深基坑支护预应力锚索同步施工技术

2021-03-03刘轶博黄其鑫

施工技术(中英文) 2021年1期

刘轶博，雷斌，宿峰，张工，黄其鑫

(深圳市工勘岩土集团有限公司，广东深圳 518063)

0 引言

随着城市建设的快速发展，深基坑支护工程日益增多，支护结构体系也有多种形式，其中“支护桩+预应力锚索”的桩锚支护形式，因其施工简单、经济等特点被广泛采用。目前普遍应用的常规锚索受其施工工艺限制，施工过程中的成孔、锚索下放、注浆等一系列工序均需按先后次序逐步操作完成，施工时间相对较长，且锚固力提升空间不高，无法满足工期紧、任务重、质量要求高的锚索施工项目。

深基坑支护预应力锚索同步钻进、跟锚、注浆扩大头锚固施工技术，在原有常规锚索施工的基础上对施工工序和机械设备进行优化改进，解决了常规锚索工序不连续、作业时间长、锚固力提升空间小等问题。本文结合具体工程实例，对其施工工艺进行详细阐述。

1 工程概况

1.1 工程位置及规模

西安国际文化中心土方开挖及基坑支护工程项目，位于西安市雁塔区长安南路与纬二街十字东南角，西接长安南路、东临规划道路、北邻雁塔西路、南靠红专南路。该工程南北向长度为283.9m，东西向长度为101.6m，基坑底周长727.0m，开挖深度22.8～27.3m。

该项目共分为4个区域(见图1)，分阶段施工，1区、3区基坑采用桩锚支护，支护桩设计为旋挖灌注桩，桩径900mm；2区、4区采用内支撑支护，合同整体总工期610d。

图1 项目总平面分区

1.2 工程与水文地质条件

根据该项目岩土工程勘察报告，场地地貌单元属黄土梁洼的洼地，场地土自上而下主要由第四系全新统杂填土、素填土，上更新统风积黄土、残积古土壤，中更新统冲洪积粉质黏土及中砂等组成。稳定水位埋深为11.40～13.60m，标高402.040～403.720m，属平水期水位，地下水位年变幅1.0～2.0m，地下水类型属孔隙潜水。

1.3 锚索设计及现场施工情况

在锚索分项工程中除第1排为常规锚索外，其余锚索均应用本技术施工，锚索采用7根直径为15.2mm钢绞线制作，成孔直径为自由段150mm、扩大头锚固段450mm，成孔角度15°，设计锚固力为1 280kN，设计抗拔力为1 305kN。典型剖面如图2所示。

图2 锚索设计剖面

本项目第1阶段进行1区施工，计划工期163d(含土方挖运)，其中基坑支护锚索分项施工计划工期113d(含养护张拉)。锚索施工采用同步钻进、跟锚、注浆扩大头锚固施工技术，每天两班作业，配备4台锚固钻机，每台钻机每天完成150m锚索施工，土方挖运同步进行。锚索分项施工实际工期108d，比计划工期提前5d完成。

2 施工工艺

2.1 工艺原理

本技术将目前常规锚索施工过程中的成孔、锚索安放、注浆等工序“三合一”同步完成，即：采用高压旋喷锚固钻机，以自带喷嘴的无翼钻头钻进，并在钻杆的前端位置设置固定预应力锚索的圆盘钢垫板和垫板顶推环，实现旋喷、钻进、下锚同步一次性完成；钻进、下锚过程中，前端钻头喷嘴喷射清水并旋喷切割土体，钻进至设计孔深位置停钻；然后，反转钻杆并同步改用高压喷射水泥浆，并逐节回转退出钻杆至锚固段与自由段交界位置，此时形成大于设计孔径的锚固段扩大头；在自由段退钻时，改用常压水泥浆注浆压力，维持锚索满足设计直径，直至旋喷钻头拔出钻孔。

其施工过程主要包括预应力锚索钻进、同步跟锚、扩大头锚索注浆等关键技术。

2.1.1预应力锚索钻进

预应力锚索钻进采用液压履带式锚固钻机驱动，与钻具、高压旋喷泵组成设备体系。钻进时，通过钻机输出的动力，钻头、钻杆以一定的扭矩向前推进；同时，由高压注浆泵同步注入高压水对钻进土体进行高压旋喷切割，以实现钻进成孔。

钻具由钻杆、垫板顶推环、平面轴承、圆盘钢垫板、钻头等五部分组成，如图3所示。

图3 钻具整体结构

钻头、垫板顶推环和钻杆为连接成整体的固定组合，其通过钻头先后套入平面轴承、圆盘钢垫板而形成整体钻具，平面轴承、圆盘钢垫板为独立的构件，其通过卡位分别承担相应的功能，具体连接实物如图4所示。

图4 钻具整体结构连接实物

1)钻杆由无缝钢管制成，直径50mm，单节标准钻杆长度分别为2，2.5，3m，可根据成孔深度自由搭配选择，钻杆采用螺纹丝扣牢固连接；钻机末端钻杆端尾处设置接驳口，用于连接高压注浆(水)管。

2)垫板顶推环起到顶推轴承和圆盘钢垫板的作用，两端分别与钻杆和钻头通过螺纹丝扣紧密连接。

3)平面轴承起到防止钻进过程中垫板顶推环与圆盘钢垫板接触面之间因摩擦阻力导致锚索跟随转动缠绕钻杆的作用，保持圆盘钢垫板和锚索始终水平；平面轴承直接套入钻头，顶到垫板顶推环前端。

4)圆盘钢垫板由钢板制成，起到携带锚索与钻杆同步钻进的作用，圆盘钢垫板直接套入钻头，顶到平面轴承前端。

5)钻头为自带喷嘴口的无翼钻头(通常的高压旋喷钻头)，钻头长度约230mm、直径40mm，双向设置出浆(水)喷嘴，用于喷射水泥浆液或清水。

2.1.2钻进同步跟锚

钻进同步跟锚是依托钻头、钻杆钻进，钻进过程中垫板顶推环、平面轴承及固定携带锚索的圆盘钢垫板依次顶推实现同步携带锚索跟进。钻进前，对钻进用的组合钻具进行安装，其安装次序和钻进方向如图5所示。

图5 沿箭头方向依次顶推

钻进过程中，高压旋喷的喷嘴喷射高压水并切割土体向前钻进，为达到使锚索同步跟进的目的，将携带锚索的圆盘钢垫板套在钻头上，通过增大面积将携带锚索的圆盘钢垫板定向顶推住，以起到钻杆、垫板顶推环、平面轴承、圆盘钢垫板之间的相互依次顶推作用，确保钻杆与钢垫板固定的锚索同步钻进、下锚。

因在旋喷钻进顶推过程中，垫板顶推环与钻头、钻杆为固定组合，将同步旋转，为防止垫板顶推环与圆盘钢垫板接触面之间因惯性产生的摩擦阻力会导致锚索跟随转动而缠绕钻杆，因此在垫板顶推环与圆盘钢垫板之间套入一独立的平面轴承，轴承的自由旋转起到消除垫板顶推环与圆盘钢垫板因接触而引起的旋转，以实现钻进过程中携带锚索的圆盘钢垫板不跟随转动，保持锚索始终平顺钻进，防止锚索不会缠绕钻杆的目的；如果无此轴承将垫板顶推环与圆盘钢垫板接触面进行隔离，会发生锚索缠绕钻杆的情况进而导致无法继续施工。

圆盘钢垫板用于固定锚索，直径与锚索设计成孔直径相同。在钢垫板中心设置预留孔，便于套入钻头。在钢垫板环状面上，钻凿对称分布的预留孔(预留孔数量可根据下放锚索数量确定)，用于穿越锚索，为实现同步跟锚钻进并防止锚索滑脱，在其端部采用焊接方式固定螺帽与圆盘钢垫板进行定向防滑脱固定连接，其目的是在钻进过程中圆盘钢垫板与锚索能同步跟进并在退钻过程中两者不会被携带出。

2.1.3锚索注浆扩大头形成

预应力锚索钻进过程中，在非锚固段和锚固段均采用高压旋喷注清水钻进，目的是通过高压旋喷对钻进土体进行充分、有效切割，此时压力值控制在15MPa(压力大小由基本试验确定，需保证成孔直径满足设计孔径要求)；而在钻进至设计孔深后反钻退钻杆时，此时下入孔内的锚索和平面轴承留在孔内，在退钻杆的同时采用同步高压旋喷射水泥浆，退钻阶段高压注浆压力值为25～30MPa，其压力值大大超出钻进时的清水压力值，在锚固段利用其超高压旋喷力再次切割土体，钻杆退出过程中钻头喷嘴旋喷出的水泥浆体随即从孔底逐渐填满整个锚固段，同时将一部分切割出的土体挤压推出，另有一部分土体与水泥浆体结合形成水泥土锚固体，并在锚固段形成扩大头；在退钻至进入非锚固段界面位置时，采用常压喷射水泥浆，直到全部钻杆退出。

2.2 工艺流程

深基坑支护预应力锚索同步钻进、跟锚、注浆扩大头锚固施工工艺流程如图6所示。

图6 工艺流程

2.3 操作要点

2.3.1工序操作原理

本技术工序操作原理如图7所示。

图7 工序操作原理

2.3.2工序操作要点

1)钻机就位 ①钻机就位前需将场地进行平整、压实，以确保行走和施工安全，开挖集水沟收集成孔过程中产生的泥浆水，以防其四处溢流；②场地等条件满足要求后钻机就位，根据锚索孔位调整机身高度及倾角，反复测试无误后开始钻进施工。

2)锚索制作 ①锚索严格按设计图纸制作，锚索制作时采用切割机切割，严禁电焊烧断，锚索截断时至少预留800mm长钢绞线，以备后期张拉；②锚索穿过圆盘钢垫板焊接固定螺帽时采用电弧焊，为确保焊接质量及避免焊接时对锚索和螺帽造成损伤，选用502型焊条，焊接电流控制在160～200A，焊接部位残留的焊渣应及时敲掉处理；③制作好的预应力锚索整齐排列摆放，避免堆叠，以便取用。

3)高压旋喷清水同步跟锚开孔 ①开孔前需对同步跟锚的组合钻具进行安装，先将顶推环端部与钻头尾部通过螺纹丝扣进行紧密固定连接，后将钻杆固定在钻机钻进旋转驱动轴上，借助驱动轴旋转力将钻杆与顶推环尾部同样通过螺纹丝扣紧密固定连接，此时钻杆、钻头、顶推环三者形成整体的独立体系；②将平面轴承直接套入钻头，顶推在顶推环的前端；③将携带锚索的圆盘钢垫板直接套入钻头，顶推在之前套入的平面轴承前端，此时，平面轴承与携带锚索的圆盘钢垫板形成独立体系，该体系最后将留在孔内。

具体安装顺序如图8～10所示。

图8 钻杆、顶推环、钻头固定组合连接

图9 钻杆、顶推环、钻头固定组合前端套入平面轴承

图10 钻杆、顶推环、钻头、平面轴承前端套入携锚索的圆盘钢垫板

4)高压旋喷清水钻进至设计孔深 ①钻进时采用清水辅助旋喷钻进，清水通过高压变频注浆泵加压后经高压输送胶管输送至履带旋喷钻机，高压输送胶管与履带旋喷钻机末端钻杆端尾处注浆(水)管接驳口相连，水压控制在15MPa，转速控制在20r/min，钻进速度控制在0.3m/min，水流量控制在30～60L/min，钻进至设计孔深后停钻；②钻进过程中保持好钻进角度并控制好钻进速度，同时观察锚索跟进情况，如遇锚索有缠绕钻杆的情况极有可能是平面轴承故障导致，此时应立即停止钻进并将钻杆、锚索全部退出，更换平面轴承后重新钻进。

5)锚固段退钻高压旋喷同步注水泥浆 ①钻孔清水钻至设计孔深后停止钻进，反转钻杆逐节退出并拆卸钻杆；②反转退钻的同时，关闭清水改换水泥浆，水泥浆通过高压变频注浆泵加压后经同一条高压输送胶管输送至履带旋喷钻机，在锚固段实现边退出拆卸钻杆边进行高压旋喷注浆；③水泥浆在后台配制，采用P·O 42.5R早强型普通硅酸盐水泥。制备水泥浆时，严格控制水灰比，水灰比为1∶0.7，水泥浆采用高速搅浆机制浆，搅拌时间不小于30s。水泥浆拌好在放置到储浆桶前过筛，防止杂物进入浆管堵塞喷嘴；为使水泥浆不发生离析，储浆桶内设慢速搅动装置，且水泥浆液存置不得超过4h，否则作为废浆处理。为确保注浆效果，水泥浆制作后台距离锚索施工作业区域<50m，以确保注浆压力；④旋喷水泥浆喷浆压力控制在超高压25～30MPa，以达到旋喷时更强的切割、注浆效果。为保障锚固段孔径尺寸和锚固强度，转速和后退速度与钻进时相比均适当降低，其转速控制在15r/min，退钻速度控制在0.25m/min，水泥浆流量控制在50～70L/min，以依靠高压喷射的水泥浆对土体进行切割将锚固段孔径扩大，完成注浆的同时形成“扩大头”加大锚固力，锚索扩大头段如图11所示。

图11 扩大头锚固段示意

6)自由段常压注水泥浆 ①退钻至锚固段与自由段界面位置时，改换常压1.0～1.2MPa进行补浆，退钻速度控制在0.5m/min，直至钻杆完全退出，严禁喷水以免稀释浆液；②注浆过程中泛出的浆液应及时处理，避免凝固后再处理而发生额外费用，待钻杆完全退出后停止注浆，至此完成该条锚索施工。

7)张拉锁定待锚固段浆体强度达到设计强度的75%后进行预应力张拉锁定工作，张拉到设计值的110%～115%后锁定荷载。

2.4 工艺特点

1)施工速度快本技术将锚索施工过程中的钻孔、下放锚索、注浆等工序同时、同步施工，即：成孔完成的同时完成锚索下放和注浆，无工序搭接及闲置等待情况，将原常规锚索施工时间缩短三分之一以上，具有施工效率高、速度快等特点。

2)锚固效果强本技术锚索注浆采用高压旋喷扩大头形式，在锚固段通过超高压旋喷施加的切割与注浆力(水泥浆旋喷压力值25～30MPa)，将此段孔径扩大(直径达450mm)，水泥浆与土结合形成水泥土扩大头锚固体，经现场试验，其抗拔承载力可达常规锚索的2.56倍，锚固效果显著提高。抗拔承载力试验对比数据如表1所示。