电解原理在盾构区间锚索拔除中的应用

李栋

摘要：随着盾构施工技术的日益成熟，盾构区间施工时经常会遇到地下障碍物，而盾构机无法依靠自身刀盘上的刀具切碎障碍物通过时，一般都需要采用预先处理的方法清除障碍物，保证盾构顺利通过。预应力锚索由于锚索本身为高强度钢绞线，使得盾构无法利用开挖刀盘上的刀具将其切断，所以预应力锚索一直是盾构通过的难题。本文结合工程实践主要探讨电解原理在预应力锚索拔除过程中的应用，旨在为类似工程提供参考。

关键词：电解原理；盾构区间；锚索拔除；应用

1 工程概况

1.1盾构区间工程概况

广佛线二期工程土建施工一标段，包括一个车站一个区间，即新城东站、新城东站至东平站区间。区间里程范围为YCK-6-126.197～YCK-4-918.512m，总长约1207.658m，线路埋置深度约现地面下20至30m，左右线间距约15至25m，区间隧道穿越地层主要为软土<2-1A>、<2-1B>及砂层<2-2>、<2-3>，局部地段穿越粉质粘土层<2-4>，地下水为潜水，水位埋深3.5m左右，区间采用盾构法施工。

区间周边建筑物保利1#地塊基坑采用锚索支护形式，其中AB段部分锚索侵入区间右线隧道，根据现状分为六个区段。锚索侵入区域有φ500mm、φ300mm、φ150mm3根自来水钢管，4根10kv高压电缆横穿区间，与高压电缆沟并行还有通信光缆，5根φ110mm钢套管套路灯线，平行线路方向有φ1000污水管1根，各管线地面埋深1～2m左右，相互关系具体见图1。

1.2基坑锚索侵入情况

基坑深度11.2m，锚索侵入区域地质情况主要为淤泥<2-1A>，粉细砂<2-2>，淤泥质土<2-1B>，基坑支护土层锚索钻孔直径20cm，采用2*7φ5预应力钢绞线，锚索设计总长度32m，其中锚固段长27m，打设角度为向下25度，张拉力300KN，达钢绞线极限破断拉力的40%，锚索在基坑南侧沿东西向水平间距2.4m布置侵入区间隧道限界范围内，上下共布置3道。根据基坑支护图与现场实际调查，基坑支护锚索侵入我区间为三区、四区、五区和六区，需拔除的锚索与区间隧道关系见表1。

第二道6根，

第三道5根。

2电力腐蚀法应用

2.1电力腐蚀法原理

电力腐蚀是利用电解原理，通过外接直流电源与需要拔除的两根锚索连接，两根锚索作为阴、阳电极，地下水作为电解质溶液，形成一个电解池，将电能转化为化学能的过程。电解池阴极与电源的负极相连，发生还原反应；阳极与电源的正极相连，发生氧化反应。

锚索的主要化学元素是Fe，Fe作为电极材料属活性电极，活性电极（金属电极）作阳极，反应总是金属电极发生失电子反应即氧化反应，而活性电极作为阴极时一般不反应。

Fe作为阳极的时候本身参加反应：Fe-2e——Fe2+ 又因为是碱性介质，Fe2+能和OH-继续反应生成Fe（OH）2。由于Fe（OH）2极易被氧化，和氧气、水继续反应最终生成Fe（OH）3，Fe（OH）2变成Fe（OH）3的现象就是先变成绿色，最后变成红色。

铁做阴极的时候自身不反应，是水电离的氢离子反应：2H++2e——H2

阳极：Fe+2OH- -2e === Fe（OH）2

阴极：2H+ + 2e— === H2

总反应：Fe+2H2O === Fe（OH）2 + H2

如果考虑Fe（OH）2被氧化成Fe（OH）3的话 反应是这样的：4Fe（OH）2 + O2 + 2H2O === 4Fe（OH）3。

2.2电力腐蚀法试验

本工程主要针对前期选定第四区编号为1-11、1-12两根锚索进行了电力腐蚀试验。

2.2.1试验过程

（1）施工部署

通电前需清除锚头，先去除垫板和锚具，以待消除锚为阳极，以不需要消除锚或第2批次待消除锚为阴极，阳极、阴极间距控制在1.5m～2.5m之间。

除锚装置接入380V交流电压，通过除锚电机转换为低压直流电，输出电压控制在60～70V之间。将直流电源正极连接在1-11、1-12号锚，作为阳极；直流电源负极连接在2-12号锚，作为阴极。

（2）通电施工

直流电源与阳极锚索、地下水、阴极锚索间形成一个天然电解池。通电过程记录电流数值，当电流变小，达到最大值的60%左右时，确定锚杆腐蚀已完成。

下图为通电期间阴、阳两极锚索间电流及电压变化曲线图，图中电压变化比较稳定，基本在60～70V之间；而电流全程经历了由小变大和由大变小并趁于平稳的过程，从图中可判断其中的1-12号锚于3月31日完成试验，1-11号锚4月22日完成试验，两锚索电流呈大体相同的变化规律。

（3）试验效果检测

为检验试验效果，2013年4月22日～25日采用旋挖钻机在隧道范围内进行钻孔取样，共钻3个孔，直径为?1200mm，在地面以下14.8m处见水泥块及红色锈迹（Fe（OH）3），未见钢绞线，继续下钻至16.8m见少量水泥块和完整钢绞线，此为第二排锚索，钻孔探测后用M5水泥砂浆回填钻孔。

4月26日使用2台32t千斤顶从自由端头将1-12号锚索锚头部位拔出，拔除长度约3.65m（不计外露0.3m），呈针状，通过对拔除锚头部分进行分析，可明显看出1-12号锚索是通过电流进行腐蚀的，如图3所示。

从图片可以看出，锚索处于地下水位以下已被消溶，地下水位以上不消溶。

从拔除锚索可以看出，锚索已基本电蚀完毕，少量残余钢绞线不会对盾构机掘进产生影响。试验过程中扣除中间边坡塌方3天，1-11号锚索试验用时43天，1-12号锚索试验时间为22天，两根锚清除时间相差约1倍，经分析与水泥浆的包裹以及间距的误差有关系，后期施工应按40～50天考虑。

（4）试验结论

通过采用电力腐蚀方法对锚索进行拔除施工，从清除的结果可以看出，本项目使用电力除锚工艺是可行的，现有条件下消溶周期为50天。

3结束语

目前电力腐蚀法锚索拔除在项目施工中的应用并不多，它具有：工效高，一台电力除锚装置可同时接8～10根锚索，工作面需求简单，只需找出锚头即可，无需对工作面进行特殊处理，在通电期间适当调整电压的同时向除锚区深处滴灌低浓度盐水，可增加导电率，降低电阻，有效提高电熔质量及节省施工周期时间，不过此工艺受地下水特征影响明显，无地下水或地下水位较低范围不适用，本工程通过对电力腐蚀工艺的验证，仅为类似工程提供参考与借鉴。

参考文献：

[1] 陈馈，洪开荣，吴学松.盾构施工技术[M].北京：人民交通出版社，2009（5）.

[2] 锚索力学参数拉拔试验研究[M].重庆交通学院学报，2007（02）.