玄武岩纤维筋锚索施工技术在工程中的应用分析

吕善勇，庄小杰，刘江，陈烈，周刚 (中国建筑一局（集团）有限公司，北京 100161)

1 引言

目前锚索支护是一种常用的基坑支护形式，锚索作为深入地层的受拉构件，其一端与工程构筑物连接，另一端深入地层利用锚固体与土层的粘结摩擦作用，对基坑边坡起到支护加强的作用。传统的锚索一般是由钢材加工而成，但锚索因常年埋入地下，其金属部分与土壤、地下水等相互作用，易造成环境污染。玄武岩纤维具有强度高、电绝缘性好、耐腐蚀、易降解等多个优点，由玄武岩纤维为主要材料制成的锚索，可以被地铁盾构机的刀盘直接破碎，所以玄武岩纤维锚索遗留在地下并不会影响盾构施工。然而玄武岩纤维筋材不能焊接，只能通过粘结剂实现连接，因此现有的金属材质锚索施工结构体系不适用于玄武岩纤维锚索，通过工程的实际应用来探索出一套适合玄武岩纤维筋材锚索施工的技术。

2 工程概况

图1 玄武岩纤维筋材

图2 项目效果图

某功能膜新材料智慧物流园工程位于安徽省合肥市，拟规划总用地面积约65382.95m2，总建筑面积 91796.45m2，主要包含地下车库、综合楼及配套用房、仓库、厂房、室外辅助工程、变电所供配电及室外电等，计划工期693d，工程投资约2.48亿元。本工程建场地水文地质条件一般，地下水类型主要为①层杂填土中的上层滞水、③层中风化片麻岩和④层强风化片麻岩中的裂隙水。①层杂填土中的上层滞水主要由大气降水、地表水渗入组成，勘探期间测得其静止水位埋深 1.00m～2.40m，水位标 高39.46m～42.03m；③层强风化片麻岩和④层中风化片麻岩中的裂隙水主要由地下径流渗透补给，其地下水位埋深大，对基础设计及施工影响相对较小。场地地下水位年变化幅度在1.5m左右。本工程基坑深度最深处为11.6m，周边临近位置后期拟规划地铁线路，因此锚索施工限制使用，本工程采用玄武岩纤维筋锚索结合排桩进行深基坑支护施工。

3 关键施工技术

3.1 玄武岩纤维锚索的设置

在基坑的南侧区域设置预应力玄武岩纤维锚索，其中第一层锚索与最顶部内支撑竖向距离为7.5m，每根玄武岩纤维锚索总长30m，横向间距1.5m，入射角30°，其中锚固段长18m。第二层锚索与最顶部内支撑竖向距离为6m，每根玄武岩纤维锚索总长30m，横向间距1.5m，入射角30°。第三层锚索与最顶部内支撑竖向距离4m，每根玄武岩纤维锚索总长30m，横向间距1.5m，入射角30°。第四层锚索与最顶部内支撑竖向距离2m，每根玄武岩纤维锚索总长为30m，横向间距1.5m，入射角30°。

3.2 玄武岩纤维锚索的制作

锚索采用φ10mm及以上玄武岩纤维筋材，筋材不得接长，使用前应检查有无油污、缺裂等情况。为使锚杆置于钻孔中心，应在锚杆上每隔1500mm设置定位器一个，根据玄武岩纤维筋材直径和单索玄武岩纤维筋材数量选用市场用于钢胶线锚索的成品对中支架。锚杆端头预留1m供安装锚具，杆体自由段应用塑料布或塑料管包扎，锚头采用φ 50cm钢管，长15cm～20cm，一端压扁。将BFRP筋材集合插入锚头，注入植筋胶固化24h。使用锚索支架将玄武岩筋材固定住，同时在中间设置注浆管，以此完成锚索的制作。

3.3 玄武岩纤维锚索专用锚具的设计

新型非金属锚具包括钢制套管、锚垫板和锁定螺母，粘结式钢管套管采用无缝钢管，钢管长度为300mm～400mm，内 径 18mm～20mm，壁 厚4mm～6mm，一端外壁为螺纹段，长度100mm～150mm，另一端为光圆段。锚垫板是200mm×200mm的方形钢板，厚度为20mm～30mm，根据每组锚索的根数在锚垫板上预留相对应的预留孔，预留孔直径为30mm。每根与玄武岩纤维锚索粘结完成后的粘结式钢管套管穿过锚垫板上的预留孔后，利用千斤顶对锚索施加预应力，施加完成后通过锁定螺母在粘结式钢管套管的螺纹段的旋转进行预应力锁定。

3.4 玄武岩纤维专用锚具的试验

按设计使用钢制套管并安装锁定螺母，然后进行测试，在满足玄武岩纤维筋材抗拉强度的前提下，在螺帽受力达到160kN时结束试验。螺帽和锚具完好且未发生断裂则证明满足锚具设计要求。

图3 玄武岩纤维锚索专用锚具示意图及实物图

玄武岩纤维专用锚具测试合格后，在施工现场进行锚索的拉拔试验以检测玄武岩纤维锚具的力学性能，同时可获取玄武岩纤维锚索的抗拔极限承载力，验证或修正筋材力学指标。同时进行锚筋锚索的拉拔对比试验，对比玄武岩纤维筋材锚索与普通钢筋锚索的力学性能。以地基土、反力梁、锚具为锚索抗拔反力系统，以经标定过的油压千斤顶、手动油泵、0.4级精密压力表为加载控制系统，以50mm大量程精密百分表配合基准梁为锚索位移观测系统。

图4 实验设备安装示意图

试验以《高层建筑岩土勘察规程》（JGJ72-2004）为依据，以750kN为预估荷载最大加载量进行加载，以测得抗拔极限承载力，当后一级荷载产生的锚头位移增量达到或超过前一级荷载产生的位移增量的2倍或锚头位移持续增长、锚索体破坏时可终止试验。

现场分别用1根、3根、5根、6根玄武岩纤维筋材锚索进行拉拔试验，拉拔试验结果表明，单根直径为14mm的玄武岩纤维筋材锚索的极限抗拔力约155kN；3根直径为14mm的玄武岩纤维筋材锚索极限抗拔力为530kN；5根直径为14mm的玄武岩纤维筋材锚索极限抗拔力为 772.6kN；6根直径为14mm的玄武岩纤维筋材锚索极限抗拔力为849.2kN。若采用玄武岩纤维筋材锚索替代传统钢筋锚索，根据设计极限抗拔力按等强度替代，即可计算采用玄武岩纤维筋材锚索筋材的数量，现场拉拔试验证明设计的玄武岩纤维锚索专用锚具性能可以满足实际工程应用。

3.5 玄武岩纤维锚索施工

高压旋喷清水钻进至设计孔深，钻进时采用清水辅助，钻进至设计孔深后停钻，钻进过程中保持好钻进角度和速度，随时观察玄武岩纤维锚索跟进情况。锚固段退钻高压旋喷同步注水泥浆，待锚固段浆体强度达到设计强度的75%后进行预应力张拉锁定工作，达到设计值后通过锁定螺母在粘结式钢管套管的螺纹段的旋转进行预应力锁定。

图5 现场钻孔图

3.6 玄武岩纤维锚索施工的现场监测

现场对第一层和第三层玄武岩纤维锚索分别进行监测，从而获得监测数据以了解其支护状况。第一层锚索监测时间为2019年2月20日至2020年11月16日。第三层锚索监测时间为2019年2月27日至2020年11月20日。对玄武岩筋材锚索及其对比传统钢绞线锚索进行分析。用origin软件画出玄筋锚索和传统锚索的应力对比图，通过受力情况对比得出，初期受力阶段玄武岩筋材锚索与钢绞线锚索应力情况相似，然后玄武岩筋材锚索突然有下降的应力突变，中期受力阶段玄武岩筋材锚索情况就与钢绞线锚索应力情况相似，受力基本不变，中后期受力阶段不同的是玄筋锚索突然又有下降的应力突变后，受力基本不变。最终通过监测说明，在锚索支护边坡工程中，随着基坑开挖深度变大，锚索受力也越来越大，这一点在传统钢绞线锚索中主要体现在受力前期，中后期受力基本不变，而对于玄武岩筋材锚索，忽略其应力突降现象，中后期受力也基本不变，这与传统钢绞线锚索的受力情况基本一致。

4 质量控制措施

①玄武岩纤维钢绞线按设计长度下料时，需预留足够的张拉长度。钢绞线原材截断时，使用切割机进行，不得使用电焊机烧断，妥善存放未使用的玄武岩纤维锚索成品，并做好保护、遮盖、防锈等措施，防止损坏、玷污和锈蚀。

②在锚索自由段套装PVC管隔离前对自由段钢绞线进行防腐处理，刷防锈漆或涂抹黄油，PVC管两端做好密封并绑扎牢固，防止泥土粘裹钢绞线污染自由段锚索及水泥浆体流入自由段。

③钢制套管的内壁需制成粗糙面以增强钢管锚具与胶结剂间的摩擦力，然后将钢制套管锚具的一端设置为锥形。通过两种处理方式可避免锚具与粘结剂的脱胶现象。

④锚索孔位开孔前用相关测量工具对孔位、倾角等进行检查校核，发现偏差及时进行调整，跟锚钻进时，严格控制钻进速度和喷水压力，以保证成孔质量。

⑤退钻旋喷注浆时，严格控制退钻速度和旋喷压力，以保证注浆质量。注浆结束钻杆全部退出前，孔口返出的泥浆水全部变为水泥浆液后，方可停止注水泥浆，并将钻杆全部退出。锚索施工结束后，及时对孔口进行封堵，防止水泥浆液从孔口流失。

5 实施效果

玄武岩纤维锚索具有强度高、密度小、耐酸碱腐蚀等优点，因盾构机刀盘可直接破碎玄武岩筋材，锚索长期留在土体内也基本不影响盾构施工，同时玄武岩纤维复合筋材耐腐蚀性强，生产过程中环境污染小，属新型绿色环保材料。通过钢管套管与玄武岩纤维锚索的结合，解决了玄武岩纤维锚索预应力不易锁定的问题，锚固结构稳定，操作方便，解决了玄武岩纤维筋材锚索的施工。

利用本文施工技术中的新型锚具，可以顺利实现玄武岩纤维锚索预应力的加载和卸除，根据同等级替换的原则，可以利用玄武岩纤维锚索替代传统的钢绞线锚索，并利用本文的各技术要点进行施工，起到为后续工程提供参考借鉴的作用。