复杂地质条件下的预应力锚索施工技术

苏强 欧明启 王磊

[摘要]介绍普通回旋钻、气动冲击钻成孔与双套管成孔三种成孔技术以及在复杂地质条件下锚索施工质量的控制要点。

[关键词]深基坑；预应力锚索；双套管成孔；注浆；抗拔试验；

预应力锚索与内支撑支护结构相比较，具有可提供较大的土石方开挖空间、外形美观、不需要在地下室施工时进行内支撑拆除、缩短建设工期等优点，可在越来越多的复杂地质条件下进行锚索施工，使得预应力锚索在基坑支护中的应用越来越广泛。锚索的主要成孔方式有普通回旋钻、气动冲击钻成孔与双套管成孔等方式，本文结合工程实例研究了支护工程中预应力锚索的三种成孔技术、关键工序注意事项等方面，为后续类似的复杂地质情况下锚索施工提供借鉴。

1工程概况

本工程基坑重要性等级一级，重要性系数1.1，设计适用年限2年。基坑北侧采用咬合桩+3道混凝土支撑支护形式；基坑东南侧和西南侧采用钻孔灌注桩+3道混凝土支撑支护形式；场地南侧部分采用钻孔灌注桩+4道预应力锚索的支护形式，灌注桩结合外侧φ550@400水泥搅拌桩进行止水。

本文主要介绍南侧部分区域四道预应力锚索施工。预应力锚索采用抗拉强度设计fpyk=1860MPa高强度低松弛钢绞线7Ф5，钢绞线的公称直径为15.2mm，锚索孔径为Φ150mm，第一道锚索采用5×7Ф5钢绞线，横向间距1800mm，第二道～第四道锚索横向间距1500mm，采用6×7Ф5钢绞线，竖向间距4500mm一道，锚索入射角为35°，注浆采用P.O 42.5R普硅纯水泥浆。

2工程地质及水文条件

2.1靠近锚索位置的地质情况

根据地质勘察报告，场区岩土层自上而下可分为：素填土、杂填土、粉质粘土、淤泥质砂、砂质粘性土（含砂率达30%）、全风化花岗片麻岩、强风化花岗片麻岩、中风化花岗片麻岩、微风化花岗片麻岩，靠近锚索部位的岩土层分布情况见表1。

表1 靠近锚索部位岩土层分布情况表

地层名称 状态 层顶标高（相对标高m） 土（岩）层厚度（m）

杂填土 松散 -1.5 1.9

粉质粘土 硬塑 -3.4 6.6

砂质粘性土 硬塑 -10 3.9

全风化花岗片麻岩 坚硬土状 -13.9 3

强风化花岗片麻岩 半岩半土～碎块 -16.9 11.1

微風化花岗片麻岩 短柱～中长柱 -28 3.8

2.2水文水位情况

工程所在地处南亚热带，全年降水丰沛，雨季明显，日照充足，降水量大于蒸发量，大气降水量是地下水的主要补给来源，地下水补给期在4～9月，消耗或排泄期是10月至次年3月，场区地下水的水量取决于地层的渗透性。

根据工程地质勘查报告，混合水静止水位1.00～8.20米，标高12.50～22.48米。按经验，场地长期水位变化幅度大概在3～4m。

3 锚索施工工艺

锚索常规施工工艺流程：锚孔定位→钻机就位→角度调整→加钻杆（套管）→成孔施工→拆除钻杆→安装锚索→拆除套管→一次注浆→二次注浆→施工锚索腰梁→张拉→锚头锁定。

4 锚索施工存在的问题及处理方法

4.1锚索周边环境

4.1.1存在问题

1、栈桥格构柱影响第二～第四道锚索成孔机器摆放，个别锚索无法成孔。

2、锚索段外侧为已建成的小区，小区采用预应力管桩，距该工程基坑边只有24m，该工程的锚索可能会遇到管桩。

4.1.2处理方法

1、在锚索施工前了解成孔设备需要的工作面及设备尺寸，根据现场实际情况，对于无法成孔的锚索，请设计核算和出具变更，采取变化入射角等措施，保障锚索的顺利进行。

2、在图纸会审时，提请设计复核已建小区的桩与锚索的关系，避免锚索与小区工程桩冲突。

4.2钻孔

该工程因对锚索段无地质勘察资料，在图纸会审时向设计单位提出在何位置施工试验锚索时，业主和设计单位回复为：由于无场地供试验锚索施工，可不进行试验锚索施工；导致设备选型、工作面、成孔方式、注浆质量控制等关键工序上准备不充分，造成第一道锚索施工时间较长，个别锚索抗拔不合格等问题，锚索一度暂停施工。

由于锚索锚固段的地质情况不明，开始施工时无法准确选取适合本场地地质的设备进行施工，在前期钻孔过程中使用了常规回旋钻成孔、气动冲击成孔、双套管机回旋+冲击成孔三种成孔方式进行锚索成孔施工，下面分别对工程中使用的三种成孔施工遇到的问题进行描述：

1、常规回旋钻成孔：属于湿作业成孔法，通过回旋钻头切削泥土和管内注泥浆循环，将孔内废渣清洗出孔外，但由于水的冲刷、浸泡等作用下，锚孔的原土层物理性质受到破坏，影响到了锚孔的土层摩阻力，使摩阻力降低，可能因此需增加锚索长度才能达到设计锚固要求。适用于地层条件较好的粘土层，无承压水的地质条件，普通回旋钻头入岩较难，三角合金钻头可入中风化，入微风化难，在砂层、遇水易塌孔的地质条件下不易成孔，极易造成拔管后塌孔、成孔过程中扩孔等问题。

图1 普通的单管锚索机 图2 普通回旋钻头 图3 三角合金钻头

2、气动冲击钻成孔，属于干作业成孔法，通过气动冲击潜孔锤冲击成孔，靠气压将孔内废渣吹出，适用于地下水位低，无承压水，含水量少的地质条件，对较硬土质和岩石地层成孔较好，可入微风化，但不适用于淤泥质土层、含水丰富的土层、砂层等不良工程地质，很多常规锚固钻机可安装冲击器（潜孔锤钻头）改为气动冲击成孔，但这两种施工方式在复杂地质条件下混用时常常达不到理想效果。

图4 空气压缩机以及气动潜孔锤钻头

图5 用气动潜孔锤成孔（干作业法） 图6 行走式双套管潜孔钻机

3、双套管钻机成孔：锚索施工设备采用双套管履带式全液压锚索机，这种设备移动方便，操作灵活，能够转动各种角度，根据不同作业性质和地质环境，可采用不同的成孔方式（干成孔和湿成孔），采用不同功率，并可控制套管上扣和卸扣，套管拆卸方便，施工速度快，效率高，但是费用相对较高。

图7 双套管机内钻杆钻头 图8 双套管机外套管钻头

处理方法：通过总结前期的成孔经验，根据现场成孔效果，综合考虑进度、质量和经济因素，不同的成孔方法技术经济指标对比详见表2，结合地质条件最终选择了双套管成孔施工。双套管成孔方式可在各种复杂地质下进行施工，外套管首节管为带牙套管，可入中风化岩层，入微风化后只需在外套管中安装冲击器及配套钻杆进行成孔；如遇到复杂地质（如岩夹砂层等），采用液压回钻（外管）和冲击（钻杆）双管跟进，成孔过程伴随使用水泵注水清渣，外套管与钻杆均可一直成孔到设计深度，在施工过程中取得了较好的效果。

表2 不同成孔方法技术经济指标对比

成孔工艺 项目名称 主要设备 主要钻具 工 效 成孔成本（人机费） 特 点

一 锚固钻机湿法钻孔 MGL-135D型锚固钻机 三角合金钻头或回旋钻 钻土20m/h 40元/m 适用粘土、軟土、砂土等地质；土层钻进快，不适用于岩石层，无法入微风化，机子轻，移机方便，操作简单，成本相对低。

二 气动潜孔锤干法钻孔 MGL-135D型锚固钻机 冲击器 钻土20m/h

钻岩5m/h 80元/m 适用于较硬岩土，入岩较快；需配空气压缩机，功效较慢，易卡锤，成本也较高；不适用于软土，含水丰富等土层。

三 双套管机钻孔 锚固钻机 套管+冲击器 钻土钻岩综合25m/h 130元/m 适用于各种类复杂地质条件，入岩快，工效高，成本相对较高。

5双套管钻机主要施工方法

根据该工程现场实际情况，经过调整后使用双套管成孔施工的工艺流程：锚孔定位→钻机就位→入射角度调整→加钻杆和套管→套管跟进→冲渣→拆除钻杆→锚索安装→一次注浆→拆除外套管→补浆（每拆除8m套管进行一次补浆）→二次注浆（等第一次注浆初凝后，约注浆后3～5h，具体时间以现场同条件养护试块初凝为准）→施工锚索腰梁→锚索张拉→锚头锁定，各主要施工方法如下。

5.1锚索机钻孔成孔

锚索钻孔主要内容有：锚孔定位、钻机就位、钻进、清孔和终孔验收等，采用双套管锚索钻机跟管钻进方式成孔，孔径Ф150mm。

钻机就位对中，调准入射角度（35°）；钻孔过程中要到达“准、平、稳”要求；钻进深度要求比设计深度增大0.5？1.0m，供无法返出的残渣沉积，以确保锚索深度达到设计要求。

锚索钻孔时，孔位水平及垂直方向允许偏差为±50mm，钻孔倾斜角度允许偏差为±3°，终孔后清孔要彻底，施工现场利用清水冲洗；并在检查验收合格后插入锚索进行注浆施工。

5.2锚索制作与安装

1、钢绞线进场后及时送检，待检验合格后才允许投入使用，注浆管和钢绞线的安装严格按照设计要求设置对中支架和紧箍环。

2、下料长度按设计孔深+腰梁（冠梁）内锚索长度+1m，每股长度偏差控制50mm以内，采用冷切割下料。

3、在编排钢铰线时，同时安放2根注浆管，分别供第1次、第2次注浆使用。注浆管采用塑胶管，插入紧箍环和对中支架的中央，第2次注浆使用的注浆管，在锚固段设置好封塞，并每隔0.5m打一对穿Ф6小孔，注浆的时候应严格控制浆液水灰比和压强。

5.3注浆

原施工工艺为拔完套管之后注浆，由于该工程锚索段含水丰富，土质条件较差（含砂土层、岩石与土交替出现的夹层），极易塌孔，无法保证注浆质量。

通过改进，将先拔套管再注浆改为注浆后拔管，即先进行第一次注浆，再拔套管，在拔管的过程中每拔6m～8m管进行一次补浆，每次补浆均以浓浆溢出孔口为准，并且在注浆过程中记录注浆压力和注浆量，这样才能有效保证锚索的注浆效果。改变注浆方法后，有效避免了塌孔的情况，提高了注浆质量。

锚索安装完，并经验收合格后，立即进行注浆，注浆时仔细观察压力表严格控制压力，待第一次注浆初凝后，开始二次劈裂注浆，注浆的同时做好同条件养护试块。

5.4冠（腰）梁、锚头施工

1、注浆完毕后，进行钢筋混凝土梁施工，混凝土等级为C35，在混凝土中可掺入早强剂或者提高强度等级来缩短工期，尽早张拉。

2、锚头的施工

锚头施工应遵循以下规定：

①锚具、垫板应与锚索体在同一直线上安装，锚索锁定后其轴线角度偏差应≤±3°

②应确保垫板与混凝土梁接触面平整、贴紧。

③当需要补偿张拉时，应考虑锚索张拉长度。

④锚头的防腐处理应符合规定。

5.5张拉锁定

在锚索注浆及混凝土梁施工完后，养护15天后（水泥强度达到75%以上[1]），可进行张拉锁定作业，张拉锁定作业须满足以下要求：

1、张拉前应对张拉设备进行标定，张拉按一定程序进行，锚索张拉顺序应考虑对临近锚索的相互影响，间隔张拉；

2、正式张拉前对锚索进行预张拉2次，张拉力为设计荷载的0.1～0.2倍，以保证锚索各部位接触紧密、平直，消除隐蔽变形量。拉直后再进行张拉时，其变形量起点以此状态为零点起记；

3、张拉荷载分级逐步施加，最后一次张拉将荷载增加到1.05倍设计锁定荷载，持荷观测10～15min，如果伸长量无变化，且油泵上压力表指针无返回现象，方可卸载到设计锁定荷载，进行锁定作业；

4、锁定作业必须严格按规范进行，使用标准锚具，锚索锁定后，如发现有明显的预应力损失，应进行张拉补偿。

5.6锚索检测

根据设计及规范要求[2]，对预应力锚索进行受力性能试验检测；试验按要求随机抽样进行，其抽检率为5%且不得少于3根，且同一土层中的锚索检测数量不应少于3根，锚索施工完毕达到强度后联系检测单位进场进行试验检测。

5.7锚索监测

张拉锁定之后的锚索应进行监测，监测的主要内容有：锚索拉力、锚固结构的变形、锚索腐蚀状况。

预应力锚索的监测数量：永久性锚索监测数量为锚索总数量的5%～10%，临时性锚索应为工程锚索总量的3%，且同一土层中的锚索监测数量不应少于3根。

6结论

该工程由原来的低成本的回旋钻成孔技术，改为双套管钻机成孔；第一次注浆从先拔套管再注浆，改为在套管内进行第一次注浆，加强了过程质量管理、及时改进了施工方式，在后续施工过程中取得了较好的效果。现总结如下几点，供后续工程参考。

1、由于该工程锚索段地质情况不明，业主单位以现场条件受限为由，不同意施工试验锚索，导致在施工过程中遇到了很多难以预料的困难。在类似工程中，锚索施工前应对锚索的地质进行勘察，并进行试验锚索施工，将试验数据反馈给设计单位，并根据试验锚索的成孔过程，决定采取合适的施工机械和施工方式。

2、在图纸会审阶段以及进行栈桥格构柱的布置时，应充分考虑锚索施工机具的工作面，以免在锚索施工过程中因施工机具的工作面不足而无法施工，普通的锚索机长为8m，考虑到锚索机具离孔位距离约为1～2m，工作面宽宜大于10m。

3、双套管锚索成孔技术适用于锚固段遇土质或砂土状强风化岩层且含水量丰富的土质，同时因钻杆为气动潜孔锤也适用于岩石成孔，即双套管成孔技术适用于各种复杂地质条件。

参考文献：

[1]JGJ120—2012， 建筑基坑支护技术规程[S].

[2]CECS 22：2005， 土层锚杆设计与施工规范[S].

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