锚杆支护在华能大厦基坑中的应用及提高锚杆抗拔力的措施

陈喜友

（北京市地质工程公司，北京 100143）

0 引言

随着城市建设的快速发展，在国内各大城市涌现出大量的高层建筑和大规模的市政工程，城市变得越来越拥挤，地下空间的开发利用也随之日益的增多。这些超大、超高工程的兴建必然出现大量的深基坑工程，地下建筑成了现代建筑的趋势，对基坑变形的要求也越来越高，选择合理、经济的支护方案是基坑工程的首要任务。而基坑工程又是整个工程的质量、工期和造价重要组成部分。因此，一个合理的基坑支护体系决定着整个基坑工程的成败。

1 绪论

由于地质类型变化复杂，地下水位高且水量大，加上与周围原有建筑物或构筑物相距近，地下管线多等复杂原因，给深基坑支护和土方开挖工程带来了很大的困难。这就要求基坑设计和施工人员必须选择技术可行、造价合理的支护结构方案，以确保基坑周围及基坑支护体系的安全和施工进度，而锚杆技术在当今深基坑支护工程中被普遍的采用，锚杆的设计理论及施工工艺也得到了很快的发展。

锚杆技术是将受拉杆件的一端固定在边坡或地基的岩层或土层中，另一端与工程建筑物相联结，用以承受土压力、水压力或风压力等所施加于建筑物的推力，从而利用地层的锚固力以维持建筑物（或岩土层）的稳定。随着土木建筑工程的发展,为了充分提高地下空间的利用率,高层建筑地下部分也不断增加,基坑也越来越大,越来越深，对基坑变形的控制也越来越高。锚固技术,尤其是预应力锚杆(索)以其主动受力的特性,在深基坑支护中起着相当重要的作用。它既可与土钉结合,形成复合土钉墙,又可与护坡桩联合使用,形成桩锚结构。预应力锚杆不仅决定支挡结构的稳定性,而且对控制基坑的变形相当重要。

目前，深基坑支护工程多采用排桩或地下连续墙加支撑的支挡型结构,而锚杆支护已成为深基坑支护中普遍采用的支护技术。这是由于锚杆支护具有以下优点：施工速度快、施工难度较小、以及具有开阔的基坑作业空间而有利于土方开挖及地下室施工等特点；作业空间不大，可应用于各种地形及场地；较好地控制结构的变形量；建筑市场竞争激烈，锚杆造价下降幅度也颇大，锚杆支护方式的选择也减小了工程造价。

2 锚杆支护在华能大厦基坑中的应用

2.1 工程概况

拟建工程紧邻长安街南侧，南起东铁匠胡同、北至复内大街、东起教育西街、西至草坪东路，总用地面积约37000m2，总建筑面积约136600m2，地下三层，地上13层。基础埋深-20.45m，实际挖深19.85m.。

（1）工程地质概况

根据岩土工程勘察报告，场区地层情况为：①层填土，标高38.01～40.91m；②层粘质粉土，标高36.081～37.08m；③层细砂，标高30.61～31.54m；④层砂质粉土，标高25.23～27.56m；⑤层卵石，标高18.09～19.65m；

（2）水文地质概况

拟建场区局部有一层地下水，为上层滞水，埋深约-9.00m，另有一层地下水为孔隙潜水，其稳定水位埋深为23.80～25.50m，标高为20.55～22.71m。

（3）周边环境

施工场地紧邻东侧是正在进行主体建设的武警总部招待所，高22层;紧邻南侧为7层的居民楼；北侧为西长安街马路；西面为平房、二层居民楼建筑群，待拆迁中。由于施工场地地处长安街繁华地带，对噪声、粉尘等环境污染要求十分严格。

2.2 支护方案

根据华能工地的地层条件、水文地质条件及周边环境，做出具体的支护方案为挡土墙、土钉墙和桩锚联合支护等方式进行分区支护，既符合安全文明施工标准，又能节约工程造价，具有很好的经济效益。

3 锚杆在基坑施工过程中出现的问题

锚杆施工工艺的选择是否得当，决定着锚杆的工程质量，从而影响着整个支护工程是否安全可行。根据地层条件，本次锚杆施工选用XY-300型锚杆钻机进行成孔，在实际施工中存在以下问题：

（1）灌浆工艺

在华能大厦基坑支护工程第三道锚杆施工过程中，土层灌浆工艺却采用了钢绞线和注浆管同时下入孔底，这些孔钻进过程中出现了很多的稀泥，而这种灌浆工艺会使锚杆在下入孔底过程中粘满稀泥，使得钢绞线和水泥浆之间的握裹力大大减小，在这道锚杆锁定时候出现了两根锚杆分别在10t.、16t.时被拉出.（锁定值为20t）。

（2）杆体的制作

支架间距过大，绑扎不牢，在下入孔底过程中易松动，使得钢绞线下垂弯曲，注浆后不能保证居杆体中心，保护层不够，握裹力部分损失。

（3）杆体的下入

在杆体下入孔底的过程中往往受到阻力较大，就群力强行推其至孔底，外露长度达到标准就注浆，否则拔出重新掏孔。杆体在强行推动过程中，支架易松动错位甚至坏损（在被抽出的钢绞线出现过此类），使得部分钢绞线与孔壁接触，失去保护层。

（4）钻进

砂层成孔过程中钻杆易被垫起，因此在钻进过程中使螺旋钻杆在孔内频繁的抽动，及时并尽可能多的导出孔内的残渣，而不要一味的追求钻进速度，要保证成孔质量和施工安全。

4 锚杆抗拔力的影响因素及保证措施

锚杆能否正常工作取决于它的抗拔力是否满足要求，而锚杆的抗拔力由钢绞线与灌浆体之间的握裹力和灌浆体与孔壁土层之间的摩阻力共同决定。在基坑工程中的土层锚杆抗拔力一般主要考虑钢绞线与灌浆体之间握裹力，土层中的摩阻力一般都是大于握裹力的，提高锚杆的抗拔力就是提高锚杆的握裹力和摩阻力。

4.1 提高锚杆握裹力的方法

（1）饱和水状态土层中的施工

在饱和状态的土层中采用普通螺旋锚杆机进行施工，螺旋钻杆在不断旋转进尺工程中对孔壁的扰动比较大，将饱和水搅拌出来，使孔中产生了大量的稀泥与泥块，虽然通过螺旋叶片排出部分稀泥、泥块于孔外，但起钻后孔中仍然有部分稀泥和泥块落入孔壁下侧的斜面上，当斜面上稀泥厚度超过支架支起钢绞线高度时，若采用锚杆带一根注浆管同时插入孔底的工艺，在紧靠孔壁的斜面上，下的钢绞线沾满了稀泥与稀泥覆盖。虽然带有注浆管，自下而上的注浆，但也不能将钢绞线的稀泥冲洗干净，造成水泥素浆和钢绞线隔开，失去了大部分握裹力，千斤顶一拉便呈抽心状拉出，锚杆几乎无吨位或达不到设计锁值，造成锚杆失效。这是由于握裹面积不够所造成上述的抗拔力不能满足要求，因为锚杆没有足够的握裹力，所以水泥柱的摩阻力也就失去了意义。

针对上述饱和地层中施工出现的问题，为了扩大握裹面积，改进灌浆工艺。在土层尤其是粘土层中钻进成孔，角度容易控制，孔壁不易坍塌，就是孔壁的土受螺旋钻杆的扰动比较大而产生大量的稀泥从而影响了锚杆的灌浆质量。在钻进成孔后，先将一根注浆管插入空底，距孔底50cm，然后从孔底子自下往上返浆，使稀泥、小土块和水泥浆混合成浑浆返出孔口，当孔口出现了新鲜的纯水泥浆时，此时下钢绞线，先注水泥浆同时也对孔壁起到润滑、护壁的作用，使得钢绞线下入过程中受到的阻力大大减小，减小了群力强行推至孔底造成支架破损的几率，最后在孔口补浆封口。这样注浆可以先对空中的稀泥排出，钢绞线在下入过程中又有水泥浆的保护，沾上稀泥的可能性要大大减小，从而保证钢绞线和水泥浆之间的握裹力。

（2）在无饱和水砂层中施工

无饱和水砂质地层中施工，采用普通锚杆钻机干作业成孔，钻进应循序渐进，通过螺旋杆叶片将孔中松砂、土排出孔外，并应该多次抽动钻杆加大排土的力度，以免由于钻杆在空中停留过长发生埋钻杆事故而造成很大的损失。砂层孔壁的稳定性要比粘土层孔壁的稳定性差的多，砂层孔壁受螺旋钻杆的扰动恨容易出现塌孔，造成钢绞线下不去又要重新掏孔，而重新掏孔过程中成孔质量更不易保证，往往孔底部坍塌的比较大，浪费大量的水泥浆。因此在砂层施工时切勿一味求进尺速度，要频繁的抽动螺旋钻杆，使螺旋叶片及时、大量的倒出孔中的砂土。砂的稳定性不好，遇水易塌，在成孔后将钢绞线和注浆管同时插入孔底，从孔底自下往上返浆，这时即使砂子塌落钢绞线中，水泥浆和少量的砂子混合也不会对钢绞线的握裹力有太大的影响，最后在孔口补满浆封口，从而保证了钢绞线在砂层的握裹力。

（3）在土层和砂卵石层交替的地层中施工

当采用普通锚杆机械施工时，在砂或土含圆砾底层中钻进时，圆砾不易排出孔外，铺垫在螺旋钻杆下面，将螺旋钻杆垫起，使孔逐渐上飘。钻进工程中通过观察钻杆，若钻杆难卸、螺旋杆扣严重损坏，主动钻杆与孔内钻杆不同心，便可知钻孔已上飘。成孔后钻孔底部标高高于孔口，灌浆如不采取有效方法则钻孔底部的钢绞线无法握住，常规灌浆的方法会造成孔下部无水泥素浆，或灌浆不饱满，从而影响锚杆的抗拔力。偶尔会见到张拉时水泥柱被拉出，原因有握裹力，但是摩阻力不够。可采用一根注浆管在孔底自下而上注浆，另外一根在孔内插入1m长，另一端吊起一定高度（高于空底标高），孔口用编织袋装土堵500m厚堵严，进行压浆时，从吊管口流浆为上，在浆液呈动态时，隔10分钟便进行二次、三次压浆，这种方法既握住钢绞线又使钻孔下部有了摩阻力。

4.2 提高锚杆摩阻力的方法

（1）二次高压注浆

因为淤泥质土、粘土、生活垃圾的抗剪强度小或流砂等原因钻孔达不到设计孔深，不能满足工程设计要求，这时可采用二次高压灌浆的补救措施。具体操作方法如下：在饱和的地层中施工可预压浆后下拉杆，干地层下拉杆可进行第一次灌浆，但它们都带有两根管，一根常规25m注浆管和一根20m劈裂管随拉杆同时下入孔中。劈裂管底部1m至2m钻5mm小孔，间距5cm，梅花型布置。然后用封条贴严，第一次灌浆时，确保劈裂管内无水泥素浆。当第一次灌浆后8～10小时内（水泥浆达到终凝），灌浆体强度约5N/mm..2时，可进行高压注浆，时间长了会劈不开第一次灌浆体，时间短了起不了高压注浆之作用，水泥浆会从孔口流出。注浆时采用2～3Mpa的压力。将高压管接在劈裂管上，在孔口处绑紧。塑料管在孔外过长，注浆时容易迸裂。浆液劈开第一次灌浆体后向土层渗透、挤压和扩散，形成不规则的镶嵌体，提高锚固与土体的摩擦面积，因而使锚杆的抗拔力成倍增长。

（2）锚杆扩大头与增强摩阻力的原理

此种办法在粘土和无粘土中都可适用，当第一次成孔后，采用特殊的扩孔机械，通过中心压力将扩张式刀具缓缓削土成型，扩大一个或几个圆柱体，此法类似于扩底桩的施工的工法，增加了摩擦面积，从而增强摩阻力，提高了锚杆的抗拔能力。

（3）经锚杆的倾角高度来增加摩阻力，提高锚杆的抗拔力

倾角是锚杆与水平线的夹角，它的选择与施工机械、地层土质有关。一般来说，倾角大时，垂直分力大，对桩及锚杆腰梁受力大。由于锚杆需要好的承载力，故倾角稍大些为好。也便于灌水泥素浆。在同一层锚杆中由于角度的不同，会使锚杆的锚固段过的地层不同，从而锚杆的摩阻力大小不一样，承载力也不相同。无论倾角的大小，只要锚固段穿过颗粒粗的地层越多，则锚杆的承载力越高。可通过角度的高度，使锚固段在粗颗粒的砂层、圆砾层中的增长，增加摩阻力，从而提高抗拔力。

5 结语

本基坑工程根据工程地质水文地质条件及周边环境条件的不同，支护结构设计在满足安全环保的条件的前提下，针对基坑侧面的特点分段优选不同的支护方式，最大限度的节约了费用，在确保工程质量的前提下，获得了较好的经济效果。

在锚杆支护设计方案合理的同时，应对施工人员进行技术交底，对施工过程中容易出现的问题做必要的技术指导，要注重施工过程中的重要环节，并做到及时的质量监督和检查，确保锚杆钻进、灌浆等工序达到质量标准，保证整个工程的质量。基坑施工过程中要做到信息化施工，应根据实际情况随时更改设计方案，确保工程进展顺利进行。

[1]王星华.地基处理与加固[M].长沙：中南大学出版社,2002.

[2]李粮纲，陈惟明，李小青.基础工程施工技术[M].中国地质大学出版社，2001.

[3]黄强.深基坑支护工程设计技术[M].北京：中国建筑工业出版社,1998.

[4]赵明华.基础工程[M].高等教育出版社，2003.

[5]张克恭，刘松玉..土力学[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[6]朱浮声.地基基础设计与计算[M].北京：人民交通出版社,2005.

[7]余志成.深基坑支护设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社,1997.

[8]余志成.深基坑支护设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社,1997.