可回收預應力錨索施工技術研究摘要:通過廣州地鐵某深基坑工程施工實例,介紹可回收錨索在工程施工中的應用,地下建筑工程使用可回收錨索,可大幅降低工程成本,提高施工速度,并減少施工中遺留錨索造成地下環境污染等現象,值得推廣應用。關鍵詞:錨索;回收;應用;環境1 錨索的發展歷程 錨索加固技術最早在1933年由阿爾及利亞的工程師成功應用在水電工程的壩體加固中,此后得到了迅速發展,現已廣泛應用于巖土工程的各個領域。我國錨索加固技術始于1964年在梅山水庫右岸壩基加固中的應用,從70年代開始該技術在國防、水電、礦山等領域內逐步開始使用。80年代以來,錨索加固技術大量用于工程,并在試驗設備和施工工藝等研究方面取得了較大的進展。 錨索加固支護是建筑基坑的一種重要支護方式,多用于安全等級要求較高或工程規模較大的基坑工程,常常不回收,造成嚴重的地下污染,并且留下的鋼絞線成為后續工程施工的地下障礙物。因此,我國眾多的科研院所和施工單位對此做了不少研究開發有關回收錨桿(索)的工作,并取得良好的經濟和社會效益。如原冶金部建筑研究總院主持研制的U形回收式錨桿;陜西華煤巖土工程技術有限公司研制生產的金屬可回收錨桿;四川華鎣山廣能集團綠水洞煤礦的“雙錨頭”可回收錨桿;北京市第三城市建設工程公司的握線式可回收錨桿等。這些錨桿可直接節省支護材料及費用,推動了回收式錨桿(索)在我國的研發和應用,創造了較好的經濟、社會、安全效益。錨索技術的出現是巖土工程技術發展史上的一個里程碑,可回收錨索技術是在原錨索技術基礎上的一大進步。本文介紹的可回收式錨索技術,具有安全快速、工人勞動強度低、易回收、回收率高,被回收的鋼絞線能重復使用,能充分利用資源,高效環保等優點,彌補了早期可回收錨桿(索)的不足。2 可回收錨索的構造與參數 可回收錨索屬于壓力型錨索,其構造與普通錨索基本相同,分為錨固段、張拉段和錨頭三部分,其回收原理是把回收關鍵錨索抽出后,在固定座的中心處產生空隙,使其它鋼絞線可拔出回收,這也是與普通錨索最大的區別。可回收錨索(4束錨索)構造如圖1。可回收錨索的鋼絞線可分成3～6束,各束以圓心為對稱點均勻分布,其錨固段長度約為2.5m,比傳統預應力錨索的錨固段長度減小約4倍,錨索根據工程設計計算需要可選擇f 12.7×4～f 15.2×7,根據其截面面積的不同,其容許荷載為357.6～1017.3kN,鉆孔孔徑為150mm。鋼絞線回收后可重復用于下一工程。
3 可回收錨索特點 可回收錨索的施工步驟為:鉆孔→插入錨索體→注入水泥漿→張拉→錨固。其施工吸取了其它錨索的技術優點,結構合理可靠,施工簡便。鋼絞線在承載體端部處于壓接狀態,在套管內處于自由狀態。錨固段水泥漿體內的壓應變峰值出現在臨近承載體處,隨著離承載體距離的增大,壓應變值急劇衰減,其分布區間約在2.5m范圍內,因此其錨固長度短于普通型錨索。使用專用千斤頂回收鋼絞線,安全快速、工人勞動強度低、易回收、回收率高,被回收的鋼絞線能重復使用2~3次,因此能充分利用資源,具有高效環保的優點。4 在地鐵工程中的應用4.1 工程概況 廣州地鐵某深基坑總長100.2m,深25m,采用明挖施工。基坑內土、巖層從上到下主要為:〈1〉人工填土;〈3-1〉粉細砂層,〈3-2〉中粗砂層;〈4-1〉粉質粘土,〈4-2〉淤泥質土;〈5-1〉殘積可塑狀粉質粘土層,〈5-2〉殘積硬塑狀粉質粘土層;〈6〉全風化泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、含礫砂巖;〈7〉強風化泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、含礫砂巖;〈8〉中風化泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、含礫砂巖;〈9〉微風化泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、含礫砂巖。地下水位與季節、氣候、地下水賦存補給及排泄有密切關系,主要含水層為淺部的沖洪積砂層及淤泥質砂層地下水具對鋼結構無腐蝕。地面建筑主要為低層民房,磚混結構,天然基礎。 根據工程的設計要求,該基坑設計考慮既作為盾構隧道始發豎井,同時在盾構隧道施工后又作為軌排施工豎井,基坑設計須考慮盾構施工階段的荷載及施工使用功能,同時又要考慮軌排施工功能,因此基坑分成3段結構:①盾構始發井,長30.6m,2層框架結構;②軌排豎井,長30m;③馬蹄型結構明挖隧道:長39.6m,主要考慮盾構機施工設備長度要求,因此在施工使用功能上分析,基坑設計采用錨索支護可滿足施工要求。可回收錨索施工在〈5-1〉土層至〈9〉巖層中施作,如圖2所示。 基坑采用800mm厚的地下連續墻圍護結構,軌排井段可回收錨索設置為2.5m×2.5m,共13列6行,盾構始發井及大型馬蹄型隧道段在連續墻腳低處設置2道錨索,其余圍護結構支撐體系為噴射混凝土錨桿、鋼支撐、混凝土支撐,錨索采用4束可回收預應力錨索。4.2 施工 在基坑施工圍護結構前,需根據錨索位置預留f 150孔洞,應保證墻體施工精度,否則實施錨索時將出現較大的偏差,對基坑安全不利。鉆孔在整個工程中占較大的比重,是工期的關鍵因素,正式實施錨索前需進行試驗,以確定鉆孔參數及鉆孔設備,力求提高施工效率。 鉆孔施工需使用清水,不能使用泥漿,清孔時需用壓縮空氣排泥屑后用清水重復清洗。需注意的是在鉆孔過程中防止塌孔和泥屑排除,是可回收錨索能否安裝的關鍵。本工程中由于在〈4-1〉、〈4-2〉土中施工曾出現多次塌孔現象,成孔后錨索無法安裝及預加預應力,一度影響了施工進度。 完成鉆孔后,插入錨索體并進行注漿施工,必須有效地用水泥漿把地下水置換出來,灌漿用管插入至孔底直到水泥漿面上升至地面為止。將注漿管往外拉出300mm,在孔口進行封堵后準備進行注漿。一次注漿采用灰砂比1∶0.7~1∶1(重量比)、水灰比0.38~0.45的水泥砂漿,注漿體強度25MPa;二次高壓灌漿采用水灰比0.45~0.5的純水泥漿,并摻加補償收縮微膨脹劑,攪拌均勻并過篩,隨拌隨用,初凝前用完,在一次灌漿后24h后進行。必須注意的是,插入錨索體時應對套管加以保護,以免受損而造成水泥漿液滲入套管內,導致錨索不能回收。為確保錨索可回收及重復使用,在套管內須注入特定的防護液體,防漏填充劑是按特定的配合比及混合方法制作,注入直至達到塑料管面高度。封孔施工將壓注至孔口,并補漿3~5次,直至漿液面不再下降為止,水泥漿采用早強水泥,水灰比0.5,流動值12min±2s,單軸抗壓強度sc=40MPa。 錨索張拉是實現錨索滿足設計要求的關鍵工藝,應在水泥漿試塊抗壓強度達到規定值后才可進行,采用單純加載,達到規定荷重后進行錨固。張拉方法與常規錨桿相同,只是中心的鋼絞線不能加力,處于自由狀態。通過適應性試驗及確認試驗,確認錨索的彈性延伸量、塑性延伸量、松弛量是否滿足規定要求,同時考慮夾片的松弛削弱張拉力的影響因素,根據規定的有效張拉力進行張拉和錨固。錨桿頭部用夾片錨固時,隨著荷重的增大,夾片將嵌入錨頭內。張拉前進行試拔檢驗,試拔最大拉力為設計軸向拉力的1.1倍,按拉力的10%逐級加荷,卸荷時按軸向拉力的1 5逐級卸荷;張拉至設計拉力的1.0~1.1倍時,保持10~15min,觀察其變化趨于穩定時卸荷至鎖定荷載進行鎖定。鎖定后,如有明顯的應力損失,應進行補償張拉。4.3 錨索回收 錨索施工較為簡單,先把中心的鋼絞線用千斤頂拔出,然后用千斤頂相繼對周圍的鋼絞線進行加載,使之脫離固定臺座,即可回收。一般采用壓力為20t的千斤頂便可進行回收施工,而回收與預加應力采用同一組千斤頂,施工設備投入較為合理經濟。錨索回收設備及安裝如圖3所示。 錨索回收施工程序如下:①裝上支架、穿心式油壓千斤頂、回收夾具及夾片等,中心處回收關鍵錨索不安裝夾片;②完成安裝后開啟千斤頂加載,使錨頭有松動及約有2～3mm的浮起,然后卸載;③在支架上安裝錨頭夾片的回收墊片,重復步驟①后開啟千斤頂加載,使錨頭處的夾片脫落,千斤頂卸載,取走錨頭,中心處回收關鍵錨索須安裝夾片,同時須進行錨頭夾片防止飛出的防護工作;④將支架取走,安裝千斤頂及對中心關鍵回收錨索安裝夾具及夾片,啟動千斤頂加載,將中心關鍵回收錨索拔出;⑤中心關鍵回收錨索拔出后,安裝千斤頂及對周邊對稱的2根錨索安裝夾具及夾片,千斤頂加載,將其拔出;⑥重復步驟⑤,直至將所有錨索拔出;⑦對拔出的錨索進行詳細檢查,如再利用的則須妥善保管,便于下次施工中使用。5 錨索保護 工程結構及構件使用壽命取決于腐蝕、疲勞、磨損這3個因素,對于錨索而言關鍵為腐蝕,主要為電化學反應引起。由于本工程從盾構隧道施工至軌道施工在同一豎井實施,需約3年時間,且金屬構件所處的環境,如細菌、氧氣、濕度等的變化,將加速其腐蝕。可回收錨索在設計上充分考慮了這一因素,即在套管內注入特定的防護液體,但露出部分如錨頭及錨索在一段時間后也會出現銹蝕或現象,一旦形成則不但影響錨索的回收,還會影響錨索的重復使用,不利于項目成本控制,而且在基坑開挖中如缺乏對錨索的保護,則會造成錨索損傷,同時由于施工中質量控制不足,造成部分套管外露,雨水易從錨頭與套管間的空隙滲透入套管內。為確保錨索的防腐蝕性能,錨索外露部分應涂刷油漆加以保護。6 可回收錨索的回收施工要點 可回收錨索能否按預期目標順利完成,在整改施工過程中,其主要技術要點有以下方面: ⑴在錨索施工中,鉆孔后的孔洞清洗須注意,確保孔內不能存在泥漿,特別在泥土中的施工。 ⑵回填注漿施工是關鍵工序,主要是水泥漿液絕不能漏入錨索保護套內,否則會造成錨索固結,影響錨索的順利回收。 ⑶錨索施工后必須采取嚴格的保護措施,否則會影響錨索的回收及其重復利用。 ⑷根據錨索設計使用的束數,其錨頭墊塊、錨頭、回收夾具與穿心式油壓千斤頂必須相互配套。 ⑸錨索夾片在設計上須考慮回收時的拔出施工要求,即在端部須留有凹槽及回收使用的鎖件。7 施工監測 本施工標段從2005年11月進場施工,基坑施工監測從2005年3月開始,第1道錨索監測開始時間為2006年5月,基坑監測內容為圍護結構墻頂水平位移、土體側向變形、支護結構變形、支撐軸力、錨索拉力、地下水位和地表沉降等。監測使用儀器包括全站儀、測斜儀、讀數儀、水準儀等。錨索拉力監測使用的應力感應片放置在錨索的承壓支座與錨頭之間。軌排井段的第1～3道錨索分別在基坑縱向兩側,每道錨索選取2個監測點,相距17.5m,第4～5道錨索則選取1個監測點,監測頻率為每2天監測1次,遇天氣變化如雨天則加大監測頻率。 監測結果表明,本工程錨索拉力累計變化小于設計最大控制值118.76kN; 在〈6〉全風化泥質粉砂巖至〈9〉微風化泥質粉砂巖錨索應力變化及墻體位移變化較小;在〈4-1〉、〈4-2〉、〈5-1〉、〈5-2〉土層地質中墻體位移與錨索的應力變化相對較大,可回收錨索也能達到設計和施工要求。
8 結論與建議
本工程采用開挖與錨索施工相互配合,可回收錨索施工累計3個月內,總長約3000m的錨索全部施工完畢。通過監測,主體結構完成后,基坑最大位移發生在墻頂,位移變化在23.1～25.2mm之間,處于收斂狀態。而廣州地鐵正在施工中的基坑中,多個工點根據豎井的使用的功能,均不同程度上使用了可回收錨索,并且在深圳地鐵某出入通道及廣州某花園地下室施工中也成功應用,證明可回收錨索具有施工簡便、安全可靠,重復利用資源、工人勞動強度低、減小環境污染等優點。 可回收錨索的成功應用,是我國錨索加固技術的又一突破,雖然成功對錨索進行回收,但其錨固段仍留存在巖土中,這是可回收錨索存在的缺陷。隨著科學技術不斷發展,筆者堅信在不久的將來可研究出可回收錨桿,并解決可回收錨索(桿)的現有缺陷,實現全回收錨索(桿),這也是程技術人員努力和奮斗的目標。
參考文獻
[1]梁炯鋆.錨固與注漿技術手冊.北京:中國電力出版社,1999
[2]龔曉南.深基坑工程設計施工手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1998
3 可回收錨索特點 可回收錨索的施工步驟為:鉆孔→插入錨索體→注入水泥漿→張拉→錨固。其施工吸取了其它錨索的技術優點,結構合理可靠,施工簡便。鋼絞線在承載體端部處于壓接狀態,在套管內處于自由狀態。錨固段水泥漿體內的壓應變峰值出現在臨近承載體處,隨著離承載體距離的增大,壓應變值急劇衰減,其分布區間約在2.5m范圍內,因此其錨固長度短于普通型錨索。使用專用千斤頂回收鋼絞線,安全快速、工人勞動強度低、易回收、回收率高,被回收的鋼絞線能重復使用2~3次,因此能充分利用資源,具有高效環保的優點。4 在地鐵工程中的應用4.1 工程概況 廣州地鐵某深基坑總長100.2m,深25m,采用明挖施工。基坑內土、巖層從上到下主要為:〈1〉人工填土;〈3-1〉粉細砂層,〈3-2〉中粗砂層;〈4-1〉粉質粘土,〈4-2〉淤泥質土;〈5-1〉殘積可塑狀粉質粘土層,〈5-2〉殘積硬塑狀粉質粘土層;〈6〉全風化泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、含礫砂巖;〈7〉強風化泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、含礫砂巖;〈8〉中風化泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、含礫砂巖;〈9〉微風化泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、含礫砂巖。地下水位與季節、氣候、地下水賦存補給及排泄有密切關系,主要含水層為淺部的沖洪積砂層及淤泥質砂層地下水具對鋼結構無腐蝕。地面建筑主要為低層民房,磚混結構,天然基礎。 根據工程的設計要求,該基坑設計考慮既作為盾構隧道始發豎井,同時在盾構隧道施工后又作為軌排施工豎井,基坑設計須考慮盾構施工階段的荷載及施工使用功能,同時又要考慮軌排施工功能,因此基坑分成3段結構:①盾構始發井,長30.6m,2層框架結構;②軌排豎井,長30m;③馬蹄型結構明挖隧道:長39.6m,主要考慮盾構機施工設備長度要求,因此在施工使用功能上分析,基坑設計采用錨索支護可滿足施工要求。可回收錨索施工在〈5-1〉土層至〈9〉巖層中施作,如圖2所示。 基坑采用800mm厚的地下連續墻圍護結構,軌排井段可回收錨索設置為2.5m×2.5m,共13列6行,盾構始發井及大型馬蹄型隧道段在連續墻腳低處設置2道錨索,其余圍護結構支撐體系為噴射混凝土錨桿、鋼支撐、混凝土支撐,錨索采用4束可回收預應力錨索。4.2 施工 在基坑施工圍護結構前,需根據錨索位置預留f 150孔洞,應保證墻體施工精度,否則實施錨索時將出現較大的偏差,對基坑安全不利。鉆孔在整個工程中占較大的比重,是工期的關鍵因素,正式實施錨索前需進行試驗,以確定鉆孔參數及鉆孔設備,力求提高施工效率。 鉆孔施工需使用清水,不能使用泥漿,清孔時需用壓縮空氣排泥屑后用清水重復清洗。需注意的是在鉆孔過程中防止塌孔和泥屑排除,是可回收錨索能否安裝的關鍵。本工程中由于在〈4-1〉、〈4-2〉土中施工曾出現多次塌孔現象,成孔后錨索無法安裝及預加預應力,一度影響了施工進度。 完成鉆孔后,插入錨索體并進行注漿施工,必須有效地用水泥漿把地下水置換出來,灌漿用管插入至孔底直到水泥漿面上升至地面為止。將注漿管往外拉出300mm,在孔口進行封堵后準備進行注漿。一次注漿采用灰砂比1∶0.7~1∶1(重量比)、水灰比0.38~0.45的水泥砂漿,注漿體強度25MPa;二次高壓灌漿采用水灰比0.45~0.5的純水泥漿,并摻加補償收縮微膨脹劑,攪拌均勻并過篩,隨拌隨用,初凝前用完,在一次灌漿后24h后進行。必須注意的是,插入錨索體時應對套管加以保護,以免受損而造成水泥漿液滲入套管內,導致錨索不能回收。為確保錨索可回收及重復使用,在套管內須注入特定的防護液體,防漏填充劑是按特定的配合比及混合方法制作,注入直至達到塑料管面高度。封孔施工將壓注至孔口,并補漿3~5次,直至漿液面不再下降為止,水泥漿采用早強水泥,水灰比0.5,流動值12min±2s,單軸抗壓強度sc=40MPa。 錨索張拉是實現錨索滿足設計要求的關鍵工藝,應在水泥漿試塊抗壓強度達到規定值后才可進行,采用單純加載,達到規定荷重后進行錨固。張拉方法與常規錨桿相同,只是中心的鋼絞線不能加力,處于自由狀態。通過適應性試驗及確認試驗,確認錨索的彈性延伸量、塑性延伸量、松弛量是否滿足規定要求,同時考慮夾片的松弛削弱張拉力的影響因素,根據規定的有效張拉力進行張拉和錨固。錨桿頭部用夾片錨固時,隨著荷重的增大,夾片將嵌入錨頭內。張拉前進行試拔檢驗,試拔最大拉力為設計軸向拉力的1.1倍,按拉力的10%逐級加荷,卸荷時按軸向拉力的1 5逐級卸荷;張拉至設計拉力的1.0~1.1倍時,保持10~15min,觀察其變化趨于穩定時卸荷至鎖定荷載進行鎖定。鎖定后,如有明顯的應力損失,應進行補償張拉。4.3 錨索回收 錨索施工較為簡單,先把中心的鋼絞線用千斤頂拔出,然后用千斤頂相繼對周圍的鋼絞線進行加載,使之脫離固定臺座,即可回收。一般采用壓力為20t的千斤頂便可進行回收施工,而回收與預加應力采用同一組千斤頂,施工設備投入較為合理經濟。錨索回收設備及安裝如圖3所示。 錨索回收施工程序如下:①裝上支架、穿心式油壓千斤頂、回收夾具及夾片等,中心處回收關鍵錨索不安裝夾片;②完成安裝后開啟千斤頂加載,使錨頭有松動及約有2～3mm的浮起,然后卸載;③在支架上安裝錨頭夾片的回收墊片,重復步驟①后開啟千斤頂加載,使錨頭處的夾片脫落,千斤頂卸載,取走錨頭,中心處回收關鍵錨索須安裝夾片,同時須進行錨頭夾片防止飛出的防護工作;④將支架取走,安裝千斤頂及對中心關鍵回收錨索安裝夾具及夾片,啟動千斤頂加載,將中心關鍵回收錨索拔出;⑤中心關鍵回收錨索拔出后,安裝千斤頂及對周邊對稱的2根錨索安裝夾具及夾片,千斤頂加載,將其拔出;⑥重復步驟⑤,直至將所有錨索拔出;⑦對拔出的錨索進行詳細檢查,如再利用的則須妥善保管,便于下次施工中使用。5 錨索保護 工程結構及構件使用壽命取決于腐蝕、疲勞、磨損這3個因素,對于錨索而言關鍵為腐蝕,主要為電化學反應引起。由于本工程從盾構隧道施工至軌道施工在同一豎井實施,需約3年時間,且金屬構件所處的環境,如細菌、氧氣、濕度等的變化,將加速其腐蝕。可回收錨索在設計上充分考慮了這一因素,即在套管內注入特定的防護液體,但露出部分如錨頭及錨索在一段時間后也會出現銹蝕或現象,一旦形成則不但影響錨索的回收,還會影響錨索的重復使用,不利于項目成本控制,而且在基坑開挖中如缺乏對錨索的保護,則會造成錨索損傷,同時由于施工中質量控制不足,造成部分套管外露,雨水易從錨頭與套管間的空隙滲透入套管內。為確保錨索的防腐蝕性能,錨索外露部分應涂刷油漆加以保護。6 可回收錨索的回收施工要點 可回收錨索能否按預期目標順利完成,在整改施工過程中,其主要技術要點有以下方面: ⑴在錨索施工中,鉆孔后的孔洞清洗須注意,確保孔內不能存在泥漿,特別在泥土中的施工。 ⑵回填注漿施工是關鍵工序,主要是水泥漿液絕不能漏入錨索保護套內,否則會造成錨索固結,影響錨索的順利回收。 ⑶錨索施工后必須采取嚴格的保護措施,否則會影響錨索的回收及其重復利用。 ⑷根據錨索設計使用的束數,其錨頭墊塊、錨頭、回收夾具與穿心式油壓千斤頂必須相互配套。 ⑸錨索夾片在設計上須考慮回收時的拔出施工要求,即在端部須留有凹槽及回收使用的鎖件。7 施工監測 本施工標段從2005年11月進場施工,基坑施工監測從2005年3月開始,第1道錨索監測開始時間為2006年5月,基坑監測內容為圍護結構墻頂水平位移、土體側向變形、支護結構變形、支撐軸力、錨索拉力、地下水位和地表沉降等。監測使用儀器包括全站儀、測斜儀、讀數儀、水準儀等。錨索拉力監測使用的應力感應片放置在錨索的承壓支座與錨頭之間。軌排井段的第1～3道錨索分別在基坑縱向兩側,每道錨索選取2個監測點,相距17.5m,第4～5道錨索則選取1個監測點,監測頻率為每2天監測1次,遇天氣變化如雨天則加大監測頻率。 監測結果表明,本工程錨索拉力累計變化小于設計最大控制值118.76kN; 在〈6〉全風化泥質粉砂巖至〈9〉微風化泥質粉砂巖錨索應力變化及墻體位移變化較小;在〈4-1〉、〈4-2〉、〈5-1〉、〈5-2〉土層地質中墻體位移與錨索的應力變化相對較大,可回收錨索也能達到設計和施工要求。8 結論與建議
本工程采用開挖與錨索施工相互配合,可回收錨索施工累計3個月內,總長約3000m的錨索全部施工完畢。通過監測,主體結構完成后,基坑最大位移發生在墻頂,位移變化在23.1～25.2mm之間,處于收斂狀態。而廣州地鐵正在施工中的基坑中,多個工點根據豎井的使用的功能,均不同程度上使用了可回收錨索,并且在深圳地鐵某出入通道及廣州某花園地下室施工中也成功應用,證明可回收錨索具有施工簡便、安全可靠,重復利用資源、工人勞動強度低、減小環境污染等優點。 可回收錨索的成功應用,是我國錨索加固技術的又一突破,雖然成功對錨索進行回收,但其錨固段仍留存在巖土中,這是可回收錨索存在的缺陷。隨著科學技術不斷發展,筆者堅信在不久的將來可研究出可回收錨桿,并解決可回收錨索(桿)的現有缺陷,實現全回收錨索(桿),這也是程技術人員努力和奮斗的目標。
參考文獻
[1]梁炯鋆.錨固與注漿技術手冊.北京:中國電力出版社,1999
[2]龔曉南.深基坑工程設計施工手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1998
