U型可拆卸式锚索施工技术探讨

U型可拆卸式锚索施工技术探讨

刘志鹏

身份证号码：142329198407250211 

论文摘要：预应力锚索由于工艺流程简单、施工便捷、造价低，在改善边坡稳定性方面具有较大的应用性，在城市深基坑施工中广泛分布。随着城市地下空间的开发利用，常规锚索受到土体预留结构体多、占用地下空间大的缺点的影响，适用空间越来越狭窄。U型可拆卸锚索具有可拆卸、留置在地下的锚头体积小、占用地下的空间小、对地下的污染小的优点。北京地铁6号线二期14标玉带河大街站，基坑采用土钉墙+钻孔灌注桩及预应力土层锚索的支护体系来保证车站基坑施工安全，但是基坑支护体系中的锚索伸入盾构区间范围内，给盾构掘进造成了障碍。采用U型可拆卸式锚索，既解决了基坑支护难题，又避免了给下一步盾构推进施工造成障碍。该方法在地铁领域的设计与施工有着重要的参考价值，可以在同类地下工程中推广应用。

关键词：U型可拆卸式锚索、深基坑、盾构

一、工程概况

本站基坑总长219.1m，主体基坑深18.35～19m。基坑为两级非对称基坑，其中上部浅基坑深10.75m，位于基坑北侧，设计为外挂区，围护形式为桩锚支护结构，围护结构采用Φ800@1500钻孔灌注桩，锚索布置三道，一桩一锚，北侧桩顶距地面2.3m，桩与地面间高差采用砖砌挡墙，基坑四周砌挡水坎，基坑其余三面围护形式为上部7.8m采用土钉放坡，坡度70°，土钉在垂直方向布设五道，下部采用桩锚支护结构，锚索共三道，一桩一锚，桩间采用Φ6.5@150×150钢筋挂网及C20喷射混凝土。

支撑体系采取钻孔灌注+锚索的方式，本站锚索分三层布设，第一道布置于冠梁上，不需架设腰梁，第二和第三道采用双Ⅰ28b作为腰梁布置于围护桩间，锚索孔径为d=150mm  钢绞线为1860级，分为2s15.2@1500、3s15.2@1500、4s15.2@1500三种形式。

车站结构断面如下：

图1 车站明挖段结构标准断面图

基坑端头为盾构始发和接收井，根据设计图纸计算，盾构始发端头第二、三层锚索共有16根进入盾构区间范围内。盾构区间范围内采用可拆卸锚索。

盾构区间范围内原设计锚索为第二层d=150mm、3φs15.2@1500、L=27000，自由段7000；设计拉力673kN，预加力269kN。第三层d=150mm、4φs15.2@1500、L=27000，自由段6000；设计拉力687kN，预加力275kN。

根据检算代换锚索的锚固力，变更为可拆卸锚索的参数为： d=150mm、锚固段长度27m，φs12.7无粘结钢绞线1860级6根，承载体3个，承载体间距6m。

锚索与盾构结构关系纵剖面见图2。

图2锚索与盾构结构关系纵剖面图

二、U型可拆卸式锚索施工方案

（一）U型可拆卸式锚索构造

可拆卸式锚索是指将无粘结力的钢绞线弯曲加工成U形，分别装入数个按一定间距配置的承载体上，张拉钢绞线时，在锚固体内部以承压方式作用于注浆材料，形成压缩分散型锚固体，其使用功能完成后，钢绞线可从无粘结包裹体中抽出，可拆卸式锚索结构见图3。

图3 压力分散型可拆卸锚索示意图

（二）U型可拆卸式锚索工作机理

压力型锚杆杆体采用可全长自由滑动的无粘结预应力钢绞线，再加上锚杆底端与钢绞线连接的传力锚具（又称承载体），使得杆体受力时，拉力直接由无粘结钢绞线传至底端传力锚具，通过传力锚具对注浆体施加压应力，并使注浆体与周围岩土体产生剪切摩阻力，以此提供锚杆所需的承载力。正因为锚固注浆体为受压状态，所以称其为压力型锚杆。根据摩阻力分散情况，可分为压力集中型与压力分散型锚杆。压力分散型锚杆克服了拉力型锚杆承载力与锚固段长度非正比增加、粘结应力峰值突出、防腐性能较差、杆体无法拆除等性能缺陷，形成了具有独特传力机制和良好工作性能的单孔复合锚固体系，其杆体采用独特的结构构造和施工工艺，将锚杆受到的外拉力分散为几个较小的压力，使锚固体与周围土体的粘结应力峰值大幅降低并较均匀地分散到整个锚固段长度上，从根本上充分调用了土体的抗剪强度，显著地提高了锚杆的承载能力。所以本次可拆锚索采用压力分散型锚杆。

U型可拆卸式锚索作为一种分散压缩型锚索，与拉伸型锚索相比，具有独特的传力机制和良好的工作特性，这主要表现在：

（1）锚固体长度上粘结摩阻应力分布较均匀，能较充分的调用士体抗剪强度。拉伸型锚索在张拉时，在临近张拉段处的锚固段界面，呈现最大的粘结摩阻应力，随着张拉力增大，粘结摩阻应力峰值逐步向深部移动，欲保持恒定的张拉力，则锚固体周边界面上将出现逐进性破坏。

图4拉伸型与压缩型锚索锚固体周边粘结摩阻应力分布形态图

分散压缩型锚索张拉时，则可借助按一定间距分布的承载体，使较大的总拉力值转化为几个作用于承载体上的较小的(仅为总拉力的几分之一)压缩力。避免了严重的粘结摩阻应力集中现象，在整个锚固体长度上粘结摩阻应力分布较均匀(图4-2)，因而其峰值也得以大幅度降低，这就能较充分的利用土体的抗剪强度，在同等锚固体长度条件下，它比拉伸型锚索具有更大的承载力，或者说，在满足同等承载力条件下，压力分散性锚固体长度可以有较大的减小。

（2）压缩分段型锚索的锚固体承载体承受压缩力时，会引起灌浆体的径向扩张，因而能提高摩阻强度。

（3）锚固体内灌浆材料均处于受压工作状态，不会开裂，灌浆材料与外裹塑料层一道，构成钢绞线可靠的双重防腐体系，大大提高了锚索的耐久性。

（4）当锚索使用功能完成时，作为锚索预应力筋的无粘结钢绞线可以被抽出，这就不会构成对盾构机推进始发及到站的干扰。

（三）U型可拆卸式锚索锚固体的等拉力替换设计原理

（1）锚固体的极限承载力

锚索锚固体的极限承载力P应满足以下三个基本条件，即：

①P≤Fa*fptk式中：Fa为钢绞线的截面积；fptk为钢绞线的强度标准值。检算锚索本身强度

②P≤n*Fc*fc·公式：n为承载体个数；Fc为灌浆体受压面积；fc为灌浆体的抗压强度标准值。检算锚索灌浆体强度

③P≤（qs1*π*D*Ll+ qs2*π*D*L2+…+qsn*π*D*Ln）*Ψ

式中：qs1,qs2,…qsn为不同承载区段上的平均粘结摩阻强度标准值；L1,L2为不同承载区段的长度；D为锚固段灌浆体直径。Ψ为锚固长度对粘结强度的影响系数

检算锚索灌浆体与土层间粘结力强度

本方案中采用等拉力替换方法，采用（1×7）C-12.70-1860级钢绞线，3个承载体，承载体间距6m。

第二层锚索：设计P=673KN ，第三层锚索：设计P=684KN

计算检算过程：

①式中，第二层P=673KN，第三层P=687KN，钢绞线截面积Fa：单根12.7锚索截面积为98.71mm2 ，1860级锚索fptk=1860Mpa

Fa*fptk=3*2*98.7*1860=1101.5KN

P≤Fa*fptk满足，符合要求

②式中，n=3，Fc=πD2/4-98.7*6mm2,fc灌浆体抗压强度设计C25,按规范15MPa可张拉情况验算

Fa*fptk=3*0.1*106*15=4500KN

P≤n*Fc*fc满足，符合要求

③式中，第二层土体粘结平均强度qs1=0.15Mpa 按第一个承载体简化计算，取锚固长度对粘结强度的影响系数Ψ=0.6

（qs1*π*D*Ll+ qs2*π*D*L2+…+qsn*π*D*Ln）*Ψ

=3.14*150*（27*0.15）*0.6

=1068KN

第三层土体粘结平均强度qs1=0.16Mpa 按第一个承载体简化计算，取锚固长度对粘结强度的影响系数Ψ=0.6

（qs1*π*D*Ll+ qs2*π*D*L2+…+qsn*π*D*Ln）*Ψ

=3.14*150*（27*0.16）*0.6

=1220KN

对第二、三层土体P≤（qs1*π*D*Ll+ qs2*π*D*L2+…+qsn*π*D*Ln）*Ψ

均满足，符合要求

（2）承载体的合理间距

分散压缩型锚索的总设计原则应使每个承载体受力均等，而每个承载体上所受的力应与该承载段灌浆体表面上的粘结摩阻抗力相平衡。因而，当承载体上的承载力恒定时，由于在软黏土中，灌浆体与土体界面上的粘结摩阻抗力较低，因而承载体的间距应大一些。而在硬黏土或砂质土中，灌浆体表面的黏结摩阻抗力较高，则承载体的间距可小一些。本方案中取承载体间距为6m，经过验算，能满足设计要求。

（四）U型可拆卸式锚索的施工处理

（1）施工流程

图5 可拆卸式锚索施工流程图

（2）施工工艺

1）锚孔放样

边坡施工边挖边加固，即开挖一级，防护一级，不得一次开挖到底。根据各工点工程立面图，按设计要求，将锚孔位置准确测放在坡面上，孔位误差不得超过±50mm。如遇既有刷方坡面不平顺或特殊困难场地时，需经设计监理单位认可，在确保坡体稳定和结构安全的前提下，适当放宽定位精度或调整锚孔定位。

2）钻孔设备

钻孔机具的选择，根据锚固地层的类别、锚孔孔径、锚孔深度、以及施工场地条件等来选择钻孔设备。岩层中采用潜孔冲击成孔；在岩层破碎或松软饱水等易于塌缩孔和卡钻埋钻的地层中采用跟管钻进技术。

3）钻机就位

锚孔钻进施工，搭设满足相应承载能力和稳固条件的脚手架，根据坡面测放孔位，准确安装固定钻机，并严格认真进行机位调整，确保锚孔开钻就位纵横误差不得超过±50mm，高程误差不得超过±100mm，钻孔倾角和方向符合设计要求，倾角允许误差位±1.0°，方位允许误差±2.0°。

4）钻进方式

因锚索范围内地层主要为粉细砂及中砂，干钻施工效率低下。本处钻孔采用水钻，钻孔速度根据使用钻机性能和锚固地层严格控制，防止钻孔扭曲和变径，造成下锚困难或其它意外事故。

5）钻进过程

钻进过程中要达到“准、平、稳”的要求，对每个孔的地层变化按孔深对返水量及地质情况做好记录，锚固孔的倾斜率≤3.0%，发现问题及时进行纠偏调整。如遇塌孔缩孔等不良钻进现象时，须立即停钻，及时进行固壁灌浆处理（灌浆压力0.1～0.2MPa），待水泥砂浆初凝后，重新扫孔钻进。

6）孔径孔深

钻孔孔径、孔深要求不得小于设计值D=150mm。为确保锚孔直径，本工程采用D=150的套管。为确保锚孔深度，要求实际钻孔深度大于设计深度0.

4m以上。

7）锚孔清理

钻进达到设计深度后，不能立即停钻，要求稳钻1～2分钟，防止孔底尖灭、达不到设计孔径。孔壁不得有沉碴及水体粘滞，必须清理干净，在钻孔完成后，使用高压水将孔内沉渣及全部清除出孔外，以免降低水泥砂浆与孔壁岩土体的粘结强度。若遇锚孔中有承压水流出，待水压、水量变小后方可下安锚筋与注浆，必要时在周围适当部位设置排水孔处理。

8）锚孔检验

锚孔钻进结束后，须经现场监理检验合格后，方可进行下道工序。孔径、孔深检查一般采用设计孔径、钻头和标准钻杆在现场质检人员旁站的条件下验孔，要求验孔过程中钻头平顺推进，不产生冲击或抖动，钻具验送长度满足设计锚孔深度，退钻要求顺畅，用高压水吹验不存明显沉碴现象。同时要求复查锚孔孔位、倾角和方位，全部锚孔施工分项工作合格后，即可认为锚孔钻造检验合格。钻孔结束，逐根拔出钻杆和钻具，将冲击器清洗好备用。

9）锚索束体制作与安装

钢绞线下料用砂轮切割机切割，严禁采用氧气和电焊切割。

锚索按计算好的长度下料后，逐根检查钢绞线有无损伤。确保每根钢绞线顺直，不扭不叉，排列均匀，除油污，对有死弯、机械损伤的要剔除。将锚固段承载体分段定位后，将3对处理好的钢绞线在承载体处弯成U形，用打包机捆绑或用铁丝捆绑。沿索体轴线方向，每隔2m安装一个定位支架，用铅丝绑扎牢固，注浆管位于锚索中央，保证锚索体保护层厚度。编索后，复检索体及定位支架是否破损、承载体锈蚀情况等，发现问题及时处理。

与其他传统的锚杆不同，压力分散型锚索的杆体必须做标记，完工前不得破坏。这是为下一步的拆除做好准备。根据实际经验，在杆体末端分别切一道、两道、三道小口做标记，很方便且容易辨认。

10）注浆锚固

注浆采用设计要求配合比的水泥砂浆。针对本工程中砂地层容易出现充满砂石空隙，造成注浆外流，采用歇式反复注浆的办法,控制浆液向周边流动,直至注浆压力达到设计压力为止。锚固段注浆必须按设计压力控制进行注浆，对自由段应能够保证锚孔周边的岩体稳定为前堤,防止过量注浆。

11）腰梁安装

锚索施工的同时进行钢腰梁的制作及安装，在加工场进行拼接加工成型，运输至施工现场在手动葫芦的配合下直接进行安装。

钢腰梁支座安装前先按测量放出的钢腰梁中心线标出支座在支护桩上的位置和尺寸，并对支座与桩身的接触面进行凿平加工处理。支座安装前按设计图要求加工好支座螺丝的孔位。

12）锚索张拉、锁定及封锚

过现场张拉试验，确定张拉锁定工艺。锚索的张拉及锁定分级进行，严格按照操作规程执行。在设计张拉完成6～10d后再进行一次补偿张拉，然后加以锁定。补偿张拉后，从锚具量起，留出长5～10cm钢绞线，其余部分截去，须用机械切割，严禁电弧烧割。最后用水泥净浆注满锚垫板及锚头各部分空隙，然后对锚头采用不低于20MPa的混凝土进行封锚，防止锈蚀和兼顾美观。

13)锚索拆除

锚索待主体结构施工完成后再进行拆除。先用千斤顶对锚索钢绞线进行张拉，使得钢绞线与锚具经张拉后被拉出10mm~15mm，然后卸去锚具上的夹片；卸去千斤顶何在，拆除钢绞线上的锚具；转动钢绞线使之与承载头分离；利用千斤顶拔出钢绞线，完成拆除。

三、结语

本工程采用U型可拆卸式预应力锚索技术在北京地铁6号线二期玉带河大街站中得到了良好应用，对于提高围护桩的抗侧压能力有很大的帮助。并且后期拔除效果明显，所有锚索均一次完成拔除任务，后期盾构机始发顺利。该技术对节省工期、保证深基坑施工顺利有良好的应用前景。

主要参考文献：

[1] 北京地铁6号线二期玉带河大街站围护结构施工图[R], 2012.3

[2] 胡文晗,王飞,蓝橙. 可拆卸式预应力锚索在深基坑围护结构中的应用. 建筑施工[J], 2011（03）：171-172.

[3] 傅春青. 可拆芯式锚索施工技术. [J]. 隧道建设, 2007 (8):454-458.

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