变直径钢筋笼扩大头预应力抗浮锚杆技术及应用

2024-01-24中铁建设集团华东工程有限公司江苏昆山215300

建筑科技 2023年6期

孔伟（中铁建设集团华东工程有限公司，江苏昆山 215300）

0 引言

变直径钢筋笼扩大头预应力抗浮锚杆施工工艺是一种主要应用在地下建筑室抗浮、基坑开挖和基础加固等工程技术领域[1]的新技术。作为处理地下工程抗浮的新方法，符合国家对于“节能、降排、绿色和发展”的理念，适用于砂层和黏性土层等各种不同地层。相较于传统的技术，它有着安全性好、经济高效、工期缩短、环保出色且施工简便、耐用等显著优点。本文以古井贡酒年份原浆主题酒店地下工程（以下简称“工程”）为例，介绍变直径钢筋笼扩大头预应力抗浮锚杆施工工艺，以及扩大头锚杆在粉质黏土层中的施工措施，为变直径抗浮锚杆在粉质黏土夹粉土层的应用提供参考。

1 变直径钢筋笼扩大头预应力锚杆桩原理

1.1 变直径钢筋笼

变直径钢筋笼扩大头预应力抗浮锚杆属于摩擦-端压型锚杆，比一般的抗浮锚杆具有更高的抗拔能力和效率，因此在建筑工程的抗浮设计中被大量采用。新型变直径钢筋笼扩大头锚杆就是其中一种先进型锚杆，其特点在于改良了在锚杆头部使用变直径功能的钢筋笼，使钢筋笼骨架的混凝土扩大头式短桩通过在扩大头段加装变径钢筋笼后，在整体承压力、锚固稳定性和抗拉承载力上都得到了显著的提高，成功解决了钢筋笼在头部直径增大而笼径缩小的问题，以及一些在承载力和稳健性上的隐患。

一般情况下，锚杆身体的钢筋由一根大直径的高强度精铸螺纹钢筋组成，扩大头部由多根竖直向的钢筋环绕着锚杆身体，箍筋固定在竖钢筋外部作为外纬线，与竖钢筋设有固定位，在未使用状态下，箍筋保持收紧，也就是柔韧的钢丝。箍筋盘处设有用于展开竖钢筋的撑开装置，因此可以调整钢筋笼的直径。变径钢筋笼大样图，如图1所示。相较于旧式的高压喷射扩大头锚杆，这种设计在扩大头部做了改造和创新。使用这种可调直径的钢筋笼，可以生成钢筋水泥的扩大头，从而可以显著提升整体的受力、锚固段的稳定性以及抗拔承载力[2]。

1.2 预应力拉杆

通过运用预应力或使用预应力杆件来大幅度降低变形量。

1.3 法兰螺母

法兰螺母底板锚固构件所解决的底板中高强度钢筋的锚固问题，对头锚杆扩大化技术的安全性有积极的促进作用。

2 工程应用

2.1 工程概况

2.1.1 工程地质条件

拟建地点由巨厚第四纪冲积物堆积而成，勘测揭示的地层岩性主要由杂填土、粉质土、粉质黏土、粉质黏土夹粉土和粉砂等构成，勘测所揭示的土层性质如下。

①层杂填土（Q4ml）：表层以砖渣碎石主；灰褐～黄褐色，湿，可塑状态，夹植物根系及碎砖，局部为30 cm耕植土，高压缩性。由于人文活动的影响，该层分布不均匀，揭示层底高程为34.37～38.42 m；

②层粉质土（Q4al）：灰黄、黄色，稍密状态，夹薄层棕褐色黏土，中压缩性。层底高程为36.19～37.52 m，平均36.73 m；层厚为0.60～1.90 m，平均1.25 m。

③1层粉质黏土（Q4al）：灰黄色、黄色、灰褐色，软塑～可塑状态，含铁锰结核及钙质结核，高～中压缩性。层底高程为32.87～35.21 m，平均34.32 m；层厚为1.60～3.80 m，平均2.40 m。

③2层粉质黏土（Q4al）：灰黄、褐黄色，可塑状态，含铁锰结核及钙质结核，底部夹薄层粉土，局部呈互层状态，中压缩性。层底高程为27.63～29.73 m，平均28.97 m；层厚为4.30～6.60 m，平均5.35 m。

④层粉质黏土夹粉土（Q3al）：粉质黏土呈灰黄色，可塑～硬塑状态，含铁锰结核及钙质结核，夹中密状态的粉土薄层，局部呈互层状，中压缩性。层底高程为25.43～29.15 m，平均26.21 m；层厚为0.30～4.00 m，平均2.74 m。

⑤层粉砂（Q3al）：灰黄、黄色，湿，中密～密实状态，夹中密状态的粉土薄层，局部呈互层状，中压缩性。揭示最低层底高程为15.07 m，揭示最大层厚为10.70 m。

2.1.2 设计情况

工程抗浮设计为乙级，锚杆防腐Ⅱ级，锚杆使用年限为50年。锚杆扩大头进入第④层粉质黏土夹粉土层≮2.5 m，采用C30细石混凝土或同等级的水泥浆作为锚杆固浆填充材料。抗浮锚杆桩设计参数，如表1所示。

工程在初期设计阶段，变直径钢筋笼扩大头预应力抗浮锚杆考虑采用高压注射混凝土或者水泥砂浆作为桩体。如果采用混凝土高压注入的施工方法，有极大可能发生管道堵塞现象，该现象不仅会对项目质量造成影响，也会妨碍施工进度，在施工操作中存在较大的风险。因此，工程设计人员在进行了深度的探讨和研究，且根据地质报告、类似工程经验并与勘测、设计院合作开展抗浮基底岩性、抗浮水位等专题报告后，最终决定抗浮锚杆采用纯水泥浆（P·O42.5）作为标准。水泥浆制备过程中，需保证混合物的均匀性，随拌随用。取0.5水灰比注浆，不小于30 MPa的注浆体设计强度，这样才能保持工程质量和施工进度。抗浮锚杆桩截面构造图，如图2所示。

图2 抗浮锚杆桩截面构造详图

2.2 施工工艺与要点

2.2.1 施工工艺

2.2.2 施工要点

（1）定位。先开挖土方至筏板顶标高，清理场地上的障碍以及疏松的土质，接着依照设计图纸上的要求，测量锚杆的点位，然后采用钢筋头进行标注。锚杆孔的定位允许的偏差范围为±100 mm。锚杆桩定位后需要进行二次确认测试。

（2）钻机就位。按照锚杆桩孔位移设备的定位状态，要保证钻机在钻孔期间没有过度的摆动，以避免对成孔质量造成影响。利用罗盘仪对钻机的垂直度进行调校，其垂直性的偏离度为±1，满足设计图纸的规定。检查要求直径偏差在10 mm以下。将钻头对准锚杆，将要建设的钻孔位置再钻探一次。孔位在开钻之前，必须有管理人员签字确认。

（3）锚杆体制作。杆体制作基本流程：锚杆杆体防腐→套管→安装对中间支架。

锚杆和防腐应按设计要求制作，螺纹钢经过防腐油刷的精轧处理后套管并进行密封处理。在锚杆杆件上每隔2 m设置1个A200对中间支架，沿钢筋杆体轴线方向使锚杆处于钻孔中心位置，隔离架应与杆身牢固固定。抗浮锚杆杆体防腐大样，如图3所示。

图3 抗浮锚杆杆体防腐大样

（4）成孔。工程地库筏板以下地质依次为粉质黏土层、粉质黏土夹粉土层、粉砂土层，抗浮锚杆扩大头进入粉质黏土夹粉土层≮2.5 m。由于工程地质为粉质黏土夹粉土层，可采用常规高压旋喷成孔工艺。

基于粉质黏土夹粉土的特性，高压旋喷成孔阶段，钻机边钻进边喷高压水，在孔壁上形成泥皮，在注浆时能有效地防止水泥浆流失，并能保证抗浮锚杆的成桩质量。根据抗浮锚杆桩的相关要求，钻孔位置偏差不应大于±100 mm，高压喷气扩孔喷气压力不应小于20 MPa，成孔斜率不应大于1.0%；喷嘴给定进速或提速为10～25 cm/min，喷嘴给定转速为5～10 r/min。一般要求孔深比设计深30 mm。每根锚杆的钻孔都要详细记录施工的原貌，以备整个钻孔之用。使用螺旋钻头进行250 mm孔径的打孔作业，待加压泵启动后，再施行扩孔段工作，用泥浆挖孔法来保护壁面。可选用水泥浆液进行高压喷射扩孔。在运用水泥浆液进行扩孔操作时，需要在上下之间反复进行扩孔任务，至少需要执行2次以上才能实现完工。

（5）下锚。①锚杆做好后，要检查钻头有没有固定好，钢筋笼有没有装牢，才能下锚。浆管在固定锚杆的同时下放。②根据锚杆的设计长度，利用挖机配合人工将锚杆吊入洞内，在摆放过程中避免锚杆出现扭转或弯曲。如果在下锚过程中杆身无法到达洞底，应把杆身拉出，查明问题所在，重新钻孔后再次将锚杆下放。③锚杆下至孔底后，为保证锚杆轴心重合钻孔中心线，用导向帽对锚头进行临时支撑。④杆身下至孔位后，应测量顶部标高，定位销在达到预定位置时应当取出，打开变径钢筋笼，同时利用悬吊的钢筋对其进行固定，这样可以防止杆体锚定长度短缺以及对混凝土底板承压钢筋位置造成的影响[3]。

（6）注浆。注浆采用孔底回浆法。①注浆材料按设计配合比进行配置，使浆液凝结加快。必须严格按照预先规划的比例来混合浆液，并在现场将浆液混合至均匀方可使用。浆液注入过程中，要保持连续性，不能中断，并且只有在浆液全部注入完毕后，才能开始凝固过程，以确保浆液得以全面施展其功效。②注浆时，浆液由孔口溢出，浆液与预制浆液相同时，应停止注浆，以保证浆液在孔内的质量和高低。如果在注浆阶段出现过长的停顿，超过了初凝浆液的设定时间，那么就必须重新进行清洞、锚定、注浆等作业。注浆施工的全程应该做详细、完整的记录。③锚杆注浆后应避免外力作用晃动锚杆，直至锚杆强度达到设计要求为止。④水灰比取纯水泥浆液0.5，注浆压力一般不低于20 MPa。在浆液注入过程中，要对100 mm×100 mm×100 mm立方试件进行注浆取样，每30根锚杆保留至少1组（每组3片）试件，经标准养护后进行强度检测。⑤提杆时注浆为二次补浆，实际注浆高度高于设计高度0.8～1.0 m。⑥锚杆杆身上部钢筋笼固定、顶端控制在筏板下5 mm，并对标高进行严格控制。锚杆和底板连接大样图，如图4所示。

图4 锚杆和底板连接大样图

（7）养护。根据JGJ/T 282—2012《高压喷射扩大头锚杆技术规程》，锚杆施工完成后28 d内为锚洞内水泥浆的维护时间，维护期间锚杆不得发生碰撞事故。

（8）张拉。在进行锚杆的检测过程中，锚杆桩水泥浆强度达到90%以上，才符合拉杆试验的标准。预应力抗浮锚杆张拉锁定，如图5所示。

图5 预应力抗浮锚杆张拉锁定图

3 变径钢筋笼大头锚杆桩的经济效益对比

工程抗浮锚杆桩设计要求桩体材料为高压注射混凝土或者水泥浆，经工程相关人员的深度探讨和研究后，最终确定水泥浆为填充材料。

工程共计1 065根抗浮锚杆桩，每根锚杆桩体积约为1.4m³，总体积为1 491 m³，则：若采用C30细石混凝土为桩体填充材料，市场上C30细石混凝土价格为668元/m³，需要投入总成本为995 988元；若采用水泥浆为桩体填充材料，市场上C30水泥浆价格为549.9元/m³，需要投入总成本为819 900.9元。节约造价176 087.1元。