高压旋喷预应力锚索在某基坑支护中的应用

姚卫林，李明金，李东方

(中国水利水电第十工程局有限公司， 四川成都 610072)

高压旋喷预应力锚索是一种将大直径水泥土桩体与传统锚索相结合而成的新型锚索结构，它利用高压旋喷钻机按一定角度在土体中成孔、喷射水泥浆，充分搅拌形成预计桩体，同时利用钻机钻头将锚杆(索)带入旋喷桩体中，施加预应力后形成高压旋喷预应力锚索。

1 工程概况

杭州某项目总占地面积约4×104m2，总建筑面积约为13×104m2，依据住房和城乡建设部住建部令第37号《危险性较大的分部分项工程安全管理规定》、住房城乡建设部办公厅关于实施建办质〔2018〕31号《危险性较大的分部分项工程安全管理规定》有关问题的通知，并结合本项目实际情况，该工程为危大基坑工程，施工前方案通过了专家论证。基坑南侧及北侧土质较差，且上部为较厚的淤泥质软土层(厚度6.5～11m)基坑北部离原有建筑(道路)太近。

2 工艺原理及特点

2.1 工艺原理

锚杆(索)由三个构成部分，分别是：锚固端、自由段、锚头组成。其中锚固段存在于土体之中，其作用是提供稳定力。自由段连接锚固端，它可以传递力，能够提供一定的延伸。锚头是把拉力施加在腰梁、冠梁侧，并进行锁定。高压旋喷锚索形成的大直径水泥土桩，可以改善软土特性，软土改善为强度较大的土体；形成的旋喷桩和土层间会产生较大的摩擦阻力，进而生成强大的锚固力。钢绞线施加预应力以后，借助加大的水泥土桩体，此时传递到土中的应力变小，进而使得软土的流变变形降低，改善了钢绞线体传递给软土体的受力条件，对被加固土体的变形产生有效约束作用。

2.2 工艺特点

(1)旋喷锚索施工时造孔、下锚(钢绞线)、喷浆、搅拌提升等程序一次完成，能有效克服普通锚索在软弱淤泥质土层造孔时存在的坍孔、缩颈等成孔困难等问题，以保证锚索的施工质量。

(2)锚固体直径大(一般300～1 000mm)能有效降低锚索周围土体的应力水平，减少锚索塑性变形，再通过预张拉，能有效控制支护结构位移和内力，达到有效约束变形，减少蠕变变形的目的。

(3)锚固体直径大，锚固体端部可通过复搅、增大浆液喷射压力等措施形成“扩大头”，它既有常规断面又有扩大头，能有效克服淤泥质土侧阻力小的缺点，锚固力较常规锚索可提高3～6倍。

(4)高压旋喷预应力旋喷锚索即可单独使用充分利用岩土自身强度，从而节省大量的工程材料，同时又可与其他支护结构组合使用，改善受力状态，具有显著地经济效益。

(5)锁定后占用空间小，不影响土方开挖及后续工序施工，对场地狭小放坡困难且有相邻建筑具有独特优越性。

3 适用范围

旋喷锚索加固技术已广泛应用于边坡治理及建筑深基坑支护等工程，可以单独使用又可与其他加固结构联合使用，其“桩锚式结构”应用较广泛，且高压旋喷锚索在软弱淤泥质土层中也能获取比常规预应力锚索更大锚固力。

4 施工工艺流程及操作要点

4.1 工艺流程

高压旋喷锚索施工流程见图1。

图1 高压旋喷锚索施工流程

4.2 施工操作要点

4.2.1 测量定位

根据设计提供的桩定位坐标点及建设单位提供的基准点，在施工场地内布设施工测量控制点和水准点，并经建设、监理单位验收无误后，进行旋喷锚索孔位测量放线，待坑壁修整后定位并用红油漆标记出需要施工的锚索孔位点，并设置醒目标志标明锚索孔号、孔深，防止施工人员或者机械设备破坏，施工过程中要经常对基点高程进行复测。锚孔定位误差小于50mm，孔斜误差小于±1°。

4.2.2 钻机就位

旋喷锚索钻机施工作业对场地稳定性的要求较高，在钻机移机就位前应对施工作业面平整、清除杂物，软弱层铺设钢板，保证钻机底座在稳固场地施工，以免产生不均匀沉陷，确保旋挖钻机在成孔施工过程中的安全性与准确性。

根据设计要求及相关规范要求：钻杆角度由罗盘校核，角度偏差小于±1°，开孔平面位置空位偏差为±50mm，。

4.2.3 钻进引孔

(1)为避免施工对周围环境和自身成孔过程中的塌孔的影响，本工程锚索成孔采用旋喷工艺，即水泥混合泥浆护壁成孔，一次成形，严禁水冲成孔工艺；锚索引孔喷浆压力取10～12MPa范围,自由段范围内应减压至5MPa以下。

(2)锚索施工采用功率不小于45kW，扭力不小于3 800kN的履带式旋喷锚杆机，注浆泵选用最大功率不小于90kW,注浆压力不小于40MPa的注浆泵施工。

(3)钻孔施工符合下列要求：

①钻杆钻孔时不得扰动周围地层。②锚杆(索)平面位置偏差± 50mm，钻孔倾斜角度误差不得大于1 °。③锚杆(索)钻孔的深度应比设计锚索深0.5m，孔径不小于设计要求。

4.2.4 锚索制作及下放

钢绞线下料长度计算公式：

L=a+b+c

式中，L为钢绞线下料长度,mm;a为钢绞线设计长度,mm;b为外锚头厚度，mm；c为锚具长度(垫板、千斤顶)，mm。

锚杆(索)自由段涂防锈漆两道并用塑料套管包裹,两端用胶带密封。制作完成的锚索整体性好，无伤痕，不变形错位。

锚索下放利用旋喷钻机钻头顶住锚盘喷浆推进，速度不超过0.6m/min。

4.2.5 高压喷浆扩孔

利用旋喷钻机钻杆顶住锚盘喷浆推进锚索(钢绞线)下放至设计孔深，锚盘与喷浆钻杆分离后，钻杆后退旋喷扩孔，并在扩孔锚固段来回往返扩孔，以确保扩孔直径和旋喷注浆量在锚孔中的充盈性和饱满性，高压水泥浆从底部钻头和侧翼喷嘴向外喷射，喷射过程中同步对周侧的土体进行切割，形成扩大桩头(图2)；为保证下部淤泥质软土层锚固扩大段扩径达到设计直径600mm的要求，水泥浆水灰比为0.80，φ600mm扩孔段注浆喷射压力控制值在20～25MPa之间选择调整,旋喷转速控制在20～40r/min,浆液流量控制在60-70L/min；为确保锚孔直径达到不小于400mm的成孔要求，锚索在淤泥质土层中的施工，注浆旋喷压力需在12～15MPa之间选择调整，水泥浆水灰比0.55。

图2 旋喷成孔锚固体

锚索施工期间应计算核对每孔水泥总注入量与设计每孔总量之间是否吻合，若发现两者差异很大，应及时检查浆液浓度配比、注浆压力和钻进速度是否符合达到孔径400mm和扩孔600mm的注浆要求，并及时调整注浆泵注浆压力、浆液浓度配比和旋喷钻进速度。

扩孔施工符合下列要求：

(1)锚索钻孔后用高压喷射水泥浆注浆、扩孔。钻孔φ400mm，锚固段扩孔φ600mm，选用P.O42.5普通硅酸盐水泥，水灰比0.55～0.8(根据现场地层情况调整)，水泥用量推进段(孔径400mm段)每米不小于62kg，高压扩大段(孔径600mm段)每米不小于140kg。

(2)在扩孔过程中出现压力突然上升或下降时，查明原因并及时采取相应处理措施。

(3)施工中严格按照试验确定的施工参数进行施工，如实作好各项记录 。

4.2.6 锚具安装

锚垫板采用 160mm×160mm×15mm钢板，锚具采用OVM15-3型锚具,腰梁施工前需预先将钢绞线理顺并对穿过腰梁的钢绞线套上PE管，防止钢绞线和腰梁混凝土浇筑在一起。安装锚具及锚垫板时应将腰梁面清理干净同时锚具面与钢绞线受力面应保持垂直(图3)。

图3 锚头

4.2.7 张拉锁定

(1)张拉前应对张拉设备进行标定。

(2)养护时间为28d龄期或水泥浆体达到设计强度的75 %，当腰、冠梁混凝土达到设计强度的80 %及水泥浆体满足养护要求后方可进行张拉锁定。

(3)锁定的腰、冠梁承压面要平整，并与锚索的倾斜方向垂直。

(4)锚索的张拉顺序应考虑临近锚索的相互影响。

(5)预应力筋张拉采用先单根预张拉再整体张拉。根据设计荷载及规范要求分级张拉完成；分级张拉完成后观测锚头无位移现象后再按锁定荷载锁定。

(6)下层土方须在预应力锚索锁定后才能开挖。

5 试验与监测

施工前应进行高压旋喷试验锚施工，在试锚施工过程中，应收集资料，复核地质资料及设备、工艺等是否适宜，确定施工参数，施工前应进行材料试验，锚索受力性能试验及验收试验。各项试验应提出实验报告，实验报告的主要内容包括： 试验方法、数量使用的材料、设备、仪器、加载过程、伸长值量测，实验结果整理分析，并作出试验结论；监测工作必须与锚索张拉同步进行，及时整理资料，迅速反馈信息，按照设计规范要求对基坑、周边建筑物、道路管线的沉降位移进行监测，在基坑四周设置水平位移及沉降观测点，基坑监测必须由专人对监测结果及时进行反馈，发现异常情况及时通知相关人员，作研究处理。

6 结束语

高压旋喷预应力锚索通过在软弱淤泥质地层中的成功应用，验证了旋喷锚索结合钻孔灌注桩支护结构能有效限制支护结构变形，大直径旋喷锚索能够有效减低锚固体与土体之间的应力水平，显著降低了锚索的蠕变量，更好地控制了基坑位移；能够适应复杂的基坑周边环境；当上部地层为较厚的淤泥质土层时而地层下部为较好土层时，可适当增加锚索倾角，将锚固段深入下部较好土层，能有效提升锚索可靠度；旋喷锚索施工时锚固端3～5m应增加喷搅次数或提高喷浆压力，在锚固端头部形成扩大头，提高锚固力减少锚索塑性变形。