可回收预应力锚索施工技术研究摘要:通过广州地铁某深基坑工程施工实例,介绍可回收锚索在工程施工中的应用,地下建筑工程使用可回收锚索,可大幅降低工程成本,提高施工速度,并减少施工中遗留锚索造成地下环境污染等现象,值得推广应用。关键词:锚索;回收;应用;环境1 锚索的发展历程 锚索加固技术最早在1933年由阿尔及利亚的工程师成功应用在水电工程的坝体加固中,此后得到了迅速发展,现已广泛应用于岩土工程的各个领域。我国锚索加固技术始于1964年在梅山水库右岸坝基加固中的应用,从70年代开始该技术在国防、水电、矿山等领域内逐步开始使用。80年代以来,锚索加固技术大量用于工程,并在试验设备和施工工艺等研究方面取得了较大的进展。 锚索加固支护是建筑基坑的一种重要支护方式,多用于安全等级要求较高或工程规模较大的基坑工程,常常不回收,造成严重的地下污染,并且留下的钢绞线成为后续工程施工的地下障碍物。因此,我国众多的科研院所和施工单位对此做了不少研究开发有关回收锚杆(索)的工作,并取得良好的经济和社会效益。如原冶金部建筑研究总院主持研制的U形回收式锚杆;陕西华煤岩土工程技术有限公司研制生产的金属可回收锚杆;四川华蓥山广能集团绿水洞煤矿的“双锚头”可回收锚杆;北京市第三城市建设工程公司的握线式可回收锚杆等。这些锚杆可直接节省支护材料及费用,推动了回收式锚杆(索)在我国的研发和应用,创造了较好的经济、社会、安全效益。锚索技术的出现是岩土工程技术发展史上的一个里程碑,可回收锚索技术是在原锚索技术基础上的一大进步。本文介绍的可回收式锚索技术,具有安全快速、工人劳动强度低、易回收、回收率高,被回收的钢绞线能重复使用,能充分利用资源,高效环保等优点,弥补了早期可回收锚杆(索)的不足。2 可回收锚索的构造与参数 可回收锚索属于压力型锚索,其构造与普通锚索基本相同,分为锚固段、张拉段和锚头三部分,其回收原理是把回收关键锚索抽出后,在固定座的中心处产生空隙,使其它钢绞线可拔出回收,这也是与普通锚索最大的区别?？苫厥彰?4束锚索)构造如图1?？苫厥彰鞯母纸氏呖煞殖?～6束,各束以圆心为对称点均匀分布,其锚固段长度约为2.5m,比传统预应力锚索的锚固段长度减小约4倍,锚索根据工程设计计算需要可选择f 12.7×4～f 15.2×7,根据其截面面积的不同,其容许荷载为357.6～1017.3kN,钻孔孔径为150mm。钢绞线回收后可重复用于下一工程。
3 可回收锚索特点 可回收锚索的施工步骤为:钻孔→插入锚索体→注入水泥浆→张拉→锚固。其施工吸取了其它锚索的技术优点,结构合理可靠,施工简便。钢绞线在承载体端部处于压接状态,在套管内处于自由状态。锚固段水泥浆体内的压应变峰值出现在临近承载体处,随着离承载体距离的增大,压应变值急剧衰减,其分布区间约在2.5m范围内,因此其锚固长度短于普通型锚索。使用专用千斤顶回收钢绞线,安全快速、工人劳动强度低、易回收、回收率高,被回收的钢绞线能重复使用2~3次,因此能充分利用资源,具有高效环保的优点。4 在地铁工程中的应用4.1 工程概况 广州地铁某深基坑总长100.2m,深25m,采用明挖施工。基坑内土、岩层从上到下主要为:〈1〉人工填土;〈3-1〉粉细砂层,〈3-2〉中粗砂层;〈4-1〉粉质粘土,〈4-2〉淤泥质土;〈5-1〉残积可塑状粉质粘土层,〈5-2〉残积硬塑状粉质粘土层;〈6〉全风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、含砾砂岩;〈7〉强风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、含砾砂岩;〈8〉中风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、含砾砂岩;〈9〉微风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、含砾砂岩。地下水位与季节、气候、地下水赋存补给及排泄有密切关系,主要含水层为浅部的冲洪积砂层及淤泥质砂层地下水具对钢结构无腐蚀。地面建筑主要为低层民房,砖混结构,天然基础。 根据工程的设计要求,该基坑设计考虑既作为盾构隧道始发竖井,同时在盾构隧道施工后又作为轨排施工竖井,基坑设计须考虑盾构施工阶段的荷载及施工使用功能,同时又要考虑轨排施工功能,因此基坑分成3段结构:①盾构始发井,长30.6m,2层框架结构;②轨排竖井,长30m;③马蹄型结构明挖隧道:长39.6m,主要考虑盾构机施工设备长度要求,因此在施工使用功能上分析,基坑设计采用锚索支护可满足施工要求。可回收锚索施工在〈5-1〉土层至〈9〉岩层中施作,如图2所示。 基坑采用800mm厚的地下连续墙围护结构,轨排井段可回收锚索设置为2.5m×2.5m,共13列6行,盾构始发井及大型马蹄型隧道段在连续墙脚低处设置2道锚索,其余围护结构支撑体系为喷射混凝土锚杆、钢支撑、混凝土支撑,锚索采用4束可回收预应力锚索。4.2 施工 在基坑施工围护结构前,需根据锚索位置预留f 150孔洞,应保证墙体施工精度,否则实施锚索时将出现较大的偏差,对基坑安全不利。钻孔在整个工程中占较大的比重,是工期的关键因素,正式实施锚索前需进行试验,以确定钻孔参数及钻孔设备,力求提高施工效率。 钻孔施工需使用清水,不能使用泥浆,清孔时需用压缩空气排泥屑后用清水重复清洗。需注意的是在钻孔过程中防止塌孔和泥屑排除,是可回收锚索能否安装的关键。本工程中由于在〈4-1〉、〈4-2〉土中施工曾出现多次塌孔现象,成孔后锚索无法安装及预加预应力,一度影响了施工进度。 完成钻孔后,插入锚索体并进行注浆施工,必须有效地用水泥浆把地下水置换出来,灌浆用管插入至孔底直到水泥浆面上升至地面为止。将注浆管往外拉出300mm,在孔口进行封堵后准备进行注浆。一次注浆采用灰砂比1∶0.7~1∶1(重量比)、水灰比0.38~0.45的水泥砂浆,注浆体强度25MPa;二次高压灌浆采用水灰比0.45~0.5的纯水泥浆,并掺加补偿收缩微膨胀剂,搅拌均匀并过筛,随拌随用,初凝前用完,在一次灌浆后24h后进行。必须注意的是,插入锚索体时应对套管加以?；?以免受损而造成水泥浆液渗入套管内,导致锚索不能回收。为确保锚索可回收及重复使用,在套管内须注入特定的防护液体,防漏填充剂是按特定的配合比及混合方法制作,注入直至达到塑料管面高度。封孔施工将压注至孔口,并补浆3~5次,直至浆液面不再下降为止,水泥浆采用早强水泥,水灰比0.5,流动值12min±2s,单轴抗压强度sc=40MPa。 锚索张拉是实现锚索满足设计要求的关键工艺,应在水泥浆试块抗压强度达到规定值后才可进行,采用单纯加载,达到规定荷重后进行锚固。张拉方法与常规锚杆相同,只是中心的钢绞线不能加力,处于自由状态。通过适应性试验及确认试验,确认锚索的弹性延伸量、塑性延伸量、松弛量是否满足规定要求,同时考虑夹片的松弛削弱张拉力的影响因素,根据规定的有效张拉力进行张拉和锚固。锚杆头部用夹片锚固时,随着荷重的增大,夹片将嵌入锚头内。张拉前进行试拔检验,试拔最大拉力为设计轴向拉力的1.1倍,按拉力的10%逐级加荷,卸荷时按轴向拉力的1 5逐级卸荷;张拉至设计拉力的1.0~1.1倍时,保持10~15min,观察其变化趋于稳定时卸荷至锁定荷载进行锁定。锁定后,如有明显的应力损失,应进行补偿张拉。4.3 锚索回收 锚索施工较为简单,先把中心的钢绞线用千斤顶拔出,然后用千斤顶相继对周围的钢绞线进行加载,使之脱离固定台座,即可回收。一般采用压力为20t的千斤顶便可进行回收施工,而回收与预加应力采用同一组千斤顶,施工设备投入较为合理经济。锚索回收设备及安装如图3所示。 锚索回收施工程序如下:①装上支架、穿心式油压千斤顶、回收夹具及夹片等,中心处回收关键锚索不安装夹片;②完成安装后开启千斤顶加载,使锚头有松动及约有2～3mm的浮起,然后卸载;③在支架上安装锚头夹片的回收垫片,重复步骤①后开启千斤顶加载,使锚头处的夹片脱落,千斤顶卸载,取走锚头,中心处回收关键锚索须安装夹片,同时须进行锚头夹片防止飞出的防护工作;④将支架取走,安装千斤顶及对中心关键回收锚索安装夹具及夹片,启动千斤顶加载,将中心关键回收锚索拔出;⑤中心关键回收锚索拔出后,安装千斤顶及对周边对称的2根锚索安装夹具及夹片,千斤顶加载,将其拔出;⑥重复步骤⑤,直至将所有锚索拔出;⑦对拔出的锚索进行详细检查,如再利用的则须妥善保管,便于下次施工中使用。5 锚索保护 工程结构及构件使用寿命取决于腐蚀、疲劳、磨损这3个因素,对于锚索而言关键为腐蚀,主要为电化学反应引起。由于本工程从盾构隧道施工至轨道施工在同一竖井实施,需约3年时间,且金属构件所处的环境,如细菌、氧气、湿度等的变化,将加速其腐蚀?？苫厥彰髟谏杓粕铣浞挚悸橇苏庖灰蛩?即在套管内注入特定的防护液体,但露出部分如锚头及锚索在一段时间后也会出现锈蚀或现象,一旦形成则不但影响锚索的回收,还会影响锚索的重复使用,不利于项目成本控制,而且在基坑开挖中如缺乏对锚索的?；?则会造成锚索损伤,同时由于施工中质量控制不足,造成部分套管外露,雨水易从锚头与套管间的空隙渗透入套管内。为确保锚索的防腐蚀性能,锚索外露部分应涂刷油漆加以?；ぁ? 可回收锚索的回收施工要点 可回收锚索能否按预期目标顺利完成,在整改施工过程中,其主要技术要点有以下方面: ⑴在锚索施工中,钻孔后的孔洞清洗须注意,确保孔内不能存在泥浆,特别在泥土中的施工。 ⑵回填注浆施工是关键工序,主要是水泥浆液绝不能漏入锚索保护套内,否则会造成锚索固结,影响锚索的顺利回收。 ⑶锚索施工后必须采取严格的?；ご胧?否则会影响锚索的回收及其重复利用。 ⑷根据锚索设计使用的束数,其锚头垫块、锚头、回收夹具与穿心式油压千斤顶必须相互配套。 ⑸锚索夹片在设计上须考虑回收时的拔出施工要求,即在端部须留有凹槽及回收使用的锁件。7 施工监测 本施工标段从2005年11月进场施工,基坑施工监测从2005年3月开始,第1道锚索监测开始时间为2006年5月,基坑监测内容为围护结构墙顶水平位移、土体侧向变形、支护结构变形、支撑轴力、锚索拉力、地下水位和地表沉降等。监测使用仪器包括全站仪、测斜仪、读数仪、水准仪等。锚索拉力监测使用的应力感应片放置在锚索的承压支座与锚头之间。轨排井段的第1～3道锚索分别在基坑纵向两侧,每道锚索选取2个监测点,相距17.5m,第4～5道锚索则选取1个监测点,监测频率为每2天监测1次,遇天气变化如雨天则加大监测频率。 监测结果表明,本工程锚索拉力累计变化小于设计最大控制值118.76kN; 在〈6〉全风化泥质粉砂岩至〈9〉微风化泥质粉砂岩锚索应力变化及墙体位移变化较小;在〈4-1〉、〈4-2〉、〈5-1〉、〈5-2〉土层地质中墙体位移与锚索的应力变化相对较大,可回收锚索也能达到设计和施工要求。
8 结论与建议
本工程采用开挖与锚索施工相互配合,可回收锚索施工累计3个月内,总长约3000m的锚索全部施工完毕。通过监测,主体结构完成后,基坑最大位移发生在墙顶,位移变化在23.1～25.2mm之间,处于收敛状态。而广州地铁正在施工中的基坑中,多个工点根据竖井的使用的功能,均不同程度上使用了可回收锚索,并且在深圳地铁某出入通道及广州某花园地下室施工中也成功应用,证明可回收锚索具有施工简便、安全可靠,重复利用资源、工人劳动强度低、减小环境污染等优点。 可回收锚索的成功应用,是我国锚索加固技术的又一突破,虽然成功对锚索进行回收,但其锚固段仍留存在岩土中,这是可回收锚索存在的缺陷。随着科学技术不断发展,笔者坚信在不久的将来可研究出可回收锚杆,并解决可回收锚索(杆)的现有缺陷,实现全回收锚索(杆),这也是程技术人员努力和奋斗的目标。
参考文献
[1]梁炯鋆.锚固与注浆技术手册.北京:中国电力出版社,1999
[2]龚晓南.深基坑工程设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1998
3 可回收锚索特点 可回收锚索的施工步骤为:钻孔→插入锚索体→注入水泥浆→张拉→锚固。其施工吸取了其它锚索的技术优点,结构合理可靠,施工简便。钢绞线在承载体端部处于压接状态,在套管内处于自由状态。锚固段水泥浆体内的压应变峰值出现在临近承载体处,随着离承载体距离的增大,压应变值急剧衰减,其分布区间约在2.5m范围内,因此其锚固长度短于普通型锚索。使用专用千斤顶回收钢绞线,安全快速、工人劳动强度低、易回收、回收率高,被回收的钢绞线能重复使用2~3次,因此能充分利用资源,具有高效环保的优点。4 在地铁工程中的应用4.1 工程概况 广州地铁某深基坑总长100.2m,深25m,采用明挖施工。基坑内土、岩层从上到下主要为:〈1〉人工填土;〈3-1〉粉细砂层,〈3-2〉中粗砂层;〈4-1〉粉质粘土,〈4-2〉淤泥质土;〈5-1〉残积可塑状粉质粘土层,〈5-2〉残积硬塑状粉质粘土层;〈6〉全风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、含砾砂岩;〈7〉强风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、含砾砂岩;〈8〉中风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、含砾砂岩;〈9〉微风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、含砾砂岩。地下水位与季节、气候、地下水赋存补给及排泄有密切关系,主要含水层为浅部的冲洪积砂层及淤泥质砂层地下水具对钢结构无腐蚀。地面建筑主要为低层民房,砖混结构,天然基础。 根据工程的设计要求,该基坑设计考虑既作为盾构隧道始发竖井,同时在盾构隧道施工后又作为轨排施工竖井,基坑设计须考虑盾构施工阶段的荷载及施工使用功能,同时又要考虑轨排施工功能,因此基坑分成3段结构:①盾构始发井,长30.6m,2层框架结构;②轨排竖井,长30m;③马蹄型结构明挖隧道:长39.6m,主要考虑盾构机施工设备长度要求,因此在施工使用功能上分析,基坑设计采用锚索支护可满足施工要求。可回收锚索施工在〈5-1〉土层至〈9〉岩层中施作,如图2所示。 基坑采用800mm厚的地下连续墙围护结构,轨排井段可回收锚索设置为2.5m×2.5m,共13列6行,盾构始发井及大型马蹄型隧道段在连续墙脚低处设置2道锚索,其余围护结构支撑体系为喷射混凝土锚杆、钢支撑、混凝土支撑,锚索采用4束可回收预应力锚索。4.2 施工 在基坑施工围护结构前,需根据锚索位置预留f 150孔洞,应保证墙体施工精度,否则实施锚索时将出现较大的偏差,对基坑安全不利。钻孔在整个工程中占较大的比重,是工期的关键因素,正式实施锚索前需进行试验,以确定钻孔参数及钻孔设备,力求提高施工效率。 钻孔施工需使用清水,不能使用泥浆,清孔时需用压缩空气排泥屑后用清水重复清洗。需注意的是在钻孔过程中防止塌孔和泥屑排除,是可回收锚索能否安装的关键。本工程中由于在〈4-1〉、〈4-2〉土中施工曾出现多次塌孔现象,成孔后锚索无法安装及预加预应力,一度影响了施工进度。 完成钻孔后,插入锚索体并进行注浆施工,必须有效地用水泥浆把地下水置换出来,灌浆用管插入至孔底直到水泥浆面上升至地面为止。将注浆管往外拉出300mm,在孔口进行封堵后准备进行注浆。一次注浆采用灰砂比1∶0.7~1∶1(重量比)、水灰比0.38~0.45的水泥砂浆,注浆体强度25MPa;二次高压灌浆采用水灰比0.45~0.5的纯水泥浆,并掺加补偿收缩微膨胀剂,搅拌均匀并过筛,随拌随用,初凝前用完,在一次灌浆后24h后进行。必须注意的是,插入锚索体时应对套管加以?；?以免受损而造成水泥浆液渗入套管内,导致锚索不能回收。为确保锚索可回收及重复使用,在套管内须注入特定的防护液体,防漏填充剂是按特定的配合比及混合方法制作,注入直至达到塑料管面高度。封孔施工将压注至孔口,并补浆3~5次,直至浆液面不再下降为止,水泥浆采用早强水泥,水灰比0.5,流动值12min±2s,单轴抗压强度sc=40MPa。 锚索张拉是实现锚索满足设计要求的关键工艺,应在水泥浆试块抗压强度达到规定值后才可进行,采用单纯加载,达到规定荷重后进行锚固。张拉方法与常规锚杆相同,只是中心的钢绞线不能加力,处于自由状态。通过适应性试验及确认试验,确认锚索的弹性延伸量、塑性延伸量、松弛量是否满足规定要求,同时考虑夹片的松弛削弱张拉力的影响因素,根据规定的有效张拉力进行张拉和锚固。锚杆头部用夹片锚固时,随着荷重的增大,夹片将嵌入锚头内。张拉前进行试拔检验,试拔最大拉力为设计轴向拉力的1.1倍,按拉力的10%逐级加荷,卸荷时按轴向拉力的1 5逐级卸荷;张拉至设计拉力的1.0~1.1倍时,保持10~15min,观察其变化趋于稳定时卸荷至锁定荷载进行锁定。锁定后,如有明显的应力损失,应进行补偿张拉。4.3 锚索回收 锚索施工较为简单,先把中心的钢绞线用千斤顶拔出,然后用千斤顶相继对周围的钢绞线进行加载,使之脱离固定台座,即可回收。一般采用压力为20t的千斤顶便可进行回收施工,而回收与预加应力采用同一组千斤顶,施工设备投入较为合理经济。锚索回收设备及安装如图3所示。 锚索回收施工程序如下:①装上支架、穿心式油压千斤顶、回收夹具及夹片等,中心处回收关键锚索不安装夹片;②完成安装后开启千斤顶加载,使锚头有松动及约有2～3mm的浮起,然后卸载;③在支架上安装锚头夹片的回收垫片,重复步骤①后开启千斤顶加载,使锚头处的夹片脱落,千斤顶卸载,取走锚头,中心处回收关键锚索须安装夹片,同时须进行锚头夹片防止飞出的防护工作;④将支架取走,安装千斤顶及对中心关键回收锚索安装夹具及夹片,启动千斤顶加载,将中心关键回收锚索拔出;⑤中心关键回收锚索拔出后,安装千斤顶及对周边对称的2根锚索安装夹具及夹片,千斤顶加载,将其拔出;⑥重复步骤⑤,直至将所有锚索拔出;⑦对拔出的锚索进行详细检查,如再利用的则须妥善保管,便于下次施工中使用。5 锚索保护 工程结构及构件使用寿命取决于腐蚀、疲劳、磨损这3个因素,对于锚索而言关键为腐蚀,主要为电化学反应引起。由于本工程从盾构隧道施工至轨道施工在同一竖井实施,需约3年时间,且金属构件所处的环境,如细菌、氧气、湿度等的变化,将加速其腐蚀?？苫厥彰髟谏杓粕铣浞挚悸橇苏庖灰蛩?即在套管内注入特定的防护液体,但露出部分如锚头及锚索在一段时间后也会出现锈蚀或现象,一旦形成则不但影响锚索的回收,还会影响锚索的重复使用,不利于项目成本控制,而且在基坑开挖中如缺乏对锚索的?；?则会造成锚索损伤,同时由于施工中质量控制不足,造成部分套管外露,雨水易从锚头与套管间的空隙渗透入套管内。为确保锚索的防腐蚀性能,锚索外露部分应涂刷油漆加以?；ぁ? 可回收锚索的回收施工要点 可回收锚索能否按预期目标顺利完成,在整改施工过程中,其主要技术要点有以下方面: ⑴在锚索施工中,钻孔后的孔洞清洗须注意,确保孔内不能存在泥浆,特别在泥土中的施工。 ⑵回填注浆施工是关键工序,主要是水泥浆液绝不能漏入锚索保护套内,否则会造成锚索固结,影响锚索的顺利回收。 ⑶锚索施工后必须采取严格的?；ご胧?否则会影响锚索的回收及其重复利用。 ⑷根据锚索设计使用的束数,其锚头垫块、锚头、回收夹具与穿心式油压千斤顶必须相互配套。 ⑸锚索夹片在设计上须考虑回收时的拔出施工要求,即在端部须留有凹槽及回收使用的锁件。7 施工监测 本施工标段从2005年11月进场施工,基坑施工监测从2005年3月开始,第1道锚索监测开始时间为2006年5月,基坑监测内容为围护结构墙顶水平位移、土体侧向变形、支护结构变形、支撑轴力、锚索拉力、地下水位和地表沉降等。监测使用仪器包括全站仪、测斜仪、读数仪、水准仪等。锚索拉力监测使用的应力感应片放置在锚索的承压支座与锚头之间。轨排井段的第1～3道锚索分别在基坑纵向两侧,每道锚索选取2个监测点,相距17.5m,第4～5道锚索则选取1个监测点,监测频率为每2天监测1次,遇天气变化如雨天则加大监测频率。 监测结果表明,本工程锚索拉力累计变化小于设计最大控制值118.76kN; 在〈6〉全风化泥质粉砂岩至〈9〉微风化泥质粉砂岩锚索应力变化及墙体位移变化较小;在〈4-1〉、〈4-2〉、〈5-1〉、〈5-2〉土层地质中墙体位移与锚索的应力变化相对较大,可回收锚索也能达到设计和施工要求。8 结论与建议
本工程采用开挖与锚索施工相互配合,可回收锚索施工累计3个月内,总长约3000m的锚索全部施工完毕。通过监测,主体结构完成后,基坑最大位移发生在墙顶,位移变化在23.1～25.2mm之间,处于收敛状态。而广州地铁正在施工中的基坑中,多个工点根据竖井的使用的功能,均不同程度上使用了可回收锚索,并且在深圳地铁某出入通道及广州某花园地下室施工中也成功应用,证明可回收锚索具有施工简便、安全可靠,重复利用资源、工人劳动强度低、减小环境污染等优点。 可回收锚索的成功应用,是我国锚索加固技术的又一突破,虽然成功对锚索进行回收,但其锚固段仍留存在岩土中,这是可回收锚索存在的缺陷。随着科学技术不断发展,笔者坚信在不久的将来可研究出可回收锚杆,并解决可回收锚索(杆)的现有缺陷,实现全回收锚索(杆),这也是程技术人员努力和奋斗的目标。
参考文献
[1]梁炯鋆.锚固与注浆技术手册.北京:中国电力出版社,1999
[2]龚晓南.深基坑工程设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1998
