较小。
2 工程条件梗概
2.1 工程概况
在某建筑项目中，拟建2 栋 40层单体，高度是207m，配备 4 层地下空间，开挖基坑深度参数是20.5m，预计在完工后成为本 地标志项目。基坑施工部分，开挖边缘轮廓接近正方形，周长在 537.4m 左右。在其北面距离 28m 左右的位置建有地铁隧道，而 南面不足 17m位置设有地下车库。结合本地施工经验， 基坑支护 可选择锚拉排桩工艺，不仅技术成熟，造价还比较低。但考虑到 北面有地铁设施，隧道 6m 以内不能出现锚索伸入的情况，并且 南面也存在已有构筑物的限制， 使锚索长度标准严重受限。在通 过全面化分析后， 最终选择旋喷锚索工艺， 取代普通锚索支护。
2.2 黄土状土层条件
在工程规划用地范围内，通过前期现场勘测，施工场地是次 生黄土，存在轻微湿陷的情况，和普通粘性土有明显差别。黄土 状土层厚度在 8.5m 左右，层次高程在 404m 上下，高于水位。案 例黄土状土层的物理特性表现(平均值) 为 ：含水量是22.6% ; 天然重度为 18.6kN/m3 ;干燥重度是 15.2kN/m3 ;孔隙比为 0.757; 饱和度是 80.8% ;塑性指数达到 12.6 ;液性指数是 0.26 ;压缩模 量有 7.7MPa、9.5MPa、12.0MPa、12.9MPa与 15.2MPa集中情况。
3 黄土状土层中高压旋喷锚索技术
该建筑工程中，准备 HDL-208 型的多功能钻机，使用 PP32.5R 的水泥材料，确定水灰比是 1 ：0.8.锚索钻头喷嘴规格 是2.8mm， 设计喷浆钻速为 15r/min。
在试验施工中，首层基坑开挖深度在 4m 左右，其中自由段是 1m，锚固段为 3m，以喷浆压力与提钻速度作为现场技术管控 标准。此处开挖处理技术参数有 6 种组合方案，分别为 ：喷浆压 力 15MPa、提钻速度为 20cm/min ;15MPa、30cm/min ;20MPa、 20cm/min ;20MPa、30cm/min ;25MPa、20cm/min ;25MPa、 30cm/min。
锚索施工流程及要点 ：
本工程按照成孔、喷浆与搅拌、安设锚索的程序进行一次性 作业，其具体施工流程是 ：在完成土方开挖后，桩机入场就位， 精准定位角度与孔位， 随后实施带锚索钻进作业。高压喷浆提钻 过程中， 到了自由段需立刻停浆， 随后把钻具拔出。
该建筑项目现场钻进施工中，相关人员需根据锚索长度参 数，在相应位置蒸汽摆放好钻杆，准备钻孔，要注意钻杆需和水 平方向形成 15°夹角，随后利用锚盘把锚索固定于钻头端部。 钻进之初需输送清水，亦或水泥浆，在喷浆压力保持在 5MPa 的 状态下钻进，达到设计基底深度后，立刻提钻与高压喷浆，整个 过程要根据设置的喷浆压力与提钻速度施工。在提钻期间需持 续搅拌高压注浆，并把钢绞线和锚头结构件直接留到设计深度 的位置。待喷浆作业达到自由段后，可以选择停止喷浆，或是保 持低压喷浆的状态，把钻具完全取出后，锚索作业完成。由于此 项目选择一次性提钻施工， 所以不涉及到复喷的问题。
4 黄土状土层建筑项目高压旋喷锚索应用效果
4.1 开挖检验分析
案例项目依照上文陈述的旋喷锚固作业技术，现场严格把 控喷浆压力与提钻速度技术参数，在施工28 日后，锚固体强度 满足设定标准， 实施开挖检验， 测出锚固体形态与直径尺寸。
一方面，锚固体形态。试施工段的旋喷锚固处理，锚固段与 自由段分界明显，结构外观为青灰色、灰白色，结构密实坚固。 但在进一步检测中发现 ：0m ~ 1m 的自由段，因为在天钻过程 中没有实行压力喷射， 导致锚固体形成螺纹状， 个别位置有断裂 的风险 ;1m ~ 4m 的锚固段，整体是圆柱性，比较规整均匀，但 也有部分是微椭圆形，结构表层比较粗糙，而且分布很多凸起， 此外锚固体前端尺寸最大， 往后慢慢变小。
另一方面，锚固体直径。通过实地测量数据，6组锚固段结 构直径从前端到后端有明显不同 ：前端直径在 300mm ~ 380mm 之间，均值是 340mm ;中部直径在250mm ~ 300mm之间，均值 约为 278mm ;后端直径处于 180mm ~ 300mm 区间内， 均值在 260mm左右。整体来看，黄土状土层条件下，利用高压旋喷技术能够建设出直径规格大、比较均匀的锚固段。并且锚固段前端直径最大，在钻进深度不断加大中，直径随之缩小，而在锚固体 长度持续加大、入土深度持续增加中，直径缩小速度有所放缓， 整体构成“锥形体”。锚固体出现上述情况，与全段固定喷浆压 力、提钻速度存在关联。在钻头不断向土层深处推进中，土体结 构逐渐紧凑，再加上喷浆行程拉长，使锚固体下端尺寸缩小。而 且按照上述规律， 在结构长度达到一定程度后， 底端直径大幅度 衰减，结构的支护效果难以保障。锚固段的其他部分，在压力从 15MPa 调整成 20MPa 的过程中，直径尺寸明显加大，但如果从 20MPa提升至25MPa 后，直径规格非但没有增大， 还有轻微缩小 的迹象。这说明了在高压喷射锚固处理中，借助提升喷浆压力， 能够使锚固体直径加大， 但也有一定限制。在压力提升至一定程 度后，浆体会顺着钻孔外溢，使直径尺寸不能继续增大。此外， 在喷浆压力固定的情况下， 调节提钻速度对于直径参数来说， 其 中部与后端会有相对明显的变化。在提钻速度不断下降中， 当锚 固体长度增加时， 直径会随之缩小。
通过在正式施工前进行试处理，发现在该工程土层内，旋喷 压力应保持在 20MPa，而提钻速度则对应 20cm/min，这样能使 锚固体之净尺寸均值保持在 300mm 的标准状态中。
4.2 锚固抗拔效果
为有效判断高压旋喷锚索工艺成桩中的抗拔性能，案例项 目选取多循环的分级加卸载方式。在前期试验分析环节中， 通过 电动油泵， 调节张拉千斤顶， 并用高精密度的压力测量系统获取 实际数据。在现场操作中， 要确保实际锚索荷载至少达到预估的 最大承载力，同时极限试验荷载条件下，锚杆应力需在 0.85倍极 限强度参数以下。加卸载和观测时， 必须达到以下几点要求 ：加 载前要提前设置初始荷载，按照测试极限荷载的 10% 施加 ;初 始荷载状态下，需要每隔 5min，观测一次苗头位移数值，当 3 次 读数结果一致时，才能将此当成基准值 ;各级调节荷载平稳以 后，需在特定观测周期内完成至少 3 次位移读数 ;各级观测周期 中，如果位移变化在 0.1mm 以内，则可进入下一级的测试，反之 要继续观测，同时还需间隔 30min，记录苗头位移情况，假设连 续2 次在一个小时内，位移变化都不足 0.1mm，也能直接将荷载 提高至下一阶段 ;如果观测中出现以下三种表现之一，就要停 止加载，一是由第2 级起，后 1 级形成单位荷载下位移变化超过 前 1 级 5 倍，二是锚头位移不发生衰减，三是锚杆受损 ;达到观 测最高荷载之后， 倘若依旧未发生以上停止加载的现象， 而且在 进一步加载后依旧没有达到极限强度参数的 85%，应以 10% 的 极限观测荷载， 开启下一级加载。
4.2.1 抗拔情况
第一，自由段与锚固段均是 10m长的工况。首先，在不同循 环荷载提升中， 锚头位移明显加大， 当荷载达到 880kN 后锚头依 然有明显的线性变化，其中塑性位移均值达到23.2mm。不考虑 承压板变形以及仪器设置等条件的影响， 塑性位移还有不足。这 意味着锚索依旧在弹性变形中，还未达到最佳的抗拔承载力状 态。其次，结合有关规定计算，在荷载处于 880kN 水平时，原则 上自由段伸长量 80% 有 51.58mm，而杆体自由段、锚固段长度的 一半之和，弹性伸长量应是 96.70mm。实地测量弹性位移结果在 上述两个数值之间，说明旋喷锚固的位移满足施工标准。最后， 在锚索拉力按照480kN 设计， 以一级基坑安全系数为基础， 锚头 位移量也能达到案例工程所在地大部分基坑支护的标准。
第二，自由段和锚固段都是 5m 长的工况。首先，在循环荷 载提高中，锚头位移同样会增加。荷载处于 0kN ~ 400kN 的部 分，位移出现线性变化，说明此时锚索在弹性变形中。继续提升 荷载的过程中，“荷载 - 位移”曲线开始放缓，还有回滞环，这意 味着锚索进入到弹塑性变形状态。荷载达到 640kN 后，位移明 显提高，而且拉力几乎不能发挥作用，锚索无法完整拔出。经过 综合分析后，案例工程锚索抗拔承载力的最大值确认为 560kN。 其次，荷载是 560kN 的工况下，原则上 自 由段伸长量 80% 是 16.41mm，而相应弹性伸长量是 30.77mm。现场测出锚固弹性位 移数值，在上述数值之间，说明实际锚固位移达到设定标准。最 后，在锚固拉力为 320kN 的工况下， 锚头位移也能达到工程所在 地区大部分基坑支护需要。
第三，锚固体长度数值对于锚索约束变形状态是否有影响。 当长度加大 5m，荷载从 400kN 变成 480kN 的过程中，锚头位 移只有轻微缩小，尚未出现显著的约束作用。而在荷载提高至 560kN 后，位移发生相对明显的缩小表现。这能反映出，荷载不 变的情况下， 通过提高锚固段长度， 无法有效控制结构变形。 4.2.2 抗拔轴力
首先，在锚索总长为20m、自由段和锚固段都是 10m、喷浆压力为20MPa、提钻速度是20cm/min 的工况下，荷载从自由段 逐渐转移至锚固段前端，在该过程中的锚索轴力朝着深度方向 大幅度下降，并在荷载提升中，轴力传递深度随之加大。根据测 量数据来看，锚索轴力集中于 10m ~ 13.5m 的位置，大约是在锚 固体的前 1/3 部分，该段轴力本身的轴力比较小，在 17.0m 的位 置更是趋近于“0”，后 1/3 部分几乎没有任何轴力传递。在荷载 提高到限值 880kN 后，位移变化有所弱化，没有造成任何破坏， 而抗拔性能大多是从锚固体前 1/3 部分， 水泥土桩体与地层产生 摩擦阻力而形成的， 此时锚固体后端依旧没有起到任何作用， 这 说明锚索轴力抗拔能力还存在强化空间。
其次， 在锚索总长是 10m、自由段与锚固段都为 5m、喷浆压 力与提钻速度和上一种情况相同的条件下，轴力朝着深度方向 不断降低，在荷载增大中，锚固体下端作用慢慢显现，直到被破 坏。在荷载处于 640kN 水平时，锚固体中部的轴力明显提高。在 拔出锚固体的过程中出现受损的情况，这主要是由水泥土桩体 与地层摩擦导致的。
最后，和普通锚索技术相比，旋喷工艺可以制成水泥土复合 的锚固体， 强度会略微低于水泥砂浆与净浆结构， 这表明旋喷锚 杆和水泥土锚固体的强度， 应该是此项施工技术的薄弱点。利用 开工前的试验施工分析得出 ：锚索出现破坏后，水泥土桩体与 地层摩擦阻力提供很大“助力”，而支护结构实际强度虽然符合 传力标准， 但依旧存在有待继续优化的富余。
5 结语
结合本文对某黄土状土层工程的分析，可以发现，在该类工 程中使用高压旋喷锚索工艺，能保障获得较大直径并匀称的桩 体。另外，对成桩直径大小有明显影响的条件为喷浆压力、提钻 速度，但作用方向变化存在平衡临界值。类似工程在正式开发 前，也可以尝试进行试验， 以此得出最优的工艺参数方案。
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