关于改进地铁车站预应力锚索施工工艺的措施和方法

石翠颖

（昆明地铁运营有限公司，云南昆明650500）

关于改进地铁车站预应力锚索施工工艺的措施和方法

石翠颖*

（昆明地铁运营有限公司，云南昆明650500）

通过昆明地铁首期广电大学站的工程实例,分析预应力锚索在桩锚支撑体系中的设计原理和施工效果,优化和解决锚索施工过程中的施工技术要点和不足之处,保证了基坑及周围建筑物的安全，对类似工程提供一定的参考经验。

地铁车站；深基坑；预应力锚索；支撑体系；施工工艺

1 工程概况

1.1 工程概况

广电大学车站全长为390m，标准段结构外包宽度为20.7m,开挖深度约21.5～23.1m。车站主体为地下2层,采用双柱三跨（局部单柱双跨）的钢筋混凝土箱形结构。基坑围护结构采用钻孔灌注桩+钢支撑支护体系、钻孔灌注桩+锚索、放坡+土钉三种支护形式，其中桩号DK41+541.75～DK41+715.900围护结构采用∅1000mm@1600mm钻孔桩+内支撑的形式，桩号DK41+715.900～DK41+943.269围护结构北侧采用∅1000mm@1250mm钻孔桩+锚索的形式，桩号DK41+715.900～DK41+943.269围护结构南侧采用放坡+土钉的形式，采用明挖顺作施工方法。车站围护结构平面示意图如图1所示。

图1 广电大学站围护结构平面示意图

1.2 工程地质条件

素填土①：大部分钻孔见及该层，分布于场地表层，层厚1.00～14.10m。为近期人工堆而成，主要成份为粘性土，部分未压实，呈松散状，多数已压实，稍固结，局部见有碎石，属Ⅰ级松土。

③1-2层：粉质粘土，黄灰色、褐黄色，可塑，属Ⅰ级松土。属中等压缩性土。层厚1.00～6.00m，顶面埋深0～18.0m，标高1924.89～1937.99m。建议地基基本承载力取σ0＝130kPa。

③1-3层：粉质粘土，黄灰色、褐黄色，硬塑，属Ⅱ级普通土。属中等压缩性土。层厚2.00～19.00m，平均厚度 7.58m。顶面埋深 0～7.2m，标高 1927.70～1942.59m。建议地基基本承载力取σ0＝150kPa。

1.2.3 基岩

下伏基岩为寒武系粉砂质泥岩、粉砂岩，该层埋深一般13～40m，按风化程度及强度的差异可分为全风化带、强风化带及中风化带。现分述如下：

⑦1-1全风化粉砂质泥岩（W4）：褐黄色、褐红色，原岩结构基本破坏，岩芯呈坚硬土状或土夹岩状，岩质状，手可捏碎，泡水易软化。属Ⅲ级硬土，层厚2.00～12.00m，平均厚度4.48m。顶面埋深0～39.6m，标高1898.47～1951.28m。建议地基基本承载力取σ0＝200kPa。

⑦2-1强风化粉砂质泥岩（W3）：灰黄色、黄褐色，原岩结构清晰，裂隙很发育，裂隙面多见铁质浸染，岩芯呈碎块状为主，风化不均匀，局部夹有中风化岩，岩芯呈短柱状，锤击易碎。属Ⅳ级软石。层厚1.2～26.9m，平均厚度8.67m。层面埋深0～43m，层面标高1895.07～1949.70m。建议地基基本承载力取σ0＝300kPa。

⑦3-1中风化粉砂质泥岩、泥岩（W2）：紫红色、青灰色，泥质结构，层状构造，裂隙发育，岩芯以柱状为主，岩石较软，泡水易软化。风干易裂，属Ⅴ级次坚石。层厚1.00～20.9m，平均厚度6.07m。层面埋深2～48m，层面标高1896.58～1947.76m。建议地基基本承载力取σ0＝400kPa。

⑧2场地内构造角砾岩：原岩为强风化泥质粉砂岩，灰黄色、黄褐色，岩石挤压破碎，呈角砾状，角砾母岩为砂质泥岩，角砾大小一般为0.5～10.0cm，泥质胶结，胶结较好，局部见擦痕及挤压迹象。层厚5.4m，层面埋深15.00m，层面标高1935.99m，建议地基承载力取σ0＝300kPa。

1.3 水文地质条件

根据地下水的形成、赋存条件、水力特征及水理性质，地下水划分为以下基本类型：松散岩类孔隙潜水、基岩裂隙承压水，局部偶有赋存人工填土层中的上层潜水。

（1）孔隙潜水。孔隙潜水主要赋存于第四系含水层中，其含水性能与砂粒含量、形状、大小、颗粒级配及粘（粉）粒含量等有密切关系。

人工填土①具弱等透水性，粉质粘土③-1及基岩全风化层，成分以粘粒为主，透水性及富水性差，为相对隔水层，水量贫乏。

（2）基岩裂隙水。场地内基岩岩性为寒武系（τ），裂隙较发育，地下水量较小。主要靠上层的孔隙潜水下渗补给，基岩裂隙水较贫乏。

场地主要位于剥蚀残丘及丘间谷地区，水位变化较大。勘察期间测得地下水稳定水位埋深2.20～9.70m，相应标高1931.98～1944.13m。地下水位变化主要受气候的控制。

（3）地下水的补给、径流、排泄条件。第四系地层中的地下水主要受大气降水及地表水入渗补给，水位变化因气候、季节而异；基岩地下水（裂隙水、）受大气降水、地表水和上层地下水补给,局部略具微承压。地下水的排泄方式主要有蒸发、侧向径流、低洼处天然露头。根据纵断面图各钻孔的稳定水位线及地形地貌分析，地下水的流向：从西北流向东南。

（4）水质及腐蚀性评价。场地地下水对砼无腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性，对砼结构中钢筋无腐蚀性。

1.4 承载力特征值及桩侧摩阻力参数

地质报告提供各土层的承载力特征值及桩基参数见表1。

表1 承载力特征值及桩基参数

2 锚索设计参数

锚索均采用7∅5mm钢绞线，预埋钢套管壁厚t= 3mm，注浆材料采用水灰比为0.38～0.45的水泥浆，注浆体的设计强度不应低于20MPa。锚索总长度＝1.5m张拉余长+自由段长度+锚固段长度。基坑围护桩采用直径1000mm的钻孔灌注桩，间距1250mm。为减少密集锚索的“群锚效应”，锚索设计水平角度采用10°、15°间隔布置。

锚索布设示意图如图2所示。

3 锚索施工工艺及注意事项

3.1 锚索施工工艺的改进研究方向

锚索的施工方法有多种，影响锚索施工质量的重要因素是锚索的承载力是否达到设计要求。因此，在施工过程中，因紧紧围绕这个重点来改进其施工工艺。根据以往的试验研究表明，主要影响锚索承载力的有3个方面：（1）岩土层的物理力学性质及地下水的动态决定了锚索注浆体与岩土层粘结力的大小，应尽可能将锚索的锚固段锚入坚硬土层和岩层中；（2）锚索成锚过程中（如成孔、制锚、洗孔、一次灌浆和二次灌浆等）中的质量控制问题；（3）锚索张拉锁定过程中预应力损失。

从施工角度考虑，只有（2）、（3）与施工单位的技术水平及施工经验有密切关系。

3.2 锚索施工设备的选择

图2 车站锚索横断面设计示意图（单位：mm）

锚索作为一个广泛应用的边坡防护形式，已经具有成熟施工工艺和经验，所使用的设备包括锚固钻机、潜孔钻机、全液压锚固钻机、履带钻机、全液压履带钻机等。但根据以往的施工经验和设备性能比较，为满足本项目工期紧、质量要求高等特点，选择采用全液压履带钻机，其具有成孔速度快、成孔角度易控制、可根据地下水情况选择干钻和水钻的特点，且机械化程度高、移机速度快、操作简单、施工人员少等优点。

3.3 锚索的试锚施工

由于在施工过程中锚索的实际锚固力在不同地层和水文条件或受施工设备和工艺的影响会与设计理论值有差别。为了确保施工后锚索锚固力达到设计要求，应在不同地层中和水文条件下，按照现场采用的施工设备、施工工艺和方案进行锚索试验施工，以得出锚索实际所能达到的参数是否满足设计要求，以便于设计单位对设计参数进行优化和调整。具体试锚方法如下：

（1）基本实验每道锚索采用2根锚索，用作基本试验的锚索参数、材料及施工工艺必须和工程锚索相同。

（2）最大试验荷载（Qmax）不应超过钢丝、钢铰线、钢筋强度标准值的0.8倍。

（3）砂质土、硬粘土中锚索基本试验加荷等级与测读锚头位移应遵守下列规定：

①采用循环加荷初始荷载宜取A·fptk的0.1倍，每级加荷增量宜取A·fptk的1/10～1/15。

②砂质土、硬粘土中锚索加荷等级与观测时间见表2。

③在每级加荷等级观测时间内，测读锚头位移不应少于3次。

④在每级加荷等级观测时间内，锚头位移量不大于0.1mm时，可施加下一级荷载，否则要延长观测时间，直至锚头位移增量2.0h小于2.0mm时，再施加下一级荷载。

⑤锚索破坏标准：

a.后一级荷载产生的锚头位移增量达到或超过前一级荷载位移增量的2倍。

b.锚头位移不收敛。

表2 锚索基本试验加荷等级与观测时间

c.锚头总位移超过设计允许位移值。

3.4 锚索施工注意事项

3.4.1 钻孔

土层锚索钻孔应遵守下列规定：

（1）钻孔前，根据设计要求和土层条件，定出孔位，做出标记。

（2）锚索水平方向孔距误差不应大于50mm，处置方向孔距误差不应大于100mm。

（3）钻孔底部的偏斜尺寸不应大于锚索长度的3%，可用钻孔测斜仪控制钻孔方向。

（4）锚索孔深不应小于实际长度，也不宜大于设计长度的1%。

（5）安放锚索前，湿式钻孔应用水冲洗，直至孔口流出清水位置。

3.4.2 注浆

（1）锚索注浆应遵守下列规定：

①注浆材料应根据设计要求确定，一般宜选用灰砂比1∶1～1∶2，水灰比0.38～0.45的水泥砂浆或水灰比为0.40～0.45的纯水泥浆，必要时可加入一定量的外加剂或掺和料。

②注浆浆液应搅拌均匀，随搅随用，浆液应在初凝前用完，并严防石块杂物混入浆液。

③采用孔底返浆注浆法进行注浆,注浆压力一般为0.5～0.7MPa,直到孔底返浆从孔口溢出，普通注浆后再进行二次劈裂注浆。

④锚孔灌浆作业用孔底返浆方式注浆，直至锚孔孔口溢出浆液或排气管停止排气时，方可停止注浆。注浆结束后，应观察浆液的回落情况，若有回落应及时补浆。

⑤浆体硬化后不能充满锚固体时应进行补浆。（2）注浆体的设计强度不应低于20MPa。

3.4.3 张拉与锁定

（1）台座的承压面应平整并与锚索的轴线方向垂直。

（2）锚索的张拉应遵守下列规定：

①锚索张拉前应对张拉设备进行标定。

②锚固体与台座混凝土强度均大于时方可进行张拉。

③锚索张拉应按一定程序进行锚索张拉顺序应考虑邻近锚索的相互影响。

④锚索正式张拉之前，应取0.1～0.2设计轴向拉力值Nt，对锚索预张拉1～2次，使其各部位的接触紧密杆体完全平直。

⑤永久锚索张拉控制应力σcon不应超过0.6fptk，临时锚索张拉控制应力σcon不应超过0.65fptk。

（3）锚索张拉至1.1～1.2Nt，土质为砂质土时保持10min，为粘性土时保持15min，然后卸荷至锁定荷载进行锁定作业。锚索张拉荷载分级及观测时间应遵守表3的规定。

表3 锚索张拉荷载分级及观测时间

4 改进锚索施工工艺的几点措施和方法

根据锚索试锚施工和现场施工中得出的经验和数据，锚索在不同地层中和水文条件下，其锚固效果不尽相同的，有时与设计参数有所差异，并与所采用的机械设备、施工工艺和方案密切相关。因此，在施工中因根据现场实际地质和水文条件，选择合适的机械设备、施工工艺和方案，必要时，及时调整设计参数。并提出以下几点改进措施和方法。

4.1 锚索施工工序调整

将冠（腰）梁施工工序提到的钻孔施工工序前。由于目前锚索施工工艺都是先进行锚索钻孔施工，然后再进行混凝土骨架或是冠（腰）梁施工，这样就容易发生在锚索钻孔过程中，孔位水平角度的控制大部分凭操作人员简易的测量方法进行操作，就容易造成孔位的上下、左右偏位，影响施工精度。而在冠（腰）梁中设置了导向管，这样更容易准确控制锚索孔位水平角度，提高了施工精确度。

4.2 锚索制作

由于钢绞线是柔性材料，在钻孔内放置钢绞线难以保证钢绞线都平直和张紧，当多束钢绞线同时张拉时，由于各束钢绞线之间的张紧程度不同，往往使得不同束钢绞线之间受力相差悬殊。为减少这种情况，因此在制作锚索时，可将隔离支架间距加密到1.0m，并增加两根∅25mm钢筋作为纵向骨架固定，这样就可以将不同束钢绞线固定牢固，增加多束钢绞线张紧一致程度，在放置钢绞线时，能有效地提高钢绞线的平直度、张紧度和整体刚度。

4.3 锚索成孔方法的选择

锚索成孔方式可分为干钻和水钻2种方法，由于采取水钻法，会造成孔壁周围岩土层附着泥浆，造成孔壁表面平顺、光滑，将大大减少注浆体与岩土层的摩阻力，从而影响锚索的锚固力。但是在存在地下水的岩土层时，必须采用水钻法方可将钻进过程中钻出的岩土体通过水流带出孔外，但需做好清孔工作。因此，成孔方法上应根据地质和水文条件进行合理选择，在条件允许的情况下，建议尽量采用干钻法。

4.4 锚索张拉锁定的控制

由于在张拉锁定过程中，由于自由端被部分水泥浆包裹、冠（腰）梁的承压面与钢绞线不垂直、钢绞线与锚具间的摩擦力等因素影响，将造成锚索预应力大量损失，从而影响锚索实际承载力。因些，建议在锚索正式施工前，进行试锚索施工，收集相关试验数据，经与设计单位确认后，合理确定超张拉系数。

5 结束语

预应力锚索已广泛应用于公路、铁路、市政道路的路基边坡防护，其施工工艺成熟，应用效果得到了大量工程案例印证，其实用性、技术性已趋于完善，通过大量工程实践表明，锚索体系的锚固力除受工程地质、水文地质条件的影响外，还要受到施工工艺、技术措施、施工控制、材料等因素的影响，不利于充分发挥出锚索的最大效果。为确保锚索体系的安全性和有效性，必须从设计和施工两方面采取有效措施，合理选择锚索设计参数，优化和改进锚索施工工艺，加强过程质量控制。

[1]中华人民共和国建设部.GB50330-2002建筑边坡工程技术规范[S].

[2]中国工程建设标准化协会.CESS22-2005岩土锚杆（索）技术规程[S].

[3]唐孟雄.基坑预应力锚索锚固力试验研究[J].岩石力学与工程学报,2007(6)：1158.

[4]陈晓文，杨光华，张君禄，等.广州凯华城基坑采用土钉墙支护设计实践[J].岩石力学与工程学报,2004(17)-3021-9.

U459.3

B

1004-5716(2015)01-0181-05

2014-06-13

2014-06-19

石翠颖（1977-），女（汉族），辽宁阜新人，工程师，现从事专业技术管理工作。