可拆芯压力分散型预应力锚索施工技术应用

杨克红

(厦门源昌城建集团有限公司 福建厦门 361012)



可拆芯压力分散型预应力锚索施工技术应用

杨克红

(厦门源昌城建集团有限公司 福建厦门 361012)

采用该类型锚索，既解决了基坑支护难题，又避免给周边环境造成障碍。以某大楼深基坑支护为例，详细阐述了“U”型可拆芯压力分散型预应力锚索的锚固原理、工作特性、施工工艺、基本试验及经验成果。为城市基坑支护工程的设计与施工提供有益参考，文章可以在同类基坑工程中推广应用。

U型；可拆芯；压力分散； 锚索；应用研究

0 引言

近年来，桩锚体系作为支护结构在基坑工程中运用较多，锚索的使用也较为普遍。然而，当锚索失去作用不再使用时，将永存于土层中而不能够被清除，大量钢绞线留存在地下，不仅造成极大的材料浪费、地下严重污染，而且伸出红线范围的锚索侵犯了临近建筑的地下空间。当周边环境需要建造其它建筑物或进行地下管线、地铁、隧道施工或基坑施工时，这些预应力锚索便成为了障碍物。

本文通过工程实例来总结“U”型可拆芯压力分散型预应力锚索的锚固原理、工作特性、施工工艺以及基本试验方法，为同类工程运用此技术提供有益参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

该基坑工程位于厦门市湖里区，项目占地面积1.173hm2，总建筑面积约77 119m2，其中地下室部分约25 619m2。该项目为单栋办公大楼，框架结构，筏板基础，地下3层，基坑平面呈梯形状，周长约450m，基坑开挖深度约为12.60 m～18.30m。

1.2 地质概况

场地地貌为冲洪积台地，经人工回填而成。基坑开挖深度影响范围内岩土层自上而下主要为杂填土、素填土、淤泥质土、粉质粘土、中粗砂、残积砾质粘性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩。

1.3 基坑周边环境

场地地势起伏较大，东侧为立交桥，距离用地红线最近处约28m，未来规划有隧道在此穿越；南侧为自然边坡及市政道路，坡底距用地红线最近处约20m；西侧为超市，距离围墙0.5m，距离用地红线最近处约28m；北侧为在建项目，距离用地红线约30m，周边管线均未施工。

1.4 基坑支护概况

基坑安全等级一级，基坑四面全部采用放坡+桩锚的支护形式，支护桩采用直径1000mm旋挖桩，间距1600mm，支护桩间采用直径1000mm高压旋喷桩止水。桩顶2m范围内采用放坡+喷射混凝土支护的方式防护，C30混凝土冠梁，锚索锚固，桩身设置2～4道28b槽钢腰梁。锚索采用“U”型可拆芯压力分散型锚索，锚索长度16m～34m，锚索采用2Φ15.2钢绞线。该基坑设计使用期限12个月。基坑典型剖面如图1所示。

图1 基坑典型剖面图

2 “U”型可拆芯压力分散型预应力锚索的锚固原理

可拆芯锚索是在压力分散型预应力锚索的基础上改进而来，它既实现了锚索的使用功能，又实现了使用后的可拆功能。该类锚索是将每根无粘结力的钢绞线弯曲加工成U型，钢绞线从张拉端开始，绕过U型承载体再回到张拉端形成一个单元锚索，多个单元锚索组合形成锚索体。然后，按传统预应力锚索进行安装、注浆、锁定，锚索的拉力迫使处于不同深度的承载体压迫注浆材料，从而形成压力分散型锚固体。当锚索受力时，钢绞线将拉力传递给U型承载体，使U型承载体受压，U型承载体又将压力传递给灌浆体，灌浆体最后通过摩擦力传递给土体，从而实现锚索的使用功能。当锚索完成临时支护功能后，借助退锚设备将钢绞线的锚头夹片松开，用电动卷扬机对钢绞线一端施加拉力，钢绞线即可从无粘结包裹体中拔出(即拆芯的过程)，仅留下U型承载体和灌浆体在土中，从而实现了锚索的可拆功能。其示意如图2所示。

图2 “U”型可拆芯压力分散型锚索示意图

3 “U”型可拆芯压力分散型预应力锚索的工作特性

该类锚索属于压力分散型锚索，与传统的拉伸型锚索比较，具有良好的传力机制和工作特性。该类锚索在张拉时，借助其不同间距的承载体，使锚索的整体拉力转化为几个作用于承载体上的压力。每个承载体承担的压力仅为总拉力的几分之一，有效避免了粘结摩阻应力集中的现象，从而使粘结摩阻应力分布均匀，这样可以有效地利用土体的抗剪强度，从而具有更大的承载力。同时，承载体承受压应力时，对注浆锚固体产生径向扩张，按照摩阻力与其压应力成正比的原理，这种受力方式能提高其摩阻强度。鉴于混凝土受压强度高的特点，该锚索的工作机理恰好使锚固体内的灌浆材料处于受压状态，有效地利用了混凝土的特性，使其不易开裂。而锚索因有PE管保护和注浆体包裹，不易腐蚀，耐久性大为提高。锚索的预应力筋为无粘结钢绞线，完成预订功能后可以被抽出，不对周围环境干扰。

4 施工工艺

机械造孔→锚索制作→锚孔清理→锚索安装→冠梁/腰梁施工→锚索注浆→立锚墩→锚索张拉→锚索锁定→锚索体拆芯回收。

4.1 机械造孔

国内造孔机械主要有液压、电动、气动等三大系列，常用钻机有YG60、QZJ100B、MG-50A、MD-50、 YG-2A等型号，在基坑锚索施工中应用较多的是履带式多功能钻机、风动潜孔钻和轻型地质钻。造孔主要技术参数为风量、风压和钻压，风量以能排除岩屑及石粉为准，一般为17m3/S；风压一般为0.5MPa～0.7MPa；钻压普通钻头一般为8kN～10kN，偏心钻头一般为13kN～15kN。

对于冠梁部位锚索，先用挖掘机将土方挖至支护桩标高部位下100mm，然后截桩、锚索安装、注浆、冠梁混凝土浇捣，最后锚索张拉锁定。

对于腰梁部位锚索，先将土方开挖到腰梁标高以下500mm，开挖宽度约5m，平整作业场所、测量放线，然后植筋、锚索安装、注浆、腰梁安装或混凝土浇捣，最后锚索张拉锁定。

造孔前，首先要安稳锚杆钻机、调整好方位角和倾角，直至满足设计要求为止。钻机调整到位后按锚索设计长度将钻杆依次摆放在钻杆架上，钻杆的配备根据造孔的深度来确定，钻杆用完孔深也达到要求，需要接长时用紧固件将钻杆紧牢即可。开钻前必须再次复核孔位标高、方位及倾角，确保误差不超过：倾角±0.5°，方位角±1°，确认无误后方可造孔作业。通常，造孔深度要比设计值长约500mm。造孔过程中每一回次结束时要将钻具外退300mm～500mm并向孔内吹气，当孔口不再出现钻屑时再停止吹气将钻杆接长。值得注意的是，停风时要逐步降低风压且不得突然中断，突然中断会出现钻渣倒吸造成钻杆堵塞。

锚杆造孔直径一般为100mm～150mm，由于U型可拆芯锚索是成对出现的，成孔的直径比一般锚索要大，才能容纳成对的锚索，成孔直径一般都大于150mm，造孔的方法一般根据土质情况选择，对于土质较好的采用无水钻进。对于土质较差或较松散的(如粉土、砂土、卵石、有机质土、回填土)采用套管护壁钻进；在地下水位以下的采用套管护壁或泥浆护壁成孔。

造孔过程中要经常对孔的方位角及倾角进行检查，防止偏斜过大，孔的测斜可用手电筒倒置孔内，通过回光来检查倾角和方位。在造孔过程中若发现孔中出现黄色石粉并伴随碎状石块时，说明孔内已有塌孔迹象。遇到这种情况应立即停止钻孔作业、拔出钻杆、实施固壁注浆(水泥砂浆和水玻璃的混合液)措施，以巩固孔壁防止塌孔。固壁注浆1d后可再次进行重新钻进。当造孔遇雨天或雨季时，会出现泥浆沿破碎岩石缝隙流入，这时采用高压水把岩石缝隙里的泥浆冲洗干净后，再用混合液固壁注浆，若岩石缝隙里的泥浆未冲洗干净就进行固壁注浆，不但注浆效果差，而且还容易造成假象。

4.2 锚索制作

在造孔的同时于施工现场进行锚索制作，锚索的组成主要是钢绞线、承载体、对中支架和注浆管。钢绞线下料长度为单元锚索钢绞线计算长度加张拉、拆除操作长度500mm。由于U型可拆芯锚索是由多条长度不同的锚索弯折而成，必须根据设计要求计算出每条锚索的长度，用皮尺分别量取每条锚索长度并用切割机切割。切割后在每条锚索的两个端头用相同颜色油漆进行标记，以便张拉时识别。钢绞线切断后平直地放在平坦的地面上，用皮尺丈量各单元锚的长度值并做好相应记录。切割好的钢绞线用弯折机将其对称弯折成U型，弯折时不得损坏钢绞线外的PE套管。弯折后将U型承载体放置在钢绞线对中弯折处并用铁丝绑扎牢固。这样就完成一个单元体，将多个单元体逐个按顺序平直摆放在平整地面上。然后在内锚固段的范围内按照1.5m～1.8m左右的间距安装对中支架，对中支架之间用紧固环扎牢，锚索在制作时要保证钢绞线始终平行、各条钢绞线不发生扭转、间距大致相同。在张拉段也应按照1m左右间距用紧固环扎牢。为便于张拉段自由伸缩，张拉段部位钢绞线应外套塑料管内涂黄油。为便于锚索体安装，还可根据实际需要或设计要求在最长的单元锚上加设导向帽。对中支架安装后按照设计插入注浆管，最后将所有的钢绞线从端头开始逐一捆扎在一起形成锚索体。

注浆管是锚索高压注浆的通道和载体，它的作用是通过它将高压水泥浆或水泥砂浆运送到锚孔内，浆料凝固后形成锚固体。注浆管制作和安装的质量直接决定锚固体的质量。一次注浆管可选取PVC管(如：Φ20PVC管)，二次注浆管可选取能承受高压的钢管或铁管(如：Φ15铁管)。注浆管出口距离孔底距离分别为：一次注浆管约30cm，二次注浆约50cm。一次注浆管与锚索绑扎在一起，注浆完成后可将PVC管拔出孔外，二次注浆用的铁管一般通过隔离支架中心孔穿入。在一次注浆管距离孔口约10cm左右处安放止浆袋，止浆袋两端可用铁丝绑扎在锚索上。同时，用一根耐高压的塑料管穿过止浆袋作为二次灌浆之用，止浆袋内的塑料管要开几个小口，注浆时水泥浆从塑料管小口流入止浆袋内并使其注满膨胀后封住孔口，为二次高压注浆提供压力保证，从而保障了注浆效果和灌浆体的密实度。二次注浆管在锚固段内自孔底向上每隔一段距离(500mm～750mm)在管壁四周钻3φ5的小孔作为出浆口，注浆管四周出浆小孔及注浆管底口可用胶布密封，这样可有效避免一次注浆液流入二次注浆管内导致其无法使用。

4.3 锚孔清理

造孔作业结束后，套管和钻杆可逐根拔出，拨出后及时用清水清洗干净并堆放整齐备用。造孔深度的检查可用一根长PVC管插入孔内进行测量，PVC管不但可测量孔深，还可向孔内高压吹气，通过高压吹气可将孔内的钻渣、粉粒等吹出。在锚孔清理时若孔内高压吹不出粉尘，说明锚孔内有渗水出现。遇到这种现象，可采取向孔内射入高压清水进行孔内清扫，等到高压清水流出后就表明锚孔已清理干净。

4.4 锚索安装

锚索制作好后，要逐一对锚索编号进行核对，核对无误后用人工将锚索抬到相应的锚孔位置放好，安装时锚索匀速推送入孔内，防止钢绞线在孔内扭转或弯曲。若是采用套管护壁成孔工艺，应在套管拔出前将锚索插入孔内。在锚索被推送进孔过程中不允许移动隔离支架、不允许扭转锚索体，要随时不断地对注浆管和排气管进行检查并保障其畅通。注浆管的出浆口可通过设置逆回阀或止浆袋来防止浆液随意流淌，避免一次注浆时浆液将二次注浆管堵塞，从而保证浆液能压至锚孔底部。

4.5 冠梁/腰梁施工

冠梁施工工艺流程：土方开挖至冠梁标高下100mm→凿桩头→放线定位→冠梁钢筋绑扎→塑料硬管安装及穿锚索→支冠梁侧模→浇混凝土→振捣→养护→拆模。

腰梁施工工艺流程：土方开挖至腰梁下500mm→放线定位→凿桩身→植筋→钢板焊接→槽钢安装→缀板安装焊接→钢管及锚板安装。

4.6 锚索注浆

锚索灌浆体承担着受力媒介的作用，一方面承担承载体传来的压力，同时又将压力转化成摩擦力传递给土层，灌浆体是浆液通过注浆泵高压注入孔内后形成的，它与U型承载体紧密结合共同承担着钢绞线的拉力。浆液搅拌采用搅拌机搅拌，并现拌现用且必须在初凝前用完。水泥浆液通过注浆管注入孔内并充填孔内整个锚固段。在插入和拔出注浆管操作过程中，注浆管的管口要始终埋入注浆液面以下，当孔口流出水泥浆时才能停止注浆。浆液水灰比根据注浆工艺的不同而不同，配合比根据试验或设计确定，一般一次注浆0.4～0.5，二次注浆0.45～0.55。根据地质结构和施工条件，可在注浆液中加入早强剂或膨胀剂等外加剂，掺入数量根据试验数据确定(一般为水泥用量的2%)。

U型可拆芯锚索采用两次或两次以上注浆方法，使水泥浆填满每个单元锚索的锚固段。第一次采用常压注浆，当水泥浆从孔内流出到孔口时，就可停止注浆并将注浆管拔出；当水泥浆凝固后，用眼观手摸的方法查看孔口的充填情况。若水泥浆不能完全充满时，还需进行补充注浆。当第一次注浆结束后1～2d，就可以进行第二次高压注浆。注浆的压力，应根据设计要求进行控制。注浆的顺序按先深后浅、先内后外分段隔根进行。锚索注浆后需要进行不少于7d的自然养护。对于裂隙比较发育的锚孔，要首先用水泥-水玻璃双浆液进行注浆固结，3h～5h后再注入纯水泥浆。

4.7 立锚墩

锚墩的主要功能是将锚索产生的荷载通过锚具传递给基坑冠梁或腰梁上。为使锚板能很好地将拉力传递给锚索，锚墩与锚索体相交的夹角决定着其传力的效果，最好的受力角度为锚墩与锚孔轴线垂直，采用的简易措施是用钢管与钢垫板垂直焊接。值得注意的是，钢管直径应与钻头直径相同，在进行混凝土冠梁浇筑前或槽钢腰梁安装后，将焊接钢管直接插入到锚索孔即可。

4.8 锚索张拉

对于U型可拆芯锚索来说，必须等到灌浆体强度达到设计要求且大于等于30MPa时方可进行张拉。作业前的准备工作有：将台座调整平整，锚具安装到位，调整锚具方位和角度，张拉千斤顶和油泵应到相应资质检定机构进行标定且必须在有效期内。经标定合格的压力表在作业过程中不得随意更换；若在作业过程中出现损坏或故障，需要重新对压力表标定并按新标定的数据进行操作。在进行正式施工前必须进行现场基本试验，以获取并确定有关施工参数。正式张拉前，要先对单元锚索进行预张拉，一来可使钢绞线绷直拉紧，二来可使钢绞线与承载体结合紧密，张拉力为设计荷载的10%～20%。张拉采取隔根跳开张拉法。张拉结束前，持荷稳定10min～15min后卸荷锁定。锁定2d内发现应力有较大损失必须再次补偿张拉，然后锁定。

锚索张拉的方法主要有整体张拉、等荷张拉、循环张拉和补偿张拉等4种张拉方法。对于U型可拆芯锚索来说，由于各单元钢绞线长度长短不一，采用传统的张拉方法会出现各单元钢绞线承受的荷载各不相同。因此，采用单一的张拉方法难以实现，只能采取几种张拉方法相结合的张拉方式，这就决定了其张拉工艺的复杂性。U型可拆芯锚索一般采用补偿张拉与循环张拉相结合的方法。用设计张拉力和锚索体伸长值来综合控制锚索应力，以张拉力为准，用伸长量来校核，确保张拉时其实际伸长值与理论值偏差在6%范围内。

4.9 锚索伸长量计算

U型可拆芯锚索单元锚索长度如图3所示。

图3 单元锚索长度示意图

4.9.1 锚索张拉差异荷载增量和理论伸长量的计算

(1) 针对两单元锚索：

差异伸长量：

△LA=1.1×N拉×LA/(4E×A)

△LB=1.1×N拉×LB/(4E×A)

△LA-B=△LA-△LB=1.1×N拉×(LA-LB)/(4E×A)

差异荷载增量：

△P=(E×A×△LA-B/LA)×2

(2) 针对三单元锚索：

差异伸长量：

△LA=1.1×N拉×LA/(6E×A)

△LB=1.1×N拉×LB/(6E×A)

△LC=1.1×N拉×LC/(6E×A)

△LA-B=△LA-△LB=1.1×N拉×(LA-LB)/(6E×A)

△LB-C=△LB-△LC=1.1×N拉×(LB-LC)/(6E×A)

差异荷载增量：

△P1=(E×A×△LA-B/LA)×2

△P2=[(E×A×△LB-C/LB)+(E×A×△LB-C/LA)]×2

式中：

LA、LB、LC—A、B、C单元锚索长度，且LA>LB>LC，单位：mm；

△LA、△LB、△LC—A、B、C单元锚索在规定最终张拉荷载作用下的伸长量，单位：mm；

△LA-B、△LB-C—各单元锚索在给定最终张拉荷载作用下的差异伸长量，单位：mm；

N拉—锚索设计拉力，单位：kN；

△P1、△P2—差异张拉第一、第二步级张拉荷载增量，单位：kN；

A—钢绞线束截面面积，单位：mm2；

E—钢绞线弹性模量，单位：MPa。

锚索张拉时实际伸长值△L：

△L=△L1+△L2

式中：△L—锚索实际伸长值,单位：mm。

4.9.2 压力分散型锚索张拉程序

安装千斤顶→0→ΔP1→2ΔP1→ΔP2→12.5%N拉→2ΔP2→25%N拉→50%N拉→75%N拉→100%N拉→110%N拉。

4.10 锚索锁定

锚索在张拉锁定作业中偶尔会出现应力损失的情况，在相邻锚索张拉作业时会引起预应力损失，预应力损失值可以通过锚索锁定前和锁定后的拉力差值进行测定。当手头没有实测数据时，可以按照拉力设计值的1.1～1.15倍来确定。若锁定2d内发现有较大的应力损失情况应进行补偿张拉，张拉完成后再进行锁定。锚索锁定后，用皮尺或钢卷尺测量锚头外钢绞线的长度，锚头外钢绞线预留500mm～800mm，多余部分可以截掉。

4.11 锚索回收锚索体拆芯

锚索体拆芯的过程实质上就是把锚索体中预应力钢绞线这个“芯”进行拆除并回收，该技术中锚索体中的U型承载体及其附属物无法拆除，只能留在土中。锚索拆芯前提要求：

(1)地下室结构完成且支护桩与地下室结构间的换撑装置已施工完成并可承力。

(2)锚索钢绞线未破损，使用荷载没有超过荷载设计极限值。

(3)钢绞线外露锚头余量不少于500mm。

(4)地下室与腰梁间有大于1m的水平距离，沿腰梁方向有大于1个人操作的空间，以便拆芯时有足够的作业空间。

当基坑支护工程完成挡土、止水功能后，留在土层的锚索就失去意义。待地下室结构完成换撑、基坑周边土方开始回填时可由下到上分层、分批、分段将需要拆除的锚索进行拆除回收。拆芯步骤如下：

(1)锚索拆芯时，先将拆芯千斤顶安放平稳，然后开启千斤顶，对欲拆除的钢绞线施加比其原荷载更大的张拉力，使即将回收的钢绞线脱离固定夹具，并将锚具上的工作夹片拆除。

(2)利用拆芯千斤顶将钢绞线拉出一段并观察其受力情况，当其受力有所下降后，就可采用简易设备(如卷扬机、绞车)或人工将钢绞线逐根拔出。

(3)每段锚索全部拆除后，即可从下至上拆除腰梁上的槽钢，并按规格、长短分类回收堆放。

(4)钢绞线全部拆除后，应根据锚索拆除的部位进行登记造册，并与锚索安装记录进行对比，确保锚索能全部拆除回收。在拆除过程中若出现钢绞线拔不出来或钢绞线长度与施工数据不符等情况，应根据出现的情况进行现场分析，分析不符或产生偏差的原因，进一步找到解决问题的办法和措施。

5 基本试验

锚索正式施工前应选取代表性土层进行试验，通过试验确定施工工艺及相关技术参数。该工程共选取了3根锚索进行试验，锚索采用4Φs15.2全长无粘结钢绞线，锚固体直径150mm，自由段长度8.5m，锚固段长度16.5m，轴向拉力设计值340kN，最大试验荷载476kN，试验结果为：在最大试验荷载作用下，锚头位移相对稳定，承载力满足设计要求。基本试验1锚索抗拔试验检测结果Q-S曲线和位移曲线如图4～图5所示。

图4 Q-S曲线图

图5 锚杆荷载-弹、塑性位移曲线

基本试验锚索基本试验结果如表1所示。

表1 基本试验锚索基本试验结果

基本实验荷载-位移曲线如图6所示。

图6 荷载-位移图

6 结语

经过实践，基坑中采用“U”型可拆芯压力分散型预应力锚索是可行的、成功的。通过工程实践，从中得出如下体会：

(1)该类锚索既解决了基坑支护锚固难题，又避免给周边环境造成障碍，为城市基坑支护工程的设计与施工提供有益参考，可以在同类基坑工程中推广使用。

(2)该类锚索一般运用于临时支护工程中，不宜用于永久性锚索。

(3)该类锚索在施工中应注意保护好锚索外的PE套管或PVC管，不得破坏，否则，高压水泥浆渗入管内，锚索拆除将极其困难。

(4)该类锚索的张拉工艺特殊，必须严格按设计或规范要求进行张拉，才能让锚索的拉力均衡，发挥其最大作用。

(5) 该类锚索宜采用二次注浆工艺，可避免锚固体周边注浆不饱满的施工质量问题，从而使锚固体能有效地发挥抗压作用。

[1] 傅春青.可拆芯式锚索施工技术[J].隧道建设，2007,27(S2):454-458.

[2] 赵海生.基坑支护可拆型锚杆技术研究及应用[J].岩土力学，2005,26(11):1766-1770.

[3] 朱经志.压力分散型锚索施工技术[J].国防交通工程与技术，2010,08(6):64-67.

[4] 刘玉堂，袁培中，白彦光.压力分散型锚索不宜作为永久性锚索[J].预应力技术，2008(2):1-4.

Removable core dispersed pressure prestressed anchor rope construction technology application

YANGKehong

(Xiamen yuanchang urban construction group Co.,Ltd,Xiamen 361012)

By using this type of anchor cable, not only solves the problem of foundation pit supporting, and avoid obstacles to the surrounding environment.In a certain office building deep foundation pit supporting, for example, this paper expounds the anchoring principle, working characteristics, construction technology, basic test and experience of the "U" type removable core pressure dispersed prestressed anchor cable.Design and construction of foundation pit supporting project for the city to provide beneficial reference and can be applied in similar excavation engineering.

U; Removable core.Pressure; Anchor rope; Application research on

杨克红(1974.9- )，男，高级工程师。

E-mail:192788379@qq.com

2017-03-27

TU74

A

1004-6135(2017)08-0051-06