预应力锚索在地铁施工中的应用

唐鹏军

摘 要：预应力锚索在地铁深基坑围护结构体系中发挥了较强的作用，预应力锚索支护可以提供开阔的施工空间极大方便土方开挖和主体施工，其设计方案和施工的流程以及施工过程中的注意事项成为基坑支护体系的安全和质量的重要保证。本文以某地铁主变电站基坑支护工程为背景，详细介绍预应力锚索施工的施工工艺及预应力锚索质量与安全施工保证措，为类似基坑支护工程的施工提供借鉴。

关键词：预应力锚索 施工工艺 地铁 安全和质量保证措施

中图分类号：U473 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（c）-0000-00

随着城市地铁建设的日趋增加，不同地区不同地质水文条件下地铁基坑施工遇到的很多的问题，比如地下水的变化引起的邻近建筑物的不均匀沉降、深大基坑的支护力严重不足问题引起周边建筑及地面过大变形以及施工的安全等，而地铁基坑的围护结构采用了岩土锚固技术中的比较常见的预应力锚索支护体系较好的解决了这些问题。预应力锚索支护体系的施工工艺以及加固的机理在地铁深大基坑施工中缺乏经验和理论支撑，且其支护效果受到基坑的水文地质条件、材料强度、张拉角度等因素的影响，不同地区的不同条件下的支护体系也不尽相同，制定出针对场地特点以及施工条件的预应力锚索施工方案和工艺，是提高和增强基坑支护效果及质量的重要保证。

1 工程概况

1.1 工程概况

地铁某主变电站设计为全地下变电站，总长54.2米，宽27.3米，地面局部一层，地下三层，地下结构型式为框架剪力墙结构，变电站覆土厚度为1.2米，楼顶板为250mm，地下一层层高5.24米，底板厚度为180mm，地下二层高4.8米，底板厚度150mm，地下三层层高5.76米。基坑采用明挖法施工，围护结构采用钢筋混凝土排桩加预应力锚索的组合体系，设五排预应力锚索（一桩一锚），锚索水平间距为1.5米，钢筋混凝土排桩体系施工完成且混凝土龄期满足要求后，进行预应力锚索施工，过程中采用分层锚固分层开挖的原则，且分层开挖厚度不宜大于3.5米（锚索间距约为3m），基坑锚索支护段横断面如图1所示。基坑围护桩采用Φ1000mm间距1.5米的钻孔灌注桩，锚索施工采用入射角（水平向下）15°布设预应力锚索、间距1.5米，锚索孔孔径150mm上下共设5道锚索。锚索索体材料采用1860级4ΦS15.2mm钢绞线，OVM锚具，极限抗拉强度1860MPa。围檀材料采用2根Ι22b工字钢通过钢板连接双拼。

2 工程地质和水文地质

2.1 地层

根据中交第一公路勘察设计研究院有限公司2014年3月提供的《西安市地铁三号线博文路主变电站岩土工程勘察报告》表明，基坑开挖揭露及基坑支护稳固体形成时所遇地层主要有人工填土，第四系全新统冲积黄土状土 （Qal/4）、上更新统残积古土壤（Qeol/3）及冲积粉质粘土及中砂 （Qal/3）。各层土的野外特征简述如下：

杂填土①-1 （Qml/）：色杂，松散，主要由黏性土（黄土状土）、砖瓦碎块及植物根系等组成，土质不均匀。该层遍布整个场地，厚度1.30～2.40m。

素填土①-2 （Qml/）：黄褐色，松散，主要由黏性土（黄土状土）、组成，土质不均匀。主要分布在场地西侧，厚度1.50～3.70m。

黄土状土②（Qal/4）：褐黄色，具大孔、虫孔和植物根孔，含蜗牛壳碎片及云母碎片。土质较均匀，坚硬，局部呈可塑～硬塑。该层厚度3.60～7.00m，层底深度7.30～9.20m。

古土壤③（Qeol/3）：褐红色，可见虫孔及针状孔，含钙质条纹及钙质结核。土质不均匀。硬塑， 局部可塑。该层厚度3.00～4.90m，层底深度11.50～12.60m。

中砂④（Qal/3）：灰黄色；密实；稍湿。主要成分为石英、长石等。层厚0.50～1.5m，该层以薄层或透镜体形式赋存于粉质粘土层中。

粉质粘土⑤（Qal/3）：深灰色～灰色，可见氧化铁锰质斑纹、云母及蜗牛壳碎片。局部夹粘土团块。土质较均匀，可塑。该层厚度19.30～21.50m，层底深度32.70～34.00m。

2.2 地下水

根据中交第一公路勘察设计研究院有限公司2014年3月提供的《西安市地铁三号线博文路主变电站岩土工程勘察报告》表明：

场地地下水水位埋深为21.00～21.80m，相应高程为388.38～389.35m，基坑底部高程为391.80m，基坑开挖深度位于地下水位以上约2.40m，故本基坑支护设计不涉及基坑降水。但由于场地地下水埋深受西侧在建工地降水影响，故应进行场地地下水位观测。

2.3不良地质作用

勘察结果表明，场地及附近未发现影响场地稳定性的不良地质作用。

3 预应力锚索施工工艺

3.1 锚索施工施工流程

依据本场地的特点和施工规范，如图2给出了预应力锚索施工的施工工艺，其顺序依次为土方开挖、测量定位、钻机就位、打钻孔、预应力锚索编制、下锚、洗孔和初次注浆、二次注浆、围檀制作、钢垫板加工、张拉锁定，完成一定深度的土方开挖后，根据上面的顺序再施工，依次循环到设计开挖深度，在中间开挖深度时，可以同时进行锚索编制和钢垫板的加工以期提高施工的效率，减小在深基坑施工过程的不必要的附加变形。

3.2锚索钻孔

3.2.1 锚索施工准备

按照基坑设计的要求，锚索施工紧接土方开挖进行，基坑土方开挖采取分层开挖，当每层土方开挖至锚索孔位下0.5米高程时，平整开挖面后进行锚索施工。

3.2.2 钻机就位

依据场地的类别、锚固深度、角度和孔径选择合理的钻机，土层中较为普遍采用工程钻机机械成孔，成孔前先测量放样准确定出锚索孔位，并编号标识。钻机就位后首先调整钻杆与水平方向的夹角，使其与设计相符合。钻进采用无水钻进，钻机钻孔过程中应注意钻孔速度，成孔后检查孔深是否符合设计要求、有无缩孔等现象。检孔完成后，将孔口暂时封堵，以免杂物进入孔内。根据钻机特点，钻机的工作面宽度不小于5m，钻机的安放要正平稳固。

3.2.3 钻孔

测量放点定出锚索孔位之后，于孔位上支设钻头，调整好角度，钻孔的倾角和方向应该符合设计要求，为了防止钻孔不发生变径和扭曲，依据钻机的特点以及地层的特点，钻机钻孔过程中严格控制钻孔速度，钻进过程中应循环清孔，如土层容易塌孔，应进行固壁处理，如灌水泥浆，成孔后检查孔深是否符合设计要求、有无缩孔现象。检查完成之后，将孔口暂时封堵，以免杂物进入孔内。

成孔精度一般应满足以下要求：

（1）钻孔孔径不应小于设计。

（2）钻孔实际长度应小于设计长度且不大于设计长度的1%。

（3）钻机在钻进过程中详细的记录了每个钻进孔的地层的变化特点，钻进的速度变化以及一些特殊状况的，作为后期钻进的一个施工经验的积累以优化施工过程。

3.3 锚索制作及下放

岩土工程中较为普遍的预应力锚索体由锚梁、自由端、锚固段等三部分组成。具体的使用在该基坑场地，锚索锚固段间距1-2m设置船型支架，确保锚索在空中居中及锚体保护层厚度不小于20mm，自由端锚索外套塑料管，套管前端应做好隔浆措施，防止灌浆材料侵入自由端。

预应力锚索是用4ΦS15.2mm钢绞线，下料长度按孔深+围檀+刚垫块+千斤顶工作长度+0.5m+外露长度，每股长度偏差控制50mm以内，采用冷切割下料，自由段钢绞线外包塑料波纹管。每根钢绞线长度误差小于50mm。自由端采用钢丝塑胶管分别套好，两端用铁丝绑扎牢固，防止水泥浆灌入。检验合格后，方可下放，并采用可靠机械连接每根钢绞线。

下锚前应对已钻好的孔和锚孔编号进行认真核对，以便一次下锚成功，若有局部塌孔现象，采取固灌及扫孔措施处理，确认以上没有问题之后人工匀速将锚索送入孔中，直至到达设计深度，不得过多的来回抽动锚索体，防止损害锚索体或使锚索体整体扭转。

3.4 注浆

注浆工作主要分为两个主要内容，第一，严格准备注浆设备以及注浆材料的配比，第二，注浆。具体的参数以及注意事项如下：

（1）全段一次性注浆完成后采用二次注浆法，水泥砂浆强度等级不低于30MPa，注浆压力为0.4-1.2MPa。为防止水泥砂浆凝固收缩，造成锚固体与孔壁锚固力的损失，掺入适量的膨胀剂。

（2）水泥砂浆应拌合均匀，随拌随用，一次拌合的水泥砂浆应在初凝之前用完。注浆时，先开动注浆泵，关闭注浆阀，全开回浆阀，自循环1～2min后，连接好进浆管与打入土中的注浆管接头，慢慢开启进浆阀，同时慢慢关闭回浆阀，调整压力（一般为 0.4～1.2MPa）和流量至设计数值。一般达到设计注浆即停止注浆。如果相邻土质不同，应先加固渗透系数较大的土层。土体注浆加固完毕，借三角架用倒链分级将管子拔出，遗留孔洞用1：5水泥砂浆封孔。

（3）注浆结束后应该及时观察浆面的回落情况，如果有回落应该补浆。依据注浆过程中的记录，锚固实际用浆量要大于理论的注浆量。

3.5 张拉锁定封锚

注浆完成后，待注浆体混凝土强度和腰梁达到设计强度的75%后，并经验收合格后方可进行张拉作业，锚具、夹片等检验合格后方可使用，张拉作业采用千斤顶，张拉前应对张拉设备进行标定，并作为张拉依据。张拉之前对锚垫板需清理干净，锚具安装与锚垫和千斤顶密切对中，并和锚索轴线方向垂直。在正式张拉之前开始对钢绞线逐一张拉，使钢绞线顺直，然后进行整体张拉。张拉时，要对每一级荷载的应力和伸张量作好详细记录。锚索整体分5级张拉至设计荷载值，即设计荷载的25%、50%、75%、100%、110%，前四级张拉停留时间为5分钟，最后一级张拉在砂浆设计强度达到90%以上时进行，持荷时间为30分钟，采用张拉应力和伸张值校核双控制，伸长量宜控制在设计值的±1.0%～5.7%之间，最大不允许超过±10%，超出应立即停止，查明原因后再进行张拉。值得注意的是，由于本段挡墙强度不大，承载力不高，故全部锚索张拉应按三个阶次进行，第一批张拉设计荷载的50%，第二批张拉设计荷载的75%，第三批张拉设计荷载的110%。6～10天后，检查锚索的预应力损失状况，必要时需进行补偿张拉，张拉最后一级荷载，锚具锁定后，对孔口段实施二次注浆，确保锚头端孔内注浆密实。

锚索张拉完成后，需进行封锚，可根据施工需要，将锚索外露部分预留至结构施工前割除，以便进行二次加荷。封锚前将外露的钢绞线应该割除，剩余10cm长度（锚具外边起），并做厚度不小于100mm水泥砂浆保护层，再用钢筋网罩封闭，并做100mmC30细石混泥土外封，混泥土保护层厚度不小于50mm。

3.6 锚索验收

锚索施工完成后并且达到设计强度后，应立即抽检做锚索验收实验，已验收施工质量是否达到设计要求。试验要求及步骤要按相关规范要求进行，验收试验数量为锚索总数的3%且不少于5根。

4 预应力锚索的施工注意事项

4.1 预应力锚索的质量保证措施

桩锚支护体系中，预应力锚索施工的质量是基坑支护稳定性的重要保障。结合上述施工流程和场地特点，提出了几点要求：

（1）锚索施工位置：同排锚索施工时应在同一位置，应严格控制开孔高程，保证拉锚受力在同一位置。

（2）锚索施工角度：严格控制锚索施工角度，为避免和减小“群锚效应”对锚索锚固力的影响，应严格保证相邻锚索按设计角度错开。

（3）原材料检验：锚索索体所采用的钢绞线、锚具、和水泥必须有出厂合格证，进场后必须进行检验，合格后方可使用，以保证施工产品的质量。

（4）锚索索体制作及保护：钢绞线应严格按照设计长度制作，长度误差小于50mm，预留张拉长度应不小于1.2米。钢绞线切割严禁采用电焊或气割，必须采用无齿锯进行切割。锚索索头应与钢绞线连接牢固，防止施工中脱落造成施工深度不足。钢绞线锚固段和自由端应根据设计长度用钢丝塑胶套管严格分开，每根钢绞线分别套好，严禁加长或缩短自由段保护套，长度误差小于50mm。锚索索体应进行有效保护，在施工过程中严禁电焊触碰和火烧火烤，在制作锚墩时应事先采用非金属套管进行保护。

（5）索体下放：索体下放时，应注意保护自由段塑胶套管，并防止钢绞线扭结。

（6）锚索锚墩制作：锚墩制作的质量对预应力损失较大，必须严格按照设计要求施工。

（7）锚索张拉是锚索施工的关键步骤，故应该严格控制。具体的要求为：①张拉设备必须经过国家规定部门检测，有相应的合格报告方可使用；②施工时应准确逐级匀速加荷；③每级加荷后压力表应稳压5～10min，锁定后应稳压10rain以上，待压力表稳定后方可卸载；④张拉时应及时测量钢绞线的伸长量，并做好记录，与理论计算值进行比较，以保证张拉力准确可靠。

4.2 锚索施工安全保证措施

深基坑的预应力锚索施工的安全性是值得最为关注的问题之一，依据其施工流程和特点，提出安全性的措施为：

（1）钻孔：钻孔开机前应对钻机各部位进行全面检查，送风管路线头必须绑扎牢固，风管必须确保钻孔风压的要求，避免造孔过程中造成风管脱节伤人，保证设备运行正常。

（2）锚索下料：切割钢绞线须专人操作，砂轮切割使用前必须检查是否运转正常、并空转数圈（2-3min）后才能进行切割作业；操作人员必须戴防护眼镜，使用时，操作人员应站在砂轮机的侧面，以防止砂轮崩裂伤人，钢绞线下料卷盘、编索散盘时作业人员必须抓紧钢绞线、集中注意力，防止钢绞线反弹伤人。

（3）锚索张拉：安装工作锚板时，要清除夹具内的砂粒和杂质，并保持孔内的钢绞线平直、顺滑，以防止钢绞线打绞断丝，夹片飞出伤人。张拉过程中千斤顶的升、降压速度应保持缓慢、均匀，切忌突然加压或卸载；张拉作业必须作好防护工作。为了防止钢绞线意外飞出伤人，使用钢质防护罩罩住外露的钢绞线，并在钢绞线端面用挡板进行防护。

（4）灌浆：灌浆前对机械、管路系统进行认真的检查。灌浆管要确保灌浆压力的要求，且应有足够的安全系数防止管路爆裂高压浆液伤人；灌浆过程中需设专人监视压力表，防止压力表突升突降。

（5）封锚：封锚前需对外露钢绞线进行切除，开机前必需对切割机进行认真检查，确认无误方能开机，待运转正常后方能作业；切除外露钢绞线作业前，工作人员须清理作业范围内的易燃物品，并作好防火隔离；操作人员在操作过程中必须配戴防护目镜。

5 地下既有管线保护措施

本场地为地铁地下主变电厂的基坑开挖支护，设计开挖范围附近地下管线的分布较为复杂，应在施工前、施工中以及施工后的整个过程对周围地下管线的安全性提出保护措施：

（1）开工前根据业主所提供地下管网图及相关资料对基坑周围的地下管网分布情况进行探明。

（2）确认地下管线的位置、走向以及分布的特点，划定需要防护的施工范围，采取切实可行的加固措施。

（3）针对地下管线及障碍物的分布情况，制定出科学合理的支护方案和管线保护、拆除和封堵方案并报业主和监理以及相关部门审批。

（4）在已查明的地下管线路径处设立标志并向施工人员技术交底，一旦发生破坏及时组织抢修。

6 结语

预应力锚索技术由于其适用于各种地形及场地，对岩土体的扰动小，在地层开挖后，能立即提供抗力，且可施加预应力，控制变形发展的特点，锚索支护技术将广泛运用于地铁施工中，其设计方案和施工工艺必须进过多次的专家论证和考核以确保施工的质量和安全，多次的施工过程中逐步的区域完善。本文结合西安地铁？号线典型的某一地下变电站深基坑开挖项目，详细提出从土方开挖、测量定位、钻机就位、打钻孔、预应力锚索编制、下锚、洗孔和初次注浆、二次注浆、围檀制作、钢垫板加工、张拉锁定到施工流程，并从预应力锚索施工的质量控制及安全性措施、和地下管线保护的措施三方面阐述该场地的施工特点，规范作业，严格管控每道工序，只有这样锚索支护的安、全质量才能得到更好的保证。

参考文献

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