高水头粉细砂层锚索施工技术研究

卫耀东

摘要：北京地铁6号线新华大街站施工时基坑主体围护结构采用钻孔灌注桩，孔桩中部采用外拉锚索的支护形式，基坑标准段打设4道锚索。第3道锚索穿越高水头粉细砂层地质，部分锚索施做时出现涌水、涌砂，导致锚索不能施做。本项目经技术创新，采取套管与钻杆同步钻进、设计防涌砂装置、设置孔口吸水快速膨胀材料封堵等技术措施，有效防止了涌水涌砂问题，确保了锚索施工质量及工期。

关键词：锚索施工;高水头粉细砂层;同步钻进;防涌砂装置;孔口封堵

Abstract： During the construction of Xinhua Street Station of Beijing Metro Line 6， the main retaining structure of the foundation pit was constructed with bored piles， the middle part of the bored piles was supported by external anchor cables， and 4 anchor cables were laid in the standard section of the foundation pit. The third anchor cable passed through the high water head silty fine sand layer， and water and sand gushing appeared during the construction of some anchor cables， which made the anchor cable unable to be constructed. Through technological innovation， the project adopted technical measures such as synchronous drilling of casing and drill pipe， design of anti-sand inrush devices， and setting of water absorption and rapid expansion material plugging of orifices， which effectively prevented water and sand gushing， and ensures the construction quality and construction period of anchor cable.

0  引言

因預应力锚索对土体的加固效果显著，在深基坑围护中逐渐和到推广应用。但现有锚索施工的成熟技术是基于不透水地层（如粘土层），或是低地下水压力的砂层。采用常规的施工技术进行高水头透水砂层锚索施工时，出现涌水、涌砂，注浆难等问题。为了提高高水头砂层锚索成孔质量及效率，探寻锚索成孔新技术，解决高水头锚索成孔涌水、涌砂难题，确保锚索施工质量，达到设计抗拔力，保证基坑土体及周边建（构）筑物的安全，具有较强的工程施工意义。

1  工程简介

新华大街站是北京地铁6号线的快慢线中转换乘车站，远期与S6换乘，为四线双层结构形式，车站总长473m，站台设计宽度为10m。新华大街站的标准段高为17.1m，宽为42.5m，顶板覆土在效站台中心线处为3.5m。

新华大街站地处通州城区的规划核心区，明挖法施工主体结构，本车站底板埋深约为22.5m，主体结构的基坑采用ф800mm钻孔灌注桩作围护，中心距为1500mm，孔桩深入基坑以下5m。围护结构不设内支撑，而是在基坑标准段打设4道锚索（d=150mm）的外拉形式，锚索水平间距1500mm。

由地质勘察报告可得，基坑深度内的地质情况如下：房碴①层、粉质粘土填土杂填土①1层、粉土填土①2层、粉土②层、粉细砂④3层、粉细砂⑤层、中粗砂⑤1层及粉质粘土⑥层。

基坑深度范围内存在2层地下水。其中上层滞水的水位标高在20.2～19.81m，基底以上13.4～14m;下层为承压水，水头进入粉细砂④3层，水头标高16.2m，位于基底以上10.6m。

北运河位于新华大街站北侧，与车站呈大体平行关系，两者相距约200m。河底宽80m，河底标高15.3～15.80m，测量水深3.0～3.5m;对应的水位标高为18.3～18.8m;河底、岸坡无衬砌。

2  施工存在的问题

2.1 存在的问题及分析

基坑防护的第3排锚索穿越高水头粉细砂④3层，该层地下水承压，动水与水源联系十分复杂。进行基坑第3排初期共15根锚索施工时，发现11根锚索在钻孔时，或是注浆完成后产生不同程度涌水、涌砂问题。涌水中含泥砂量大，且水流呈喷状涌出，表明水压较大。

因涌水、涌砂量较大，地面的沉降监测表明地面沉降值急剧加大，为了确保地面道路、构筑物的安全和减少对上部已施工完成的2排锚索的扰动，只能停止后续锚索的施工。因此，能否完全顺利完成车站围护结构的高水头粉细砂层第3、4道锚索施工是关系到本项目的基坑开挖节点工期及周边建（构）筑物安全、道路交通畅通以及居民生活正常进行的关键，是本工程的重点与难点。

2.2 各种施工技术措施处理涌水、涌砂问题的评估

2.2.1 井点降低地下水位  采用井点降水法降低基坑的地下水位后再进行锚索的钻进成孔。结合其它项目的施工经验评估后认为：首先过度降水，易引起地表、道路及建筑物沉陷，危及安全;其次地下水承压，水量较大，且有北运河的持续补给，降水难度大。排除了井点降水方案。

2.2.2 冻结法  将冻结管打入土体中，通过管内冷媒剂循环流动，使热量从土层中带出，从而使土层冻结，冻结后土层具有一定的强度及密实度，能够承受荷载和起到隔离防水作用，土体的暂时冻结保证了可按常规工艺进行锚索的施工。但存在施工技术复杂，工序多，施工工期长;对土体的冻结造价高;地质条件复杂，存在不确定的因素多，风险大。

2.2.3 套管跟进法  即利用套管跟进进行锚索砂层施工。此方法虽然操作简单，成本较低，施工周期短。但在高压水头情况下施工的风险大，故不宜采用。

2.2.4 此外还对地层加固法、自进式注浆钻进锚索法等进行了适用性评估  但不同的施工方法存在或多或少的不足之处，难以确保本项目锚索顺利完成。为此，本项目进行课题研究立项，从施工工艺方面往入手，以解决高水头粉细砂层锚索成孔难题。

2.3 研究高压水头透水砂层锚索施工防涌水涌砂技术

从查阅大量文献资料的结果看来，目前成熟锚索施工技术及专利基本是基于不透水地层（如粘土层），或是低地下水压力的透水砂层。成功在高水头粉细砂层、淤泥质砂层等困难地质条件下完成锚索施工的技术及实例少。为确保第3、4排锚索的顺利施工，本项目在借鉴以往类型项目的成功经验的基础上，根据本项目具体情况，进行工艺优化、调整和提高。

课题小组还与具有丰富类似地质情况下锚索施工经验的广东省基础工程公司进行技术合作，同时项目部课题人员还发挥创新思维，并在试施工中对出现的问题进行分析、研究，优化技术方案及工艺。最终针对锚索施工涌水、涌砂难题，采取如下三个主要施工技术措施：

①采取外套、内转杆同步向土层中钻进，防止水、砂沿套管外侧涌出。

②钻设锚索孔时在孔口处安设防涌砂装置，进一步阻止涌水、涌砂。

③采取在孔口处设置膨胀止水纱袋，对孔口进行封堵等技术措施，防止水泥浆被高压地下水挤出。

3  技術研究成果阐述及实施要点

3.1 成孔工艺的改进

先下外套管后，再安装内转管实施钻进是传统锚索成孔工艺。实践表明，采取此工艺在高水头透水砂层施工时，还是易出现涌水、涌砂现象，导致成孔困难。

本项目改进了成孔技术，采用外套管和内转管同步钻进（如图1、图2所示）的新工艺。即内转管钻头先行钻进土体，外套管紧随其后。

新成孔技术还是采用外套管护壁成孔，但内转管较外套管超前少许进入土体，内转管往复转动钻进运动对前方及转管周边一定范围内的土体进行挤压密实，包括外套管外侧的土体也产生了挤压密实效应（如图3所示），解决了沿外套管外侧产生涌水、涌砂的难题。

内转杆与外套管间的空隙经工艺改进后变成很小（控制在10 mm以内），钻头前较大颗粒的砂砾、碎渣无法通过空隙排渣，而是挤入周边土体中，随泥浆循环排出的仅是小粒径的砂砾、碎渣。故新工艺不仅能挤密土体，还能有效减少砂土的流失。

3.2 成孔过程中防涌砂

由于本基坑共设置了4道锚索，越往下施工，水头压力就越大，开孔及成孔过程中的涌水涌砂将会更加严重，为进一步控制锚索成孔过程中粉细砂流失量，钻孔时在孔口处安置防涌砂装置（如图4、图5所示）。

根据已施工完成的第2道锚索结果，虽然各孔位水头压力不同，但基本水头压力较小，产生涌砂、涌水现象的可能性较低，故对于尚未施工的第2道锚索，拟先开孔，再根据成孔情况考虑是否需要装设防涌砂装置。第3排、4排锚索均按装设防涌砂装置的要求进行前期准备（安设膨胀螺栓）。

防涌砂装置现场操作步骤及要点如下：

①定位锚索孔位后，将孔位处围护结构的混凝土面凿平，根据防涌砂装置安装孔的位置，在混凝土面上钻打6个Φ12mm膨胀螺栓。

②进行将防涌砂装置底座的试安装，确认膨胀螺栓定位准确后，拆除底座。

③锚索钻机钻进成孔。

④当成孔过程出现较大的流砂、涌水现象时，停止锚索钻机的钻进，用油麻绳包裹外套管，安装防涌砂装置。为了避免地下水、细砂从防涌砂装置底板与围护结构表面之间的空隙涌出，造成水土流失，在二者之间的空隙上加垫无纺布、麻包袋。

⑤锚索钻机继续钻进成孔。

3.3 终孔注浆后防涌砂

锚索成孔时安装防涌砂装置主要是与锚索钻机成孔相配合，控制涌水、涌砂量。但在注浆前需拆除防涌砂装置，故其不能起到终孔后防涌砂作用。以往类似项目采取留一节外套管在孔内不拔除，以起到平衡孔口水土压力，防止涌砂的目的，但施工成本高，较少采用;或终孔后对孔口部位采取灌浆封堵方法，但需注入大量化学浆液，且操作工序较复杂，施工成本高，也较少采用。故寻找快速有效、经济合理的止水技术具有较强的工程意义。

试多次试验结果，拟采取在孔口部位塞膨胀止水纱袋的技术，具有效果好，简单易行，成本低待特点。

经过大量止水材料试验反复对比，选择某种具有吸水快速膨胀、形状可任意塑造的材料，加无纺布密封后可做成膨胀止水纱袋。施工时在锚索钻机的配合下塞入孔口内（如图6所示）。

4  结束语

北京地铁6号线新华大街站围护结构锚索施工时，因部分锚索从高水头粉细砂透水地层穿过，施工时大量出现涌水、涌砂等现象，本项目在经验借鉴的基础上，采取创新优化。在锚索施工时采取了外套管与内转杆同步钻进、孔口安装防涌砂装置、注浆后使用膨胀止水纱袋止水等多项新颖、有效的技术措施，顺利按预定工期完成新华大街站第3、4道锚索的施工。由于措施得当，有效控制了涌水、涌砂的发生，防止了水土流失及地表沉降，取了良好的社会效益和经济效益。

参考文献：

[1]陶芳良.试述富水砂层锚索微扰动施工技术措施及控制要点[J].广东水利水电，2010（6）.

[2]欧阳麟桦，赵健，王俊.高水头条件下深大型基坑预应力锚索成孔方法及分析[J].水利工程，2012（8）.

[3]陈怀玉.布袋充浆式止浆环在果多电站锚索施工中的应用[J].四川水利，2015（5）.