预应力锚杆技术在基坑支护工程中的应用实践

2014-03-20曾静影

河南建材 2014年3期

关键词：钢绞线张拉锚杆

曾静影

厦门特房建设工程集团有限公司（361003）

预应力锚杆技术在基坑支护工程中的应用实践

曾静影

厦门特房建设工程集团有限公司（361003）

这里结合工程实例，讲述了预应力锚杆支护的作用原理、特点、施工程序、应注意的问题和监测内容。

预应力锚杆；施工工艺；基坑监测

随着城市建设的发展,高层建筑的大量涌现，大开挖深基坑越来越普遍，基坑支护施工成为建筑施工的重点和难点。预应力锚杆结合围护桩的支护体系由于其经济合理、安全可靠，在深基坑和边坡支护中越来越广泛地被采用。

1 工程概况及现场地质条件

厦门特房筼筜温莎公馆项目位于湖里区双浦路与金昌路交界处东侧，由四栋高层建筑及部分商业建筑构成，基坑面积20 840m2，设一层地下室，主楼采用预应力管桩复合地基，基坑开挖深度4.70～9.00m，基坑周边长约710m。基坑北侧为市政绿化用地,西侧和南侧为城市的主干道及建筑物，东侧紧临社区住宅，场地放坡空间有限。

基坑边坡岩土性质自上而下为杂填土、粉质黏土-黏土、粉质黏土、残积（砂质）黏性土。除杂填土层外均为弱透水层，其富、透水性差。本工程按二级基坑进行设计，基坑侧壁重要性系数为1.00。

2 基坑支护方案的选择与设计

2.1 基坑支护结构方案选择

如何在施工中采用经济合理，又能保证施工工期的深基坑支护方案是整个工程施工顺利的前提与基础。深基坑支护根据基坑开挖深度、地质条件及周边环境的不同有不同的施工方案。支护桩加设内支撑方案工期长、工程造价高；逆作法造价高、工艺复杂、工期长；复合型锚喷墙支护方案位移变形较大，易对周边环境造成极不利影响。桩锚式支护结构工期较短，工程造价较低，不影响地下室结构施工，适合本工程施工要求。综合以上所述，该工程确定采用钻孔桩+预应力锚杆支护方案。

2.2 预应力锚杆设计

预应力锚杆杆体材料可选用钢铰线、高强钢丝或高强螺纹钢筋。当预应力值较小或锚杆长度小于20m时，预应力筋也可采用HRB400级或HRB335级钢筋。

①锚杆预应力筋的截面面积应按下式确定：

式中：K—锚杆杆体的抗拉安全系数，按《岩土锚杆(索)技术规程》（CECS22：2005）选取；Nt—锚杆的轴向拉力设计值;fptk—钢筋、钢铰线的抗拉强度标准值。

②锚杆锚固段长度的确定：

式中：K—锚杆锚固体的抗拔安全系数；按《岩土锚杆(索)技术规程》（CECS22：2005）选取；Nt—锚杆的轴向拉力设计值；d—锚杆锚固段的钻孔直径；f—锚固段注浆体与地层间的黏结强度。

2.3 支护结构与锚杆设计

支护结构排桩采用Φ800mm@1800mm旋挖灌注桩。预应力锚杆应采用单排设置，水平间距为1 800mm。预应力锁定值为200 kN，设计采用Φ150锚孔,拉杆采用3Φs15.2钢绞线。

3 预应力锚杆支护的作用原理及特点

3.1 预应力锚杆支护的作用原理

预应力锚杆是一种将拉力传至稳定岩层或土层的结构体系，主要由锚头、自由段和锚固段组成。锚头是杆外端用于锚固或锁定锚杆拉力的部分；自由段是指将拉力传递至锚固段的杆体部分，其与锚头的共同作用实现预应力施加；锚固段是指通过注浆体或机械装置将拉力传递到周围岩层或土体的杆体部分。整个结构体系依赖杆体强度、杆体与锚固体的握裹力、锚固体与地层间的黏结强度共同作用来承受作用于支护结构上的荷载。

3.2 预应力锚杆的特点

预应力锚杆在锚杆安设后通过对杆件施加拉力，使锚杆处于受拉状态，从而对介质预先施加一定的压应力,改善岩土的受力状态，并达到加固岩土体的目的，是一种主动加固方法。预应力锚杆相比非预应力锚杆有以下特点：1）通过预应力杆体锁紧岩层介质,对围岩主动、及时地提供支护抗力,使岩土处于三轴应力状态,以保持围岩的固有强度。2）提高潜在滑面上的抗剪强度,有效阻止边坡的位移。3）按一定密度布置锚杆，施加预应力后能在地层内形成压缩区，有利于地层稳定。4）通过张拉，能检验锚杆的承载力质量。5）施工工序比非预应力锚杆复杂。

4 预应力锚杆施工工艺及控制要点

施工工艺流程：钻孔→锚杆体制作安装→灌浆→张拉锁定。

4.1 钻孔

1）锚杆采用了“压水钻进成孔法”，结合跟管钻进工艺成孔，以避免施工过程中出现水土流失的情况。2）为保证钻孔的直线形及钻进过程中不塌孔，防止松散砂层在高压水的扰动下产生管涌事故，砂层范围内设置了护壁套管钻进以封闭流沙，护壁套管采用岩芯钢管。3）钻进时要不断供水冲洗，而且要保持孔口的水位；水头压力应控制在0.15～0.30mPa。4）钻孔深度应超过设计长度0.5～1.0m，以利于注浆及保证锚杆底部范围内无沉渣。5）钻孔完成后,应继续用压力水冲稀残留在钻孔中的土屑，直至流出清水为止，成孔后应及时进行验收，安装锚杆并进行注浆处理。

4.2 锚杆体制作安装

1）锚杆体制作：锚杆体材料采用3Φs15.2强度等级不小于1 860mPa预应力钢绞线。锚体总长度为20m（未含预留张拉外露长度），其中自由段长度为6m，锚固段长度为12m，严格按设计尺寸下料，每根长度误差不大于50mm。锚杆材料下料前应除去表面污渍，不得扭曲钢绞线，死弯钢绞线严禁使用。锚体自由段涂防锈黄油二道，外包塑料布两层。结构锚体定位支架采用专用隔离架确保锚杆保护层厚度，隔离架间距1 500mm。2）锚杆体安放：锚杆钻孔至设计深度并清孔后，将制作好的锚杆体安放到钻孔内，注浆管应与锚杆绑扎牢固一并插入孔中，锚杆插入孔内深度不应小于锚杆设计长度的95%，亦不得超深，以免外露长度不足，锚杆体放入孔内后，预留外露张拉长度大于1m以上。注浆管的内端距钻孔底端距离为50～100mm。同时二次注浆管的出浆孔和端头应密封，保证一次注浆时浆液不进入二次注浆管内。二次高压注浆管应能承受二次高压注浆的压力,要求每0.5m开小孔两个，外用工程胶布绑扎。

4.3 灌浆

注浆采用二次高压注浆工艺，浆液采用纯水泥浆,水灰比0.45～0.55,注浆体强度不低于30mPa；浆液应搅拌均匀,并过筛，随搅随用，应在初凝前用完。

1）第一次灌浆：锚杆体安放入孔后半小时内应进行一次常压注浆,从孔底向上直至孔口溢浆为止，待浆面下降至一定位置后应进行补浆，以保证注浆饱满。2）第二次灌浆：二次高压注浆在一次常压注浆形成的水泥结石体强度达到5.0mPa后，且一次注浆初凝后终凝前(一般为3～5 h)进行。二次注浆达到孔口或地面冒浆后方可停止注浆。浆液制备与一次常压注浆相同，注浆压力控制在2.0～3.0mPa。在施工过程中要严格记录水泥用量，灌浆量约为一次灌浆量的40%～50%。

4.4 预应力张拉锁定

1）张拉机具安装：张拉作业在锚固体与台座混凝土强度均达到15mpa以上时进行，孔口的承压垫座必须平整、牢固、孔口对位，且承压面应与锚孔轴线垂直，使千斤顶对钢绞线施加张拉应力的方向与锚杆的轴线方向一致，保证钢绞线轴心受力。2）预张拉：正式张拉前,应先逐束钢绞线按10%～20%设计荷载进行预张拉两次,使其各部位接触紧密、钢绞线完全平直。3）张拉锁定：按设计要求锚杆张拉至设计拉力Nu值，持荷10min后卸荷至锁定荷载进行锁定，锁定荷载为设计荷载的0.4～0.5。4）锚杆锁定后如发现明显预应力损失应进行补偿张拉。

5 预应力锚杆支护施工需注意的问题

1）由于锚杆钻孔时可能会遇到地下管线而对其造成破坏，导致水管破裂、煤气泄露、通信中断等问题，因此，对基坑周边环境尤其是水、电、煤气、通讯管线要了解仔细，污水管及废弃水管也要仔细了解，甚至临近基坑管道阀门位置也要了解清楚。2）采用分层、分台阶、分段开挖，开挖一段后立即施工锚杆，尽可能做到锚杆施工紧跟开挖工作,这样可使未施工锚杆的已暴露坑壁面积最小、暴露时间最短,从而取得坑壁位移最小的效果。3）采取间隔钻孔灌浆、间隔张拉锁定的施工顺序，可降低相邻锚杆对承载力的影响。间隔钻孔灌浆可避免相邻锚杆浆液在尚未终凝时相互挤压，造成充盈系数降低，从而降低锚杆承载力。间隔张拉锁定可避免锚杆张拉后土体应力尚未完全扩散前，相邻锚杆张拉时对该锚杆土体施加外部剪切应力，降低土体对锚杆的握裹力，从而降低锚杆承载力。4）施工中应考虑水的影响，锚杆的锚固体多埋设于黏土或粉质黏土中。这些土质浸水后土体的强度及变形等力学特性急剧劣化，易导致基坑壁变形增加，因此应做好基坑降排水措施。

6 基坑支护监测结果、检验

深基坑支护监测可直观地反映基坑支护结构的实际受力情况，对基坑支护结构是否安全可靠提供直接的证据。为了确保基坑支护结构及周围设施的安全,对基坑支护结构进行监测是十分必要的。该基坑监测内容包括桩顶水平位移、周围地面沉降、地下水位及基坑边坡土体水平位移等，监测工作从土方开挖至基坑回填完结束。

1）本基坑支护工程施工，共设47个水平位移观测点、77个竖向位移观测点（含建筑物沉降监测点30个）、23个地下水位观测点、32个测斜观测点。

2）监测预警值指标

①桩顶最大竖向位移值已达到20mm，或其变化速率已连续三日达到2mm/d。②基坑周边地表最大竖向位移值已达到20mm，或其变化速度已连续三日达到3mm/d。③支护结构个别出现开裂、位移突变。④地下水位变化累计达到1 000mm,或其变化速率达到500mm/d。

3）基坑监测要求

基坑开挖深度小于5m时，每2天监测1次;基坑开挖深度为5m～坑底时，每1天监测1次；底板浇筑后7 d内，每1天监测2次；底板浇筑后7～28 d，每1天监测1次；底板浇筑28 d后，每3 d监测一次；内支撑开始拆除到拆除完成后3 d内，每1 d监测1次；当遇到监测数据达到报警值或其变化速度较快、基坑及周边大量积水、长时间连续降雨等异常情况时，应适当增加监测次数。

4）监测结果

①从各期位移量成果表显示，水平和竖向位移在基坑土方开挖和锚杆施工期间随施工日期的延续增加，后期预应力锚杆施工完成逐渐趋于稳定,最大水平位移量为-30mm,最大竖向位移量为-18mm。其余各点位移量较小。邻近的建筑物未因边坡沉降或位移而发生裂缝和倾斜，达到设计预期效果，保证基坑围护及建筑物的结构安全。②地下水位变化幅度在1.0m范围内，无异常波动，后期随着进度变化较小。测斜观测点最大数值达到18mm，其余各管点均小于10mm，土体测斜表明锁口梁以下基坑支护段，坑壁土体稳定。

5）锚杆的试验与检验

本工程共施工312根锚杆，按5%选取16根进行验收试验。试验结果表明，全部锚杆均通过了设计荷载。弹性变形符合设计要求，未出现破坏现象。