松散层中紧邻构筑物小倾角超长锚索设计施工

2018-10-26张跃

西部探矿工程 2018年10期

张跃

（1.江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏南京210007；2.镇江八一四勘察测绘有限公司，江苏镇江212005）

1 概述

锚索是由钢绞线、注浆形成的固结体、锚墩等组成的受拉杆件，其一端锚固在岩土体内。锚索是一种主动受力杆件，发挥作用前先对钢绞线（钢绞线束）施加预应力，从而限制岩土体发生变形。锚索通常应用在大吨位、在已出现变形或对变形要求严格的工程部位[1-4]。

中华人民共和国行业标准《建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012》4.7.8[5]：锚索倾角宜取15°～25°，且不应大于45°，不应小于10°；锚索的锚固段宜设置在土的粘结强度高的土层内。当在毗邻地下构筑物的松散层中应用锚索时，会遇到以下问题：锚索孔在粘结强度低的松散层，导致成孔难度大；为了不影响毗邻的地下构筑物，设计的锚索长度不小于30m、倾角小于10°，因此要求有水平孔施工的技术能力，增加了成孔难度；由于锚索毗邻地下构筑物，施工时需对锚索精确定位，施工风险高。

作者以江苏省南京市某基坑支护工程锚固段设计和施工为案例，成功解决了松散层中紧邻构筑物小倾角超长锚索设计施工问题，供同行借鉴。

2 工艺原理

松散层因自身强度低，易垮塌。为了维持松散层的稳定性，需要采取合适的方法对松散层进行加固。如对松散层的变形控制要求严，人们通常采用锚索，锚索结构主要包括锚固段、自由段、锚索、锚墩4部分（图1）。

图1 锚索结构示意图

当锚索位于松散层时，锚索是靠锚索张拉荷载转化为对固结体的压力，引起固结体与松散层孔壁间的剪应力，从而达到锚固效果。因此，影响锚固段锚固效果的主要有3个因素：锚索体与固结体间的粘着力，固结体与松散层孔壁之间的粘着力，锚固段松散层的抗剪力。在处理松散层边坡时，起控制作用的主要是固结体与周围松散层孔壁间的粘着力。为了增加锚固力，可采取增加锚固段长度、二次注浆工艺。二次注浆工艺不仅增强了固结体与周围松散层孔壁间的粘着力，而且使浆体进入松散层内提高了锚固段松散层的抗剪力。

预应力锚索锚固力的确定，关系到被加固对象的长期安全性。预应力锚索锚固力的锁定值受松散层的蠕变、钢铰线松弛、施工质量等因素的影响会产生一定的变化。锚固力损失超过一定值时，将导致其锚固功能的减弱或失效，给加固对象带来极大的危害。在锚索张拉过程中，张拉荷载通过锚墩和锚固段传递到松散层中，使锚索张拉影响范围内的松散层处受压状态。为了减少锚索预应力的损失，可采取加大锚墩尺寸、设置框格梁及采用小吨位锚索等方式，这样可以减少对松散层的压缩，避免单根锚索吨位过大、应力较为集中对松散层边坡稳定不利的问题[6-8]。

3 超长锚索设计

江苏省南京市某基坑支护工程北侧侧壁由杂填土、素填土组成松散层，两者厚度之和大于10m。杂填土由矿渣堆积，松散；素填土以粘性土为主，松散，夹小碎石。为了基坑北侧侧壁的稳定，支护结构采用预应力锚索，锚索分2层。上层长度48m，共32束，设计抗拔力为500kN，锚索的锚头设计标高25.8m，锚索孔径180mm，锚索宽度55m；下层长度39m，共12束，设计抗拔力为500kN，锚索的锚头设计标高23.8m，锚索孔径180mm，锚索宽度55m（图2）。锚萦长度不小于30m，属于超长锚索。

图2 锚索及地下周边环境剖面图

因为锚索孔底端及锚固段毗邻拟建的隧道，为了不影响未来隧道的开挖，2层锚索孔倾角5°，设计的锚索离拟建的隧道开挖面顶最小距离为0.94m。

4 超长锚索施工

成孔是应用锚索的第一步，在松散层钻进时采用套管跟管钻进成孔法。松散层中紧邻构筑物小倾角超长锚索施工采用套管间歇给进法，即钻进一段距离后，再给进套管，给进机构位于孔口。

在小倾角、超长锚索成孔过程中，由于钻头、钻杆和套管的重力作用，钻孔容易产生向下弯曲。弯曲的钻孔使锚索孔的终孔位置偏离设计点，削弱了锚固效果且对毗邻的地下构筑物产生不良影响。因此，采用如图3所示的措施来解决锚索孔成孔过程中的保直问题：（1）按设计、计算数据得到锚索孔的方位角，然后选择水平数字罗盘测斜仪指示锚索孔方位角；（2）开孔倾角比设计锚索倾角上倾0.5°～1.5°；（3）在钻杆上加装扶正器使钻头、钻杆保持在锚索孔的中心位置，减小锚索孔的弯曲；（4）采用孔口支撑；（5）低速低压钻进，转速25～40r/min。

图3 锚索孔保直技术措施图

具体采取的锚索孔保直施工技术措施如下：

（1）采用YG-100全液压锚杆钻机套管跟管钻进成孔法，钻具组合为：∅73mm钻杆+∅180mm套管+扶正器+∅145mm合金钻头；按每2根钻杆加装一个扶正器。

（2）钻机就位前采用水平数字罗盘测斜仪控制钻杆的倾角及方位角，钻机开钻前采用孔口支撑，钻机开钻时每进尺10m，采用水平数字罗盘测斜仪控制套管的倾角，计算锚索对应位置的标高，并预测其与隧道开挖面之间的位置关系，以便做出相应调整。

（3）低速钻进，转速30r/min。

（4）开孔倾角采用3.5°～4.5°角度开孔；开孔倾角比设计锚索倾角上倾0.5°～1.5°。

（5）钻进过程中经常检查钻杆的倾角与钻机平整度，确保锚索孔的倾角满足设计要求。

通过上述锚索孔保直施工技术措施，44束锚索距隧道开挖面距离不仅在设计允许范围内，而且最小距离达到了0.74m，确保了基坑北侧侧壁的稳定，保证了基坑支护工程的顺利施工。同时，不仅对后续隧道的开挖没有任何影响，而且有助于隧道的开挖。

锚索钢绞线束采用嵌砂型环氧涂层钢绞线。制作时，先把整卷的钢绞线用钢管架固定好，再拆捆放线，切割长度为锚索长度加1.0m（千斤顶工作长度），每根钢绞线束有5根钢绞线，平直排列，锚固段间隔1.0～1.5m设置一个隔离架并与钢绞线绑扎牢固；锚固段钢绞线呈梭形，即在隔离架之间用扎筋绑扎钢绞线；隔离架使用定型的塑料产品，确保钢绞线保护层厚度满足设计要求。自由段涂抹防腐油脂后，套装塑料管，并将套管两端封死。压浆用2根注浆管平行穿于中间与钢绞线绑扎在一起，注浆管采用∅20mm塑料管。

由于钢绞线束较长、较重，入孔要慢，确保在锚索孔内平直不扭，安放采用人工辅以机械方式进行，钢绞线束曲率半径应大于3m，安装推送过程用力要均匀，以免损坏锚索配件和环氧涂层。如果发现钢绞线束送入锚索孔内困难将钢绞线束抽出时，要对抽出钢绞线束的损坏部分进行修复。为预防下钢绞线束过程中注浆管被土堵塞，可连接注浆泵，开小流量注浆，边下锚边送水泥浆，直至送达预订位置。由于钢绞线束安放时有套管存在，要防止钢绞线与套管口直接接触，需提前在套管口包好塑料护套，派专人在孔口观察，控制钢绞线束居中放置入孔中。以确保钢绞线的环氧涂层不被破坏。钢绞线束入孔深度不得小于设计长度的98%。

注浆采用二次注浆工艺，第一次注浆工艺材料选用水泥砂浆，第二次注浆选用纯水泥浆。第一次注浆的水泥∶砂∶水＝1∶0.6∶0.45，注浆压力0.4MPa，直至浆液从孔中溢出。第二次注浆选用纯水泥浆，水灰比0.45，注浆压力2.5MPa，使水泥浆冲破薄膜及初凝砂浆，注入到砂浆、松散层之间和松散层内，待注浆压力达到设计要求后1～2min且孔口有冒浆现象时，结束注浆。在水泥砂浆固结体强度达到5.0MPa后进行第二次注浆。注浆压力和注浆时间可根据锚固段的体积确定，并分段依次由上而下进行。锚固体养护至龄期后的抗压强度不得低于30MPa，注浆设备应有足够的浆液生产能力和所需的额定压力，采用的注浆管应能在1h内完成单根桩的连续注浆。注浆开始或中途停止超过30min时，应用水或稀水泥浆润滑注浆管及其管路。

锚墩为圈梁、腰梁。当固结体强度大于20MPa并达到设计强度75%后可进行张拉。张拉前对锚索进行预张拉二次，每次张拉力为50kN，使锚索各部位接触紧密，锚索张拉荷载要分级逐步施加，不能一下加至锁定荷载。永久锚索的防腐处理主要为材料的自防腐，自由段钢绞线涂抹防腐油脂后，套装塑料管，并将套管两端封死。锚头的锚具经除锈、涂防腐漆3遍后采用钢筋网罩、现浇混凝土封闭，且混凝土强度等级不低于C35，厚度不应小于100mm，混凝土保护层厚度不应小于50mm。