重力场在支护锚固角度控制中的研究与应用

孟召虎 李举辉 何 路 李元昊 叶 雷 许 胜 张勤雄

中建三局集团有限公司 陕西 西安 710065

锚索、锚杆是深基坑、边坡等地表工程及隧道、采矿场等地下洞室施工中常用的一种加固支护方式。在锚索、锚杆施工过程中，锚索、锚杆并不是完全垂直于坡面，不同的锚固倾角，产生的摩擦力作用效果不一样，同时锚固角度的不同也影响锚固效果和经济效果，因此锚固角度的精确控制就成为锚固施工质量的重要组成部分。在兰州市城关区清华小学综合楼建设项目的深基坑支护施工过程中，通过不断试验、探索，在复杂的施工环境中利用重力场，实现了对锚索倾角的精确控制，从而提高了锚索的施工质量和现场施工效率。

1 工程概况

兰州市城关区清华小学综合楼建设项目位于兰州市城关区酒泉路，地处闹市区。项目规划为1栋综合性教学楼，地下3层（含隔震层），地上6层，结构类型为框架结构（图1）。工程基坑设计深度达－14.85 m，地下水位在－3.0 m处；基坑南北两侧各为1栋5层建筑物，距离基坑边缘平均为3 m，东西两侧均有道路及市政管网，基坑工程侧壁安全等级为一级。基坑支护由支护桩加预应力锚索组成，预应力锚索倾角为20°，需避开南北两侧原有建筑物桩基础。现场场地极为狭小，施工环境复杂，基坑危险系数较大。因此基坑支护质量把控尤为重要。

图1 清华小学综合楼效果图

2 锚索、锚杆水平倾角对锚固的作用

在支护施工过程中，锚索、锚杆的水平倾角一般控制在15°～25°。锚索、锚杆在土层中随着水平倾角的增大，水平分力减小，竖向分力增大[1]。水平分力减小就会减弱锚索、锚杆的锚固效果；同时锚索、锚杆竖向分力的增加也会造成基坑周边荷载增大，引起周边土层的沉降或变形。因此，在基坑、护坡支护、隧道加固过程中，锚杆、预应力锚索的水平倾角需考虑多方面因素，如地质构造、土质、周边地下构筑物等。同时在施工时，钻机钻杆的角度需精确控制，保证钻杆水平倾角，从而确保锚索、锚杆的施工质量[2]。

3 现有倾角控制方法

在深基坑、护坡、隧道加固支护施工时，现场施工环境往往较复杂，施工条件差，便捷可靠的钻杆倾角控制方法是保证支护施工质量的必要条件。市场现有的测倾仪、电子水平仪等测量仪器，通过电子传感器测量倾角，极大地提高了锚索、锚杆倾角的精确度。但在恶劣的施工现场，电子精密仪器往往不便于现场施工人员操作；同时，这些仪器设备的价格较高，如果使用，会直接增加施工成本，因此在施工过程中使用靠尺和量角器组合控制钻杆角度的方法更为常见[3]。这种组合方式，不仅原理简单，而且成本很低；但在角度控制时由于人为操作误差，对角度控制的精确度影响较大，造成的误差偏大。而重力场作为一种地球上无处不在的场，其重力方向始终是竖直向下的，利用这一特点，进行钻机钻杆的角度控制可能会显得更加可靠[4]。

4 重力场的特点

地球重力场是指地球表面附近的引力场，每一点所受到的重力的大小和方向只与该点的位置相关。在正常重力场中，地球上任何物体所受的重力方向都是竖直向下的，该方向与水平方向始终垂直。一个自然下垂物体，静止时所指的方向就是竖直的，这比寻找相对精确的水平方向要简单很多。因此利用重力场的指向原理，在复杂的施工现场进行角度测量、角度控制，操作起来更为简单，也更加可靠[5]。

5 重力场作用下钻杆角度控制装置

利用重力场的这一特性，项目人员研究出了重力场作用下钻杆角度控制系统。该装置通过磁吸方式可吸附在钻机与钻杆平行的任何部位，指针靠重力牵引沿铅垂方向竖直朝下，并与水平向垂直；在钻杆调节角度的过程中，刻度盘随钻杆转动，指针保持竖直朝下，通过指针读取刻度盘的刻度达到控制钻杆角度的目的。该角度控制器通过磁吸方式安装，可达到随用随装的效果，同时依靠物理原理，数据可靠、读数方便，可有效控制钻杆钻孔的角度，极大地提高钻孔角度的精确度。

该装置主要由磁吸底座、刻度盘、铜质重力指针以及钢化玻璃罩四部分组成（图2）。磁吸底座由磁铁和钢化玻璃制成，磁铁的使用可以使该装置随时随地安装在钻机臂架的任何部位，极大地提高了现场使用过程中的便捷度，且易于操作。

图2 重力场作用下钻杆角度控制装置示意

刻度盘与常见的量角器相似，不同的是该刻度盘中间刻度为0°，两边最大刻度值为90°，刻度盘最小刻度为0.1°，此精度可以完全满足锚索、锚杆的精度要求。当钻机底座处于水平状态时，指针指向0°刻度，在现场使用过程中，通过磁吸底座将该装置安装在与钻杆平行的钻机臂架上，指针所指的角度，就是钻机钻杆的水平倾角，然后根据设计的锚索倾角，调整钻机臂架至合适的角度（图3）。

图3 测角装置安装示意

这套装置另一个重要构件为铜质重力指针。为了避免磁场对该装置的影响，特别选用没有磁性的铜来制作指针。指针尖端质量较大，末端可自由无阻转动，在使用过程中底座及刻度盘随钻机臂架旋转时，该指针沿重力方向始终竖直向下。而重力场无处不在，不受周边环境影响，因此利用其指向，具有较好的可靠性，也较为灵敏。为避免施工现场泥水对其灵敏度产生影响，在刻度盘与指针上设置钢化玻璃罩，保证在长期使用过程中具有较好的可靠性（图4）。

图4 测角装置剖面

该装置处于水平状态时指针指向0°刻度，因此在使用前，可将此装置调平，然后观察指针指向来检验该装置是否调校准确；在使用时需将与钻杆平行的钻机臂架翼缘板擦拭干净，确保底座与臂架能够严密贴实，不留夹角，以免影响测角精度。钻杆进尺0.5 m时，进行钻杆倾角复测，若有误差及时调整。同时使用该装置时钻机必须处于停机状态，以免转机抖动影响测量精度；角度量测完毕后需及时拆下该装置妥善放置，不得将其留置在已经启动的钻机上，以免损坏。

6 重力场的实用效果

项目利用重力场作用下钻杆角度控制装置进行锚索施工角度控制时，对施工人员进行简单交底，即可使其迅速掌握使用方法，操作也较为便捷（图5）。

图5 重力场作用下钻杆角度控制装置应用现场

在使用专业测角装置对该装置量测的水平倾角进行检验时，发现其误差为0.1°，因此使用该装置进行锚索、锚杆水平倾角控制，具有良好的精确度，且数据可靠。相比市场现有的倾斜角测量仪器，该装置操作简单、适应性强，在提高施工质量的同时，极大地降低了施工成本，具有较好的经济效益。

7 结语

锚索、锚杆施工现场的环境往往较为复杂，在进行钻杆钻孔角度控制时，不仅要考虑其精确度，还要从操作性、可靠度、经济效益等几个方面进行综合考虑。兰州市城关区清华小学综合楼建设项目在深基坑支护施工过程中经过不断探索、多次试验，利用重力场的物理特性，研究出重力场作用下钻杆角度控制装置。相比传统的测量仪器，该装置在精确度、操作性、可靠性、经济效益等方面都有很大的提高，同时极大地节省了施工成本，在保证施工质量的同时提高了施工效率，也为类似工程积累了经验[6]。