预应力锚杆支护体系事故分析与防范

郑伟

摘要：通过某采用桩加预应力锚杆支护形式的基坑塌方事故分析，对该类型支护设计、施工、监测、监理过程中的要点进行梳理，提出相应对策。

关键词：预应力锚杆；基坑；塌方；对策

一、工程概况及周边条件

本工程用地面积约36402m2，地下建筑面积28784m2，地块南北长198m，东西宽191m。上部结构采用框架、框剪结构体系，基础采用桩基+防水板形式，工程桩采用锤击预制方桩。整个场地设有一层地下室。基坑整体开挖深度约4.85m，局部电梯井部位加深1.5m。周边环境：除西北角、北侧中段、西侧南段非主楼区域有较大放坡条件外，其余各侧场布后放坡条件受限。基坑四周分布有市政道路需要保护。本工程属二级基坑工程，重要性系数γ0=1.0。

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图1典型地质剖面

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图2事故区平面

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图3典型支护剖面

工程地质条件：基坑围护范围内1-2层粘土土性较好，但层厚较薄且位于浅部；2-1层泥炭质土土性很差，层厚0.1～0.6m；2-2层淤泥质粘土、2-3层淤泥质粉质粘土，土性较差且层厚很厚。主要土层设计参数及土层剖面详见表1、图1。

事故区采用一排钻孔桩+一排高压旋喷土锚杆（入射角20o、25o间隔设置）的支护形式。锚杆注浆段长度16m，非注浆段长度8m，直径400mm，每根锚杆配3根φ15.2钢绞线。典型支护剖面详见图3。

基坑支护设计参数建议值表表1

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二、事故发生过程及抢险

截至事故发生前基坑监测数据正常，深层土体位移监测数据在3公分左右。事故当天首先发现南侧基坑有异常，随后听到三声响声，过程中观察到有锚具端头飞出，随后发生基坑局部坍塌事故。初步判断为坑中坑区域锚杆先失效（编号2锚杆），随后引起附近锚杆连锁破坏，最终形成支护桩和冠梁整体向内侧倾斜的破坏形态。倾斜形态为坑顶处倾斜大，坑底处小，类似悬臂破坏。冠梁向坑内位移最大处1.8m。道路最大下沉1.3m，受破坏区域长度约50m。基坑坍塌处有大量地下水流入坑内，为市政雨水管破裂造成，详见图3。

项目部发现异常后立即组织疏散作业面人员。同时组织机械准备执行应急预案。事故发生后，项目部采取了回土反压的应急措施。同时采用封堵雨水管、截断城市生态沟的方式阻止周边地表水向基坑内倒灌。周边道路采用裂缝填砂、设置警戒线、临时围挡等措施排除安全隐患。

三、事故原因分析

主要分析如下：

1.坑中坑计算深度的分析

事故发生区域的锚杆计算轴力标准值为（89x2.5）/cos25o=245kN，对应的的极限值为392kN，设计要求的锚杆标准值为264kN，极限值为设计值为577kN，可见设计在极限值上预留了较多的余量。事故发生区域电梯井坑中坑靠近基坑边，事故中此处锚杆（编号2锚杆）首先破坏，随后引起连锁破坏、基坑坍塌。原设计1.5m深电梯井坑中坑区域计算深度取值为5.35m，即电梯井计算深度按照0.5m考虑。按照不同计算深度的主要指标详见表2。由计算结果可见在支护桩桩长不变的前提下，计算支反力对挖深极为敏感，计算深度由5.35m加大到6.35m，计算支反力由89kN加大到152kN，增大了71%。

对事故区按照6.35m计算，锚杆承受的水平力标准值Fh=152x2.5=380kN，对应的锚杆轴向拉力标准Nk为419kN，对应的锚杆抗拉的极限值为419x1.6=670kN），已远大于图纸中的锚杆抗拔标准值264kN，也大于原设计要求的极限值578kN。

设计单位依据经验，对计算深度进行折减：坑中坑离基坑边4m，坑中坑深度按照电梯井深度的1/3即0.5m计算。现场发现坑中坑加固区域土方超挖（已经到外墙下的预制桩桩边），离基坑边仅1m左右，详见附图4。此处计算深度不足给事故发生留下了隐患。

排桩＋支撑/锚杆方案计算结果汇总表表2

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2.锚具的分析

现场塌方处发现破坏失效锚杆的锚具夹片有划痕，见图5。发现施工过程中预应力锁定施工未采用限位器，锁定过程施工工艺不规范有可能造成夹片损坏，锚头成为薄弱环节。事故发生后，项目部送检同批次锚具三套（为未使用的仓库存货锚具），送检锚具具效率系数为

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图4坑中坑示意图5失效锚具夹片

0.8达不到国家规范要求的0.95。但因锚杆轴向拉力设计值仅为330kN，轴向拉力极限值为578kN。锚具系数0.8对应的拉力值为620kN能满足设计对轴向拉力极限值的要求。从现场拆下三组存在划痕的夹片送检，拉断力分别为740kN、710kN、605kN，均为钢绞线拉断破坏，也满足设计极限值要求。锚具抗拉极限荷载虽仍满足设计要求，但不符合国家规范的要求。

3.锚杆抗拔力取值的分析

事故发生后项目部对锚杆再次进行抗拔力检测（检测值均为水平力），共计检测15根锚杆，其中以下几根达不到设计要求：M2-2锚杆在330kN到412.5kN段发生拉出破坏；M2-28号锚杆加载至250KN时发生破坏；M2-23号锚杆能加载至设计值的150%（495kN），位移已达141mm；M2-27号锚杆加载至462kN时，变形为102mm；M2-41号锚杆加载至设计值的150%（495kN），变形为89mm。可见锚杆质量存在不稳定。部分锚杆达不到设计极限值578kN的要求，不达标比例为33%。其中有两根达锚杆达不到按照规范要求极限值422kN，比例为13.3%。图纸要求锚杆正式张拉前应取0.2Nt（Nt为锚杆轴向拉力设计值）对锚杆进行预张拉1～2次，使杆体完全平直，以杜绝3根钢绞线不均匀受力。锚杆超张拉至1.1Nt即363kN，最终锁定预应力为1.0Nt即330kN。从检测结果看部分锚杆的抗拔力小于超张拉拉力363kN，为锁定时未使用限位器、张拉工艺错误造成。超张拉过程起到对锚杆普遍的检测作用，可以保证每根锚杆的抗拔力在超张拉值以上。由于超张拉工艺出错造成该过程缺失。

4.施工管理原因

钢绞线、锚具等材料进场检测资料不全。现场未按照相关规范要求进行锚杆抗拔基本试验确定锚杆极限承载力；图纸也未做基本试验的要求，将基本试验与验收试验合一。锚杆验收试验及检测对限位器的使用没有认识，施工方、监理、检测单位均未发现采用的试验方法并不能真实测量锚杆的拉力。垫层施工不及时，土方有超挖现象。

5.其他因素

开挖之前长期降雨对土质造成影响。工程桩为挤土桩，对土质有一定影响，降低基坑安全度。

四、事故防范

1.支护方案设计阶段注重概念设计，排桩加锚杆支护形式易引起连锁破坏，安全度应预留充足。

2.开挖过程中加强基坑监测工作、提高开挖区域监测频率，发现异常及时上报。

3.加强施工管理，严格按照土方开挖方案分块分层开挖，严禁超挖（超深、超长）。由监理单位做好土方开挖的音视频记录。施工单位制定施工进度计划、材料及劳动力计划，确保垫层、底板及时配合土方开挖进度。

4.监理单位加强监督管理、严格按照国家规范要求、各专项施工方案的要求做好留样取证、关键环节做好音视频记录。

5.在经验比较缺乏的区域做好锚杆基本试验，根据基本试验的结果进行设计。

6.坑中坑区域计算深度整体考虑，对坑中坑开挖范围应有一定的余量。

7.锚杆张拉严格按照：第一步采用0.1Nt拉力，逐根拉紧钢绞线，确保锚杆中的每根钢绞线能均匀受力；第二步张拉锚定必须采用限位器，按照要求的锚定荷载锚定。

8.监测周边施工重车、施工荷载等情况，周边环境情况，异常情况及时上报设计单位复核确认是否需要对支护结构采取加强等临时措施。

9.出现事故迹象，采取措施应及时果断。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准。建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012北京：中国建筑工业出版社，2012年出版

[2]刘国彬，王卫国.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.

[3]深基坑工程[M].北京：机械工业出版社，1999.

[4]地基与基础工程施工技术[M].北京：机械工业出版社，2003.

[5]坑中坑基坑等效计算深度初探[M]岩土工程技术第26卷第二期2012年4月