中电建（西安）轨道交通建设有限公司 西安 71000
【摘要】 本文以西安地铁二号线二期工程草滩北站为研究背景。草滩北站为地下一层侧式车站，标准段宽度达53m，支护结构采用钻孔灌注桩+预应力锚索型式。车站在施工过程中面临工期紧、降水难度大，地质不良（主要为富水砂层，部分区段存在淤泥质土），锚索施工易塌孔等难题。通过采用高压旋喷预应力锚索施工技术，提高了施工效率，保证了锚索施工质量，为车站尽快封顶，二号线二期工程顺利完工奠定了坚实基础。
【关键词】 富水砂层 高压旋喷 预应力锚索 塌孔
中图分类号： U24 文献标识码：A
前言
当前随着城市化进程不断加快，城市轨道交通因其绿色环保、运量大、速度快等优势，在各大城市中迅猛发展，方便了居民出行，带动了地铁沿线的发展。车站作为市民出入地铁线路的中枢，其设计会综合考虑路面交通、工程地质、经济性、客流量、远期规划等多种因素。大部分标准地铁车站因在繁华的市区，支护结构采用内支撑型式，受力良好且对周边环境的影响较小，但如果地铁车站宽度较大或施工中对吊装净空有要求，且基坑外具备锚索施工条件时，采用围护桩+锚索支撑体系在保证安全的前提下可大大减小工程成本。锚索施工效率高，支护结构整体性较好，但在富水粉质黏土层、砂层或淤泥质土等地层进行施工时，锚孔稳定性较差，极易引起塌孔或涌水涌砂现象，造成地面沉降、塌陷，建（构）筑物倾斜等事故。针对此种工况开展了超宽基坑高压旋喷预应力锚索施工技术研究，在保证安全可靠的前提下，提高了施工效率，取得了较好的成果。
1 工程概况
草滩北站为地下一层侧式车站，车站主体基坑长209m，标准段宽53m，主体轨行区基坑深11.9m，设备区基坑深度约10.5m，顶板覆土厚度约3m。主体结构采用明挖顺作法施工，基坑支护结构采用钻孔灌注桩+预应力锚索。车站主体采用单层四柱五跨箱型框架结构，结构外设置全外包防水层。
在基坑开挖范围内，标准段设置两道锚索，锚索水平间距1.3m。第一层距离冠梁底标高1.7m，第二层距离第一层锚索3.0m。采用2s12.7钢绞线，锚固段约为6.5m，自由段约为6.0m，与水平方向角度为15°，锚索的成孔直径为150mm。支护结构断面图如图1所示。
图1 支护结构断面图
2 气象、水文、地质情况
西安市属暖温带半湿润季风气候，四季分明，雨量适中。春季温暖、干燥多风，夏季炎热多雨，秋季凉爽，气温速降，冬季干冷，多雾、少雨雪。年最高气温在40℃左右，年最低温度在-8℃左右。
草滩北站位于全断面富水砂层，工程地质从上至下依次为杂填土、中砂、粗砂、粉质黏土，部分区段存在淤泥质土。
本区域地下水属冲积层孔隙潜水，潜水含水层为冲积砂土，富水性极强，潜水稳定水位埋深1.0～11.5m。富水性强的砂土地层对锚索施工构成不利影响，极易引起塌孔造成地面塌陷等事故。
3 施工原理
采用多功能履带钻机，配备硬质合金高压旋喷单管钻头旋进成孔，在钻头前方预留有喷嘴，在钻进过程中通过喷嘴喷出水泥浆进行护壁，防止钻孔坍塌，同时可减小阻力保证钻机成孔效率。喷嘴喷射的高压水泥浆，同步对周围的土体进行切削，进行扩孔，从而达到设计孔径。
在钻头前方设有一个活动的法兰盘（锚盘），将预应力锚索通过卡扣固定在法兰盘上，在钻机钻进过程中钻头带动法兰盘及预应力锚索不断往前顶进，直至到达设计深度。钻杆在退回过程中，法兰盘及锚索与钻头脱离，预留在锚孔中，通过设定注浆压力，在喷嘴处喷射注浆材料，边高压注浆边退出，直至达到锚固长度，即可完成钻孔、锚索送入、高压注浆等一系列施工工序，在浆液强度达到设计要求后即可进行张拉锁定，完成锚索施工。
4 施工工艺
4.1 施工工艺流程
高压旋喷钻进预应力锚索施工工艺流程见图2。
图2高压旋喷钻进预应力锚索施工工艺流程
4.2 钻孔施工
1、水泥浆液配比
（1）注浆材料一般选用42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比在0.5～0.6范围，具体根据设计要求进行调整。
（2）当遇特殊地层情况，则需在现场进行浆液配比试验，确保高压旋喷成锚质量。
（3）水泥浆应拌和均匀，随拌随用，控制一次拌和的水泥浆量，保证所拌和的水泥浆能在其初凝前用完。
2、锚孔定位
（1）开挖后的围护结构基面经过修整喷锚，按设计要求的标高和水平间距，用水准仪和钢尺定出孔位，用油漆做十字形标记，钻机定位后沿做好的标记进行钻进施工。
（2）平整钻机施工工作面，在工作面上安放钻机，对准桩位。安装高压注浆系统和钻进系统，将钻杆设定到设计要求的角度，调制好注浆材料，通过注浆管将注浆泵连接到钻机上。
3、锚索制作
一般锚索需要在工地现场装配。钢绞线严格按设计尺寸进行下料，每股长度误差≯10mm，钢绞线按一定规律平直排列。按设计长度对自由段采用隔离套管进行隔离，对下料完成的锚索进行外观编号与标识，集中存放时钢铰线应顺直。
4、成孔施工
（1）开钻前对钻杆喷浆通道进行冲洗，防止高压喷嘴堵塞，确保钻杆中心孔无杂质。搅浆桶出浆时必须采用不大于1.5mm的纱网进行过滤，防止杂质进入钻杆中心孔内。
（2）开钻前先进行试压，检测泵压力是否达到工艺要求，查看水灰比是否达到设计要求。
（3）采用中空钻杆和硬质合金高压旋转叶钻头进行高压旋喷钻进工艺，将锚索通过夹片固定在法兰盘上，将法兰盘穿过钻头，通过钻头扩大端使钻杆在钻进过程中顶进法兰盘，当钻孔达到设计深度时，锚索相应顶推到设计深度。
（4）钻进过程中钻头的侧翼通过喷嘴进行高压旋转回旋钻进，锚杆的钻孔深度不小于设计长度，不大于设计长度的500mm，钻杆钻孔时不得扰动周围地层。
5、扩孔
（1）高压水泥浆在高压泵的压力作用下，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削，高压旋转钻头和侧翼喷嘴在动力推动下逐步向前推进，直至达到设计深度。
（2）锚索成孔至设计深度后，进行高压注浆，待孔口返出的泥浆不含砂粒与土时，退出钻杆，同时钢绞线安放完毕。按照施工经验，判断孔内土层地质情况，严格控制注浆量。若锚索锚固段处于松散或孔隙较大的土层，可适当加大喷浆压力加固周围土体，确保锚索锚固承载力。
（3）当扩孔完成后钻杆退出，法兰盘及锚筋结构件留在原位，在土体内形成预埋锚定板的作用。
4.3 腰梁安装
（1）槽钢和各构件钢板均采用Q235钢，型号为[28a型槽钢或根据设计要就进行设置，制作各构件的钢板厚度均为20mm，钢板与槽钢的焊接必须满焊且必须满足规范要求。
（2）型钢腰梁长度大、重量大、施工难度较高，巨大的型钢腰梁需用吊车进行吊装，当吊车不具备吊装条件时，在现场各专项工程同时进行可采用大型挖机将其运往相对应位置，并且配合安装。
（3）型钢腰梁背后将桩表面进行人工剔凿，至混凝土露出新鲜面后，用M30水泥砂浆找平，然后直接安装型钢腰梁。在型钢腰梁下端每隔1.5m将700mm长的直径25的二级短钢筋锤入土体或者植入桩内300mm，留出的400mm用以支撑固定型钢腰梁。
当桩身混凝土表面平整度差异过大时，应用400mm长的25C短槽钢或2cm厚钢板做背衬，配合使用M30水泥砂浆找平，尽量确保型钢腰梁安装的平整度。在型钢腰梁正面表面（靠基坑内侧面）以及背面表面（靠护壁侧面）间隔1m焊接400mm长的直径25的二级短钢筋，增加型钢腰梁的整体性。
（4）在型钢腰梁施工过程中，因型钢原材长度限制，以及基坑阴阳角处，会出现型钢腰梁断开，腰梁无法连成整体。为保证基坑施工安全，将错开的型钢腰梁（上下两根）采用短钢板将其焊接连成整体。
（5）为了避免张拉应力集中，在锚具后垫设钢板，使其受力均匀。
图3 腰梁平面图
4.4 锚索张拉
（1）锚索的锚固段浆液达到设计要求强度后，方可进行张拉并锁定。其张拉值严格按照设计值控制。
（2）张拉锚索前需对张拉设备进行标定。标定时，将千斤顶、油管、压力表和高压油泵联好，在压力机上用千斤顶主动出力的方法反复试验三次，取平均值，绘出千斤顶出力（kN）和压力表指示的压强（MPa）曲线，作为锚索张拉时的依据。
（3）安装工作锚、夹片、限位板、千斤顶及工具锚，安装前工作锚具上的锥形孔及夹片表面应保持清洁，为便于卸下工具锚，工具夹片可涂抹少量润滑剂。工具锚具上孔的排列位置须与前端工作锚的孔位一致，不允许在千斤顶穿心孔中发生裂纹现象。张拉时应记录每一级荷载伸长值和稳压时的变形量，且与理论伸长值和规定的变形量进行比较，特别是最后一级锁定时钢绞线回缩量是否满足规定要求。
（4）锚索正式张拉前，先预加设计张拉值10%的初始荷载，将钢绞线逐根调直。张拉分级系数为0.25，0.5，0.75，1.0，1.1，每级持荷时间为2-5min，超设计1.1倍张拉持荷时间为10-20min。
（5）张拉加载及卸载应缓慢平稳，加载速率每分钟不宜超过0.lσcon（设计预应力值），卸载速率每分钟不宜超过0.2σcon。
（6）锚索张拉时应通知监理工程师到场，即时准确记录油压表编号、读数、千斤顶伸长值，夹片外露段长度等。
（7）锚索防护除采用PE套管外，其张拉段必须采用水泥浆或水泥砂浆进行全孔封闭灌浆，浆液的强度和性能应满足设计要求。
4.5 锚索应力监测
锚索应力变化是监测支撑体系是否稳定的关键环节，为了监控基坑施工期间支撑的内力状态，需设置支撑轴力监测点，支撑轴力监测点主要设置在支撑受力较大且相对不利的部位。根据工程规模和施工需要，设置锚索轴力监测点。
锚索轴力测试仪器采用JTM-V10A型振弦式频率仪，量程600～6000Hz，分辨率（可读变化值）±0.1Hz。所有监测点、监测设备需在整个基坑支护施工过程中加强保护，以防损坏。监测的时间间隔视施工进程而定，雨天适当增加观测次数。当变形超过预警指标时应加密观测次数，当有危险事故征兆时应进行连续监测。开挖过程中一旦出现裂缝或监测值达到报警界限时须及时报警，以引起各有关方面重视，及时处理。
1、坍孔
坍孔的主要原因是钻杆遇到松散的土层，稳定性较差，当出现塌孔时，不管钻进深度如何，都要立即停止钻进，拔出钻具，进行固壁注浆，注浆压力采用0.4MPa，浆液为水泥砂浆和水玻璃的混合液，24小时后重新钻孔。若钻孔完成后，在穿送钢铰线中途无法顺利下放至孔底，则抽出钢铰线，需重新钻孔，调整旋喷压力与注浆时间加固周围土层后再下放钢铰线。
2、地表裂缝或锚孔涌水涌砂
地表产生裂缝的主要原因是地层水位下降或地层涌水涌砂内部产生空腔导致地表下陷产生裂缝。当围护结构采用帷幕截水时，在地下水位以下特别是承压水土层成孔会出现孔内向外涌水冒砂，造成无法成孔、钻孔周围土体坍塌、注浆液被水稀释不能形成固体等。当锚索遇到软流塑的淤泥地层，止水效果又不到位的情况下，易发生桩间涌泥现象。
当遇到较高地下水压力作用时，可采用掩护式施工。先开孔施工，钻进孔深1/3位置，采用麻袋、快速水泥对孔口段进行封堵，待水流变小时继续进行钻进，钻进至设计桩底位置退出钻具，更换钻头安装钢铰线，插入孔内后再采用快速水泥对孔口进行封堵，边注浆边送钢铰线至设计位置，退出钻杆后对孔口采用快速水泥进行封堵。若水流较大，须引流注浆，必要时采取填土反压、地表注浆等措施加固周围地层，避免大的事故发生。
3、钻进遇障碍物处理
高压旋喷锚索施工时若局部位置与地下管线冲突，可采取适当调整倾斜角度或改变桩位等措施（与设计单位进行沟通），施工过程中若发生紧急情况应立即停工，及时报有关单位并积极配合解决，确保施工顺利进行。当钻进过程中遇孤石等障碍物且地层埋深较浅时，可对该部位反挖回填，并对该部位注浆加固后重新钻孔。
锚索钻机就位后首先对锚孔部位进行试孔，在两围护桩体间无法钻进或卡钻，主要原因为围护桩体施工时因地层原因导致该部位出现塌孔从而致使相邻桩体混凝土间隙过小甚至粘连。针对此问题，可采取人工引孔后再进行正常钻进。
4、预应力损失过大
锚索锁定后对锚索轴力进行测定发现，锁定力与实测力出现较大偏差。锚索张拉时，采用读数仪接收轴力计变化频率，通过对锚索测力计3根振弦在张拉时加力历时进程观测和分析，发现之间差值较大，表明锚索存在偏心受力现象。锚墩、锚孔或者锚固段的施工质量问题有可能导致锚索受力偏心问题，对锚索预应力产生影响。
锚索安装时钢铰线卷曲，锚索张拉时受力不均，易出现较大的预应力损失。锚索锁定后进行下层土方开挖时，随着下方土体卸载产生应力释放和重分布以及施工机械对腰梁或锚头碰撞松动亦是锚索预应力损失产生的原因之一。
要严格控制基座钢垫板加工尺寸、表面平整度并满足刚度要求，在钢铰线安装过程不缠绕弯曲、锚索与锚固体轴线同心。在预应力张拉时，采取两次预张拉消除钢铰线受力不均的影响，通过消除偏心带来的误差，降低应力损失率。
6结论
通过采用高压旋喷预应力锚索施工技术，与传统的跟管施工技术相比，经济效益、社会效益明显，主要体现以下几个方面。
可有效解决在富水砂层或黏土层中锚孔施工易塌孔问题，提高了锚索成孔质量，降低了施工风险。
可一次性完成锚索成孔、锚索跟进、高压注浆等施工工艺，施工效率相比传统的跟管技术提升50%。
锚索的抗拔力较高，可有效保证基坑稳定性。
机械化程度较高，有效减少了机械台班及人工成本，经济效益显著。
通过本施工技术的应用，为草滩北站快速封顶，地铁线路尽快开通，满足市民出行做出了应有贡献。
参考文献
客服QQ：30444492琼网文【2021】1550-113号
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