饱和粉土不降水深基坑预应力锚索施工工法

'饱和粉土不降水深基坑预应力锚索施工工法中铁隧道集团有限公司:康永胜李彦军一、前言深基坑开挖支护常用桩、墙围护。在明挖过程中，坑内分层用钢管或钢筋混凝土梁进行其缺点是施工工序多、干扰大、对工程安全和进度都有一定影响，尤其是两端有工程需要同时进行作业时，就显得非常不适应。此外，对基坑易产生收缩变形需严格控制的地层（特别是又为深大基坑时），基坑开挖中采用分层内撑就被动得多。将预应力锚索代替坑内的临时支撑，用于饱和含水砂土层基坑围护的坑壁支撑，在整个华东地区尚属首次，也未在国内外找到实例。该地层主要面临的难点是：地层透水性良好，在地下水位高时无法进行先降水，现有的施工技术无法解决锚索孔钻进过程中的涌砂、涌水，造成无法成孔，下锚注浆更无法实施。在杭州解放路延伸工程U型槽深基坑为饱和粉土及粉细砂地层，基坑宽21～27.8m，深6.6～17.5m，周边建筑众多，地下水位高，无法进行先降水，坑壁支撑设计为预应力锚索。承担工程任务后，我们首先开展了科研攻关，制定了接长套管的方法和工艺，依据静力平衡理论，利用泥浆压力平衡地下水压力的施工方案，解决了上述难题。施工中，在如何成好孔、注好浆、提高锚索抗拔力和充分发挥锚索的作用方面取得了经验，由此而形成了本工法。二、工法特点1、能在饱和粉土及粉细砂地层基坑不降水条件下作业；2、接长套管，利用泥浆压力平衡地下水压力成孔，操作方便，成孔率极高；3、采用二次注浆充分提高锚索抗拔力；三、适用范围适用于饱和粉土及粉细砂地层深基坑支护工程在基坑周边降水或不降水条件下的预应力锚索施工。四、工艺原理（一）工艺原理采用接长套管工艺，依据静力平衡理论，利用泥浆压力平衡地下水并护壁成孔，然后下锚，进行一、二次注浆，最后张拉锁定，从而达到抑制基坑变形，发挥出预应力锚索支护基坑的优良效果。五、工艺流程及操作要点（一）工艺流程本工法的锚索施工为“先锚后梁法”。即：先施做锚索再做腰梁，最后在腰梁上加钢垫板，并将锚索张拉锁定。具体施工工艺流程如图1所示。（二）操作要点1、基坑开挖基坑开挖至锚索设计标高下0.5m后，按锚索施工作业需要进行场地平整。2、测量定位根据设计锚索位置测放孔位，将锚索编号标识在围护桩上。可采用：工作面——排号——8 锚索序号的方式进行编码。例如：A工作面第一排第10根为A—1—10（设定线路左侧为A工作面，线路右侧为B工作面）。基坑开挖测量定位钻机就位钻孔下锚一次注浆二次注浆腰梁制作张拉锁定钢垫板加工下管锚索编制图1预应力锚索施工工艺流程图3、钻机就位钻机基底用方木或木板支撑垫平，孔位要求水平方向误差不大于50mm，垂直方向孔距误差不大于100mm。4、钻孔根据工程地质条件和预应力锚索施工技术要求，采用MK—3（5）型钻机。钻孔倾角用罗盘测定，横向以基坑边线为基准进行测控。（1）先用金刚石钻头破桩开孔，要求高转速、高压力。（2）外接Φ146套管，要求孔口封堵严密，套管固定牢固。套管外接长度视具体地层而定，原则要求泥浆压力能克服地下水静压力。（3）下Φ127套管，套管入桩一般6~7m。（4）用泥浆搅拌桶按比重要求搅拌泥浆，用泥浆泵循环输送护壁。用三翼钻头钻进成孔。成孔要求完整，不塌孔。泥浆比重1.5~1.8。5、锚索编制根据设计，锚索采用Ф15.24mm低松弛钢铰线编制，钢铰线标准强度1860MPa，编制束数为5束、3束。先把整卷的钢铰线用钢管架固定好，再拆捆放线。切割长度为锚索长度加0.7m预张拉长度，平直排列，除油除锈。锚头焊于Φ50钢管制作的锥形锚头上。锚固段间隔1.5m放置一个定位扩张环并扎紧在钢铰线上，扩张环之间用箍筋扎紧，使锚固段呈梭形。自由段涂黄油。套装塑料管用Φ17mm螺纹管。注浆管采用Φ20mm硬塑料管，两根注浆管平行穿于编索中间并用扎丝扎紧。锚头要求焊接牢固，不歪不斜，与锚索平直。编制完的锚索平直摆放一边，经监理验收合格后方可下锚。6、下锚8 由于孔口外接长Ф146mm套管，如何使锚索通过套管下至孔底设计位置非常关键。为此，在锚索尾部做一连接杆件，杆件和钢筋在孔口时相连，通过加长钢筋把锚下至设计深度。锚索一般较长、较重，基坑较深，所以下锚必须集中人员。锚索入孔要慢，在孔内平直不扭，在扩张环支撑下居中。下锚过程中如遇塌孔，应拔出扫孔后再下入。为预防下锚过程中注浆管被土堵塞，可联接注浆泵，边下锚边送泥浆。锚索入孔深度不得小于设计长度的９５％。下完锚后拔出Ф127mm套管。7、一次注浆锚索入孔后，立即注浆。注浆设备采用BW－250型泥浆泵，材料采用R42.5早强型普通硅酸盐水泥，水灰比为0.45～0.50的纯水泥浆。为缩短施工工期，在浆液中加入水泥重量的1～3％的复合型早强减水剂，水泥浆过筛后放入注浆桶中开始注浆，待纯浆液从孔口流出时，堵塞孔口再注片刻，结束第一次注浆。第一次注浆为重力式注浆，压力一般0.4～0.6MPa。8、二次注浆在第一次注浆结束后6～7小时左右拆除Ф146mm套管，进行二次注浆。一、二次注浆间隔时间9～10h，二次注浆压力为2.0～2.5Mpa。9、腰梁制作锚索注浆结束后，立即进行锁口腰梁制作。腰梁制作时，把锚索用PVC管套装，以免钢筋混凝土与钢铰线粘结。锚索要顺直，在梁中不折不弯，角度与施工角度一致。10、钢垫板加工钢垫板厚度一般采用20mm，加工尺寸一般为300mm×300mm×20mm，中间开挖6mm圆孔，用氧气切割，加工好后摆放整齐备用。11、张拉锁定在对张拉设备进行标定的基础上，当水泥浆强度达15MPa及梁的强度亦达到设计要求（C30）时，及时对锚索进行张拉锁定。张拉设备为OVM油泵及YCW千斤顶。按照土锚施工规范，张拉分级加载，依次为锁定荷载的0.1、0.25、0.5、0.75、1.0、1.2倍进行，每级持续５分钟，并分级记录锚索伸长值，然后按设计荷载锁定。六、机具设备根据施工特点，选取两种轻型钻机，型号为MK-5和MK-3水平坑道钻机。此钻机稳定性好，移动方便。另外，也可使用XY-1钻机。注浆采用BW-250型注浆泵和BW-150泥浆泵，张拉采用YCW-150穿心式千斤顶及ZB4—500型高压油泵。各机具设备的配置与性能参数参见表1所示。主要施工机具设备配套及性能参数表表1设备名称型号数量钻孔深度（m）功率（kw）排量(t/h)钻机MK-5250030MK-3230018XY-121007.5注浆泵BW-250215250BW-15027.5150千斤顶YCW-1501油泵ZB4—50015.5搅拌桶0.6m³415七、劳动组织及管理（一）施工组织机构8 1、应建立的施工组织管理机构如图2所示。现场指挥组技术组施工组后勤组施钻组编锚组注浆组机修组图2组织机构管理图2、对各个职能组织其岗位责任要求如下：现场指挥组：负责整个锚索施工的指挥协调工作。施工组：负责现场施工的组织安排，以及各个施工小组的调配及协调。技术组：负责现场施工的技术指导、技术把关、施工工艺研究及资料收集整理。后勤组：负责锚索施工的物资供应以及生活服务。施钻组：负责锚索成孔、下锚、张拉。编锚组：负责锚索编制。注浆组：负责锚索的注浆工作。机修组：负责整个工程钻机设备的维修保养工作。每个小组设专人负责并兼职安全员，负责各小组的生产安全。（二）劳动力配置根据工程情况，最基本的劳动力配置参见表2。基本的劳动力配表表2工种人数工种人数队长1名普工10名技术人员2名电工1名注浆人员12名机修工2名八级钻工24名材料1名合计53人八、质量标准及要求（一）钻孔1、水平方向孔距误差不应大于50mm，垂直方向孔距误差不应大于100mm。2、钻孔底部的偏斜尺寸不应大于锚索长度的3％。3、锚索孔深不应小于设计长度，也不宜大于设计长度的1％。4、钻孔记录按表3内容进行。8 土层锚杆钻孔施工记录表表3工程名称：施工单位：设计钻孔深度：设计钻孔直径：钻机型号：钻孔日期：锚杆编号地层类别钻孔直径（cm）套管外径（cm）钻孔时间钻孔长度（ｍ）套管长度（ｍ）钻孔倾角（α）备注技术负责人：工长：质检员：记录员：（二）锚索编制及安放1、钢绞线应除油、除锈，严格按设计尺寸下料，每股长度误差不大于50mm。2、钢绞线应平直排列，沿杆体轴线方向每隔1.0～1.5m设置一个隔离架。注浆管头部距孔底宜为50～100mm，杆体保护层不应小于2.0cm，预应力筋应捆扎牢固，捆扎材料不宜用镀锌材料。3、锚索应按防腐要求进行防腐处理，自由段涂黄油并套装塑料管，与锚固段相交处的塑料管管口应密封并用铅丝扎紧。4、锚索杆体放入钻孔之前，应检查杆体质量，确保杆体组装满足设计要求。5、安置锚索时，应防止锚索扭压、弯曲。放入角度应与钻孔角度保持一致。6、锚索杆体入孔深度不应小于锚索长度的95％。（三）注浆1、注浆材料应根据设计要求确定，一般宜选用灰砂比1﹕1～1﹕2，水灰比0.38～0.45的水泥砂浆或水灰比为0.40～0.45的纯水泥浆,必要时可加入一定量的外加剂或掺和料.2、注浆浆液应搅拌均匀，随搅随用，浆液应在初凝前用完，并严防石块、杂物混入浆液。3、浆液硬化后不能充满锚固体时，应进行补浆。4、一次注浆一般采用常压重力式注浆，注浆作业应从孔底开始，直至孔口溢出浆液。5、浆液宜选用水灰比0.45～0.50的纯水泥浆。6、对锚固体的二次高压注浆应在一次注浆形成的水泥结石体强度达到5.0MPa时进行，注浆压力不宜低于2.5MPa。7、注浆记录按表4内容进行。土层锚杆注浆施工记录表表4工程名称：施工单位：注浆设备注浆日期锚索编号地层类别注浆部位注浆材料及配合比注浆开始时间注浆终止时间注浆压力（MPa）注浆量（Ｌ）备注8 技术负责人：工长：质检员：记录员：（四）张拉与锁定1、腰梁的承压面应平整，并与锚杆的轴线方向垂直。2、锚索张拉前，应对张拉设备进行标定。3、锚固体与腰梁混凝土强度均大于15.0MPa时，方可进行张拉。4、锚索正式张拉之前，应取0.1～0.2设计轴向拉力值Ｎｔ,对锚索预张拉1～2次,使其各部位的接触紧密,杆体完全平直。5、永久锚索张拉控制应力不应超过预应力筋抗拉强度标准值60％。临时锚杆张拉控制应力不应超过预应力筋抗拉强度标准值65％。6、锚索张拉至1.1～1.2Ｎｔ，土质为砂质土时保持10min，为粘性土时保持15min，然后卸载至锁定荷载进行锁定。锚索张拉荷载分级及观测时间应遵守表5规定，张拉锁定记录按表6内容进行。土层锚索张拉荷载分级及观测时间表表5张拉荷载分级观测时间（ｍｉｎ）砂质土粘性土0.10Ｎｔ0.25Ｎｔ0.50Ｎｔ0.75Ｎｔ1.00Ｎｔ1.10～1.20Ｎｔ锁定荷载5555510105555101510土层锚索张拉与锁定记录表表6工程名称：施工单位：锚杆编号：锚具型号：张拉设备：张拉日期：张拉荷载（ＫＮ）油压表读数（MPa）测定时间锚头位移读数（ｍｍ）锚头位移增量（ｍｍ）备注锁定荷载（ＫＮ）技术负责人：工长：质检员：记录员：7、锚索锁定工作，应采用符合技术要求的锚具。8、锚索锁定后，如发现有明显预应力损失时，应进行补偿张拉。8 九、安全措施1、遵照国家颁布的《建筑安装工程安全技术规程》及上级制定的有关规定执行。2、执行企业制定的《钻探工安全操作规程》。3、遵守项目制定的安全制度。4、针对锚索施工特点建立安全责任制、安全检查制和安全教育制度。做到安全责任到人，人人管安全，人人保安全。施工中要做到班前班后进行安全教育，并及时检查，不留隐患。十、技术及效益分析基坑采用锚索支护技术相对横撑支护技术，能最大限度地克服横撑支护技术施工工序复杂、占用空间大、留有安全隐患、工期长等缺点，为工程施工提供强有力的安全、质量、工期保证。饱和粉土及粉细砂地层基坑不降水条件下施作锚索，相对降水条件用常规手段施作锚索，节约降水井施工及抽水费用，经济效益可观，而且避免降水施工引起地面大幅沉降。十一、工程实例：杭州解放路延伸线工程锚索施工1、工程概况杭州解放路延伸线工程穿越凯旋路、水厂高压配电房、贴沙河、沪杭铁路、古樟树群等重要地段，由多段明挖隧道、暗挖隧道及两端U型槽接线组成。其中，五段明挖及U型槽总长668m，基坑宽21～27.8m，深6.6～17.5m，采用咬合桩围护，基坑顶部设支撑梁、下部设多道预应力锚索相结合的形式进行支护（参见图3）。深基坑结构断面及锚索设计示意图图32、工程地质地貌上属于钱塘江冲积平原，沉积着较厚的砂质粉土层，在第四纪历史时期，曾经几度发生海侵与海退，沉积韵律发育明显，在以陆相沉积地层之间发育着海相淤泥质粉质粘土及粉细砂地层。地下水位于地表以下1.5m左右，地层透水性良好，加上周围建筑设施众多，无法进行地层降水。3、锚索设计每一排锚索横向间距1.6m，孔径为130ｍｍ，长19～24ｍ。锚索倾角12°，不超过15°。浆液采用纯水泥浆，水灰比为0.45～0.5，水泥采用R42.5号早强型普通硅酸盐水泥，注浆分二次，第一次待浆液从孔口流出后停止注浆，注浆压力0.4～0.6Mpa，第二次采用高压注浆，注浆压力一般为2.0～2.5MPa。采用5根Ф15.24mm钢铰线制作的锚索，设计锚固力为600KN；采用3根Ф15.24mm钢铰线制作的锚索，设计锚固力为450KN。4、锚索施工及支护效果8 锚索施工从2003年12月开始至2004年7月结束，共完成锚索近1300根，计29000多延米。施工中，从实验锚到实际施做，对不断出现的各种技术问题进行了研究解决，并有所发明创新，全面满足了设计与施工的各项要求。锚索技术在杭州饱和粉质粘土及粉细砂地层的成功运用，使周围环境得到很好保护，城市交通与市民生活基本未受干扰，相邻的既有设施完好无损，使主体工程能安全、快速、多段多工序同时进行施工，整个工程达到了结构安全、质量优良、文明施工的创优目标，受到了各级领导和市民的好评。8'