随着我国城镇化规模的扩大，建设用地日趋紧张，由此涌现出大量特殊复杂的深基坑工程，其周边存在障碍物影响支护的情形比较常见。此时，近障碍物侧的斜拉锚索长度受限，作用不能发挥，而通过斜拉锚索配合水平对拉锚杆形成二次借力传力体系，则有望解决上述问题。其中，斜拉锚索向下倾斜打入土体，穿过土体潜在滑动面，依靠锚固段与周围土体间侧摩阻力形成供力源；水平对拉锚杆用来稳定近障碍物侧基坑，依靠锚杆拉力形成借力源；对拉锚杆通过向斜拉锚索借力并传力。此时三者可共同维护基坑安全。

目前，斜拉锚索技术成熟，在地下工程中应用广泛[1-5]。而对拉锚杆由于全长由粘接而成且两头锚固，所以多在桥台、侧墙和隧道加固中应用[6]，也可见其在小净距隧道的岩墙和中夹岩加固中应用。就基坑工程而言，该技术成功解决了小净距、深基坑间地块中无法使用斜拉锚索带来的支护难题[6]。同时，对拉、竖向和斜向锚杆配合双排桩支护，可成功应用于邻近两基坑同时开挖且基坑间存在雨水暗渠等障碍物工程[7]。可见，无论是隧道还是基坑，对拉锚杆技术在小净距空间加固中优势显著，但是其均未涉及二次借力传力体系。目前，在借力传力体系方面，相关的研究少之又少，仅有将与新建基坑相邻的既有基坑的桩锚支护作为新建基坑排桩支护的背拉结构体系，来解决新建基坑的支护问题[8]，也不曾涉及斜拉锚索与水平对拉锚杆形成二次借力传力的相关内容，因此需进行深入研究，以便为类似工程提供借鉴。

基于此，笔者以北京某改造复建项目深大基坑工程邻近既有地铁施工竖井为背景，在介绍该工程采用的由水平对拉锚杆和斜拉锚索相结合形成的二次借力传力支护体系的基础上，使用Midas GTS/NX软件建立三维模型模拟基坑开挖，利用数值模型从变形和受力2个角度探讨该支护体系的可行性和有效性，之后提取数据与现场监测结果进行对比分析和模型验证，从而为水平对拉锚杆和斜拉锚索相结合形成的二次借力传力体系提供理论支撑，以期为类似工程给予指导。

1、项目概况

1.1 工程简介

北京某改造复建项目深大基坑工程，原建筑用地下方为在建地铁隧道，隧道规划在前，基坑规划在后。由于新规划的需求，要在在建地铁隧道上方改造复建一建筑物，需开挖一个长约140 m、宽约90 m、深度约24 m的深大基坑。该基坑东、南、西和西北侧均采用桩锚支护。由于隧道建设时并没有考虑基坑建设的需求，因此距基坑东北侧约3.5 m和6.8 m的位置已建成2号和3号地铁施工竖井。其中，2号竖井尺寸10.3 m×8.1 m，井深39.4 m;3号竖井尺寸17.2 m×5.6 m，井深39.2 m。2个竖井所在位置无法打设斜拉锚索。基坑与既有2、3号竖井平面位置及监测点位图见图1。

图1 基坑与既有2、3号竖井平面位置及监测点位图（m)

1.2 工程地质与水文地质情况

根据现场岩土工程勘察报告，地层由上至下依次为：杂填土层①，厚度5.7 m；细砂-中砂层②，厚度7.5 m；圆砾-卵石层③，厚度3.1 m；粉质黏土-黏质粉土层④，厚度7.7 m；中砂-细砂层⑤，厚度3.5 m；卵石层⑥，厚度4 m；黏土-重粉质黏土层⑦，厚度4.5 m和中砂-细砂层⑧。工程影响范围内共观测到3层地下水，分别为潜水、层间水和承压水。由于该工程采用了桩间高压旋喷桩形成止水帷幕来控制地下水且效果较好，所以不再详细介绍地下水情况且在后续数值模拟中不考虑地下水的影响。

1.3 工程特点

待建基坑东北侧存在小净距既有地铁施工竖井，该区段无法施作传统桩锚支护，而深大基坑的开挖又势必危及竖井的安全和稳定，所以急需找到一种竖井所在区域的基坑支护方案，且该方案要求既能保证基坑建设的安全，又能维护竖井的稳定。

2、支护方案

为解决上述工程问题，提出3种支护方案，即不支护、半支护和全支护方案。

2.1 不支护方案

基坑四周设置桩锚支护，支护深度约24 m，护坡桩桩长27 m，局部33、37 m，桩径1 000 mm，桩间距1.3 m，桩身混凝土强度等级为C25，桩间设置多排预应力锚索，长度约24 m，成孔孔径150 mm，采用桩间高压旋喷桩形成止水帷幕控制地下水。竖井所在区域不做特殊支护。

2.2 半支护方案

在不支护方案的基础上对竖井北侧区域进行加固。具体为：竖井北侧注浆加固土体。平面上，2号竖井北侧注浆范围约为8.5 m×8.0 m,3号竖井北侧注浆范围约为17.6 m×9.5 m；立面上，竖井北侧从地表以下3 m后注浆，深度约27 m。立面上，竖井北侧从上往下打设12排预应力锚索，排间距1.5 m，角度15°。其中：上6排预应力锚索自由段长约10 m，锚固段长约6 m；下6排预应力锚索自由段长约6 m，锚固段长约16 m。平面上，2号竖井北侧每排4根预应力锚索，3号竖井北侧每排8根预应力锚索，水平间距均为2.1 m。竖井中设置对撑和角撑，以连接竖井壁。竖井南侧即基坑与竖井之间的区域不做特殊支护。半支护方案平面图见图2。

2.3 全支护方案

在半支护方案的基础上对竖井南侧即基坑与竖井之间的区域进行加固。具体为：在竖井与基坑之间的区域打设水平对拉锚杆和注浆加固土体。竖井南侧与基坑之间，注浆深度约24 m。立面上，从上往下打设8排对拉锚杆，排间距2.5 m；平面上，2号竖井南侧每排5根对拉锚杆，3号竖井南侧每排11根对拉锚杆，水平间距均为1.3 m。随着基坑的开挖，对拉锚杆上的力先传递到竖井南壁、竖井对撑和竖井北壁，再由竖井北壁传递到竖井北侧的预应力锚索上，由于预应力锚索深入土体稳定区域，形成二次借力传力体系，所以可维护工程的安全与稳定。全支护方案平面图见图3。

图2 半支护方案平面图

图3 全支护方案平面图

3、支护方案模拟计算

根据基坑与竖井的相对位置关系和地质条件，结合基坑设计施工和竖井加固方案，采用Midas GTS/NX软件建立三维计算模型，进行后续计算分析。

3.1 计算模型

为消除边界效应，结合圣维南原理与实际经验，选择边界距基坑边线约3倍的开挖深度（75 m），建立三维计算模型，模型尺寸为290 m(x方向）×240 m(y方向）×45 m(z方向），单元数4 609。考虑到竖井周围区域为重点研究区域，故竖井周边范围内有限单元划分较密集，为2 m一个，其中竖井南侧对拉锚杆为0.3 m一个，竖井北侧斜拉锚索为0.5 m一个，远离竖井的基坑部分和基坑周边约40 m范围内为4.0 m一个，其余土体为8.0 m一个。模型上表面为自由边界，四周施加x和y方向的约束，底部施加x、y、z方向的约束。

3.2 本构模型与参数

3.2.1 土体模型与参数

土体采用修正Mohr-Coulomb本构模型。该模型能有效控制应力水平的相关性，较好地描述土体卸载时的力学行为，故卸载模量Eur可取3Es(Es为压缩模量）[9]。土体采用三维实体单元，根据现场岩土工程勘察报告，其物理力学参数见表1。

表1 土体物理力学参数

不同土质的土体在不同的注浆参数下进行注浆后，其各项物理力学指标将得到不同程度的改善，由此模型中注浆后土体物理力学参数选择在原来土质的基础上提升30%[10]。

3.2.2 支护结构模型与参数

支护结构采用线弹性模型，相关的结构属性、物理力学参数见表2。

表2 结构属性、物理力学参数

3.3 计算工况

对开挖全过程进行工况模拟，计算工况分为：①初始地应力平衡→②竖井施工→③竖井加固→④基坑支护桩和冠梁施工→⑤开挖至3、6、9、13、16、20 m时分别加第1～7道拉杆支护→⑥开挖至24 m时加第8道拉杆支护。

以上计算工况为全支护方案，当计算不支护方案时，没有第③步的竖井加固以及第⑤、⑥步中的拉杆支护；当计算半支护方案时，则没有第③步中的竖井南侧土体注浆加固，也没有第⑤、⑥步中的拉杆支护。

3.4 二次借力传力体系的可行性和有效性分析

二次借力传力体系由竖井南侧对拉锚杆、竖井壁及其对撑、竖井北侧预应力锚索、周边加固土组成。其中对拉锚杆为借力源，预应力锚索为供力源。因此，利用上述数值模型分别从变形和受力的角度分析该传力体系的可行性和有效性。

3.4.1 从变形角度分析

用上述模型分析在不支护、半支护和全支护3种方案下，竖井南、北两侧井壁和基坑对拉区域支护桩的水平变形（取图1中⑧号监测点处剖面）。由于该工程为一级基坑，所以支护桩水平位移控制值取2‰h(h为基坑开挖深度）[12]，即48 mm。

1）不支护

不支护方案下水平位移随开挖深度变化曲线见图4，位移值负值表示向南侧移动。

由图4可知，当采用不支护方案时，基坑对拉区域支护桩在开挖初期位移较小，开挖深度达到13 m以后，就会产生较大的向基坑内的位移，开挖深度达到20 m后最大位移值超过控制值。此时竖井南壁和北壁也都产生较大的向基坑移动的位移值，顶部位移最大，其值达到30 mm，底部位移最小，整个竖井呈现向基坑倾倒的姿态。这说明整个结构体系必须采取加固措施，否则将造成基坑和竖井失稳。

2）半支护

半支护方案下水平位移随开挖深度变化曲线见图5，位移值负值表示向南侧移动。

图4 不支护方案下水平位移随开挖深度变化曲线

图5 半支护方案下水平位移随开挖深度变化曲线

由图5可知，当采用半支护方案后，竖井北壁和南壁的位移得到明显遏制，尽管开挖初期遏制效果不明显，但开挖后期各阶段位移值较不支护方案减小10 mm左右，竖井壁位移得到有效控制，保证了安全；但对基坑对拉区域支护桩的位移遏制效果不明显，位移值仅减小5 mm左右，此时基坑支护桩最大位移值依然超过控制值，基坑处于危险状态。

3）全支护

全支护方案下水平位移随开挖深度变化曲线见图6，位移值负值表示向南侧移动。

图6 全支护方案下水平位移随开挖深度变化曲线

由图6可知，当采用全支护方案后，基坑支护桩的位移也得到了有效遏制，最大位移值已经由不支护和半支护时的60 mm左右减小到20 mm左右，远离控制值，提供了足够的安全储备。此时整个二次借力传力体系也已经成型，相较半支护方案竖井南壁和北壁的位移值也减小了5 mm左右。

通过分析以上3种支护方案的数值模拟结果，二次借力传力体系的可行性和有效性在变形方面得到了验证。但是，要探讨该体系的可行性和有效性，还需要在受力方面进行分析。

3.4.2 从受力角度分析

锚杆（索）作为受拉构件，主要是通过杆体、灌浆体和岩土体的共同作用来抵抗拉拔力的，即通过杆体与周围岩土体之间接触面上的摩阻力来抵抗拉拔力[13]。而杆端轴力又与拉拔力相等，所以对应前文，选择3号竖井南、北两侧的支护结构组成的二次借力传力体系为代表做分析，即将3号竖井南侧每排中间1根对拉锚杆两端的轴力和北侧每排预应力锚索中间1根的外端轴力提取出来（此处认为同一排中的各根对拉锚杆或者预应力锚索受力一致），根据所打设锚杆（索）总数目做加和来对比分析[14]。3号竖井南侧对拉锚杆两端轴力见表3，北侧预应力锚索杆端轴力见表4。

表3 3号竖井南侧对拉锚杆两端轴力

表4 3号竖井北侧预应力锚索杆端轴力

3号竖井南侧对拉锚杆每排11根，共8排，近基坑侧做加和后总力为10791k N，近竖井侧做加和后总力为9 724 kN;3号竖井北侧预应力锚索每排8根，共12排，做加和后总力为30 080 kN。由计算数据可知，基坑侧拉拔力传递到竖井侧后减小了9.89%，这是因为该部分力分散到对拉锚杆区域岩土体中；竖井北侧的抵抗力约为基坑侧拉力的3倍，即供力源大于借力源，保证了整个二次借力传力体系的安全和稳定，从而使该体系的可行性和有效性在受力方面得到了验证。

4、现场监测结果与模拟计算值对比

根据上述分析，全支护方案中的二次借力传力体系合理可行。基于此，将上述方案应用于实际工程，并对其进行监测。

施工中为保证工程安全，在基坑北侧设置了支护桩桩顶水平位移、竖向位移和锚杆拉力监测点（见图1）。取基坑西北角点为原点O，垂直原点向北为y轴，沿基坑北壁为x轴，在x轴上共布设10个监测点，其中①号监测点位于原点，然后向东18、38、58、70 m布置②号、③号、④号、⑤号监测点，⑥号、⑧号监测点分别设置在x轴上与2、3号竖井中心点的对应处，⑦号监测点位于⑥号、⑧号监测点的中间位置，⑨号监测点距基坑东北角点向西约10 m，⑩号监测点为基坑东北角点。各监测点都设置了桩顶水平位移和竖向位移监测项目，仅在⑥号和⑧号监测点设置锚杆拉力监测项目。设计和施工中给出桩顶水平位移控制值为46 mm，桩顶竖向位移控制值为36 mm，对拉锚杆拉力控制值为不小于0.65倍锚杆预应力锁定值且不大于锚杆轴向拉力设计值，即58.5～137.5 kN。

按照上述监测点位，在模型计算中提取相应点位处、相应计算工况下的桩顶水平位移、竖向位移和对拉锚杆轴力的模拟值，监测值和模拟值对比见图7～9。

图7 桩顶水平位移随开挖深度变化曲线

图8 桩顶竖向位移随开挖深度变化曲线

图9 对拉锚杆轴力随基坑开挖深度变化对比曲线

由图7～9可知，监测值与模拟值接近、规律相似，进一步验证了上述二次借力传力支护体系的计算分析合理，且应用于实际工程中的效果良好。

5、结论

笔者以北京某改造复建项目深大基坑工程为背景，采用有限元分析软件Midas GTS/NX数值模拟和现场监测相结合的方法，研究了水平对拉锚杆和预应力斜拉锚索在桩锚支护方案下的深基坑中组成的二次借力传力体系的可行性和有效性，其结论如下：

1）由对拉锚杆和预应力斜拉锚索组成的二次借力传力体系，使对拉锚杆抵抗了水平的轴向拉拔荷载，形成了借力源；荷载通过锚杆、竖井南壁、对撑、竖井北壁传递给锚索，锚索所受拉力经锚固段与周围土体接触传递到岩土体，形成供力源。该体系能有效解决周边存在障碍物而影响支护的基坑工程问题。

2）对于该工程竖井区域，从变形看，当不做支护时，基坑和竖井将失稳；当只做竖井北侧支护时，基坑将处于危险状态；当二次借力传力体系成型后，基坑对拉区域和竖井壁变形得到了有效遏制。从受力看，供力源提供的力大于借力源所需的力。这就从变形和受力两方面验证了二次借力传力体系的可行性和有效性。

3）从桩顶水平位移、竖向位移以及对拉锚杆轴力等数据来看，模拟值与监测值变化趋势一致且数值接近，对拉锚杆和预应力斜拉锚索组成的二次借力传力体系效果明显。

参考文献:

[1]张乐文,汪稔.岩土锚固理论研究之现状[J].岩土力学,2002,23(5):627-631.

[3]钟华,韩玉,陶志刚,等.软岩隧道NPR锚索主动控制关键技术[J].地下空间与工程学报,2024,20(2):587-596,605.

[5]田雷,谢强,张逸青,等.斜锚短桩基础受力特性与控制因素研究[J].地下空间与工程学报,2024,20(1):181-189.

[6]刘芳玲,陈文峰,李安元.预应力对拉锚杆技术在深基坑工程中的研究与应用[J].施工技术,2016,45(7):34-36.

[7]吴镇,朱丹晖,林永清.似双排桩+锚索支护体系在两相邻基坑工程开挖中的应用[J].隧道建设,2017,37(1):86-92.

[8]陈国强.北京第五广场基坑支护设计与监测[J].岩土工程学报,2008,30(Sup):612-618.

[9]孙利成.基于修正摩尔库伦模型的深基坑数值分析及变形预测研究[D].张家口:河北建筑工程学院,2021.

[10]邹趋,姜玉松.注浆对土体力学性能的影响[C]//中国岩石力学与工程学会锚固与注浆分会.第四届中国岩石锚固与注浆学术会议论文集.上海:中国岩石力学与工程学会锚固与注浆分会,2007:80-84.

[11]刘国彬,王卫东.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2009:432-433.

[12]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑基坑工程监测技术标准:GB 50497—2019[S].北京:中国计划出版社,2020:34-35.

[13]张康.基坑锚杆轴力传递机理分析及数值模拟[D].北京:北京交通大学,2015.

[14]郑筱彦,夏元友,张亮亮,等.预应力锚索(杆)群锚作用机理研究[J].武汉理工大学学报,2010,32(11):62-67.

基金资助:国家自然科学基金项目(42172299);

文章来源:孙军,彭丽云,刘兵科,等.复杂环境条件下深大基坑二次借力传力支护体系分析与实践[J].市政技术,2025,43(01):111-118.