可回收锚杆技术研究现状与展望

成泽林,周盛全,乐腾胜

(1.安徽理工大学土木建筑学院, 安徽 淮南 232000; 2.安徽省建筑科学研究设计院绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室, 合肥 230031)

随着中国经济的快速发展,城市地下综合管廊、地铁车站等大型地下工程数量急剧增加,城市建设越来越多地向地下扩展。随之而来的基坑范围和深度也不断扩大,深基坑支护技术已成为地下工程建设的难点和热点。为满足安全、经济的施工要求,排桩+内支撑和排桩+锚杆的施工体系被广泛应用于基坑工程中。两者各有优劣,相较于锚杆支护,内支撑具有以下缺陷,一是限制施工高度,加大了施工难度,不利于高效施工;二是内支撑主要采用混凝土结构,后期拆除造成资源浪费。桩锚支护虽然能避免内支撑所带来的劣势,具有造价低、可为后续的土方开挖及基础地下室的施工提供更大的空间等优点。但它同样也有缺点,如,支护工程虽然属于临时工程,但是锚杆却被永久地遗留在地下,为后期地下空间的开发造成阻碍,并且锚杆都为金属材质,随着时间推移被不断的分解,会造成土壤和地下水源的污染。从2005年提出把建设资源节约型、环境友好型社会作为一项战略任务,到如今把“绿水青山就是金山银山”的科学论断作为国策,在众多绿色发展理念的推动下,研究如何有效利用锚杆技术、减少浪费、绿色发展成为迫在眉睫的问题。可回收锚杆技术的诞生延续了传统锚杆的优势,并为上述问题提供了较好的解决方案。该技术最初于20世纪60年代在国外提出,80年代因为其经济性传入国内,但由于当时技术不成熟效果较差导致市场认可度低。到21世纪,进入真正大规模开发利用地下空间的时代,随着土地市场化的发展和更多地方用地政策的出台,超越用地红线问题日益被关注,可回收锚杆技术重新得到重视。虽然该技术在中国起步较晚但发展迅速,相关企业由几家发展到现在几十上百家,相对国外完成了从落后到追平甚至部分领先的壮举。

一、可回收锚杆

(一) 可回收锚杆概述

可回收锚杆顾名思义就是锚杆可自行回收,施工完成后锚杆不再被当成一种废料留在岩土中成为日后土地开发的障碍物,而是在施工完成后将锚杆从岩土中取出,最大程度地减少对土壤的污染。如今国内外主流的可回收锚杆大多只是锚杆可回收,锚固件由于埋藏深回收困难而且体积小对土地开发造成的影响较小而选择使留在地下,不过随着可回收锚杆技术的发展,可完全回收锚杆也已陆续亮相。

(二) 可回收锚杆的分类

可回收锚杆技术在国内外历经半个多世纪的发展,如今种类可谓百花齐放,从施工工艺方面主要可分为机械式、力学式和化学式回收;根据锚杆的回收机理可分为自解锁类、锚筋回转类、自钻自锁类、半拆筋类、过载强拉类、端头锚固类,又分别用A、B、C三个等级对锚杆部分的回收程度进行划分;根据承载形式可分为压力集中型或压力分散型;根据锚固浆体形状可分为直径形和旋喷扩体型;根据锚固体填充材料还可分为水泥浆型和水泥土型。

二、国外可回收锚杆的发展

早在20世纪60年代,日本和欧洲等发达国家对土地利用率较高,且科技发达、环境保护意识强,所以对锚杆超出用地“红线”问题比较重视,随后这些国家先后开发出多种可回收锚杆。

(一) JCE可回收锚索杆

日本国土防灾股份有限公司开发的JCE可回收锚杆属于力学式回收锚杆,具有安装速度快、工序简洁、工人劳动强度低、回收率高等优点,但是承载力较小、锚固件不能被回收。该锚杆安装时并不需要张拉锁定等施工工序,在锚固件中巧妙设置了一股解锁钢绞线,回收时先通过千斤顶对解锁钢绞线进行张拉使锚固件“解锁”,其它钢绞线便可轻松拔出。

(二) IH可回收锚杆

IH可回收锚杆是由日本飞岛建设股份有限公司研发的一种熔断式锚杆,该锚杆具有成本低、回收速度快且方便、设计灵活等优点。其原理是在锚固端设有电磁线圈加热装置,对其通电便可快速完成对钢绞线的熔断,进而达到回收的目的,熔断后不需机械就可将钢绞线拔出。

(三) DYWIDAG可回收锚杆

DYWIDAG锚杆为熔断式锚杆由德国DSI公司研制,与日本IH锚杆设计类似,同样是通过电感应加热完成对钢绞线回收,不同的是DYWIDAG可回收锚杆在组装之前在熔断处设有断裂点,通过加热降低钢绞线的承载能力而达到回收的目的,回收更为方便快捷。

(四) SBMA可回收锚杆

SBMA锚杆是由英国学者开发属于U型可回收锚杆,它是将几股锚杆安装在一个钻孔中,可以大幅度提高锚杆的锚固力,回收时通过千斤顶对锚杆施加拉力进而取出。但其缺点较为突出,施工前需要对钢绞线进行绑扎,特别是对于直径较大的钢绞线工作量较大,并且回收时需要借助机械,工序复杂。

(五) 日特可回收锚杆

日特可回收锚杆又称为自切割可回收锚杆,由日本日特建设公司研发,该锚杆承载力大、结构简单、安装回收方便、故障率低、回收率高。其锚固装置为带切断装置的滑轮,安装时钢绞线绕滑轮回转180°穿出两端受拉,回收时对锚杆一端施加拉力带动切断装置旋转切断钢绞线进而回收。

(六) 扩大头可回收锚杆

扩大头可回收锚杆由瑞典研发,在瑞典、日本应用得到验证。该锚杆的锚固件是由折叠钢板组成,安装时钢绞线绕过锚固件装入孔底,因为端部体积较大承载力不再是与岩土之间的摩擦力而是锚固件端承阻力。后期国内对该类型锚杆进行改进,利用高压旋喷的方式,对锚杆底部一定范围内进行扩孔以达到提高承载力的目的。

三、国内可回收锚杆的发展

可回收锚杆技术在国内起源于20世纪80年代,最初用于矿山巷道,后面在隧道、边坡、地下等不同领域得到小规模的应用,特别是在深基坑工程中应用最广泛,但发展初期回收后锚杆都会有一定的损伤导致无法重复利用。自上世纪末以来,随着基建行业如火如荼及各种政策的实行,使可回收锚杆技术重新得到重视。在研发方面,1997年冶金部建筑研究院成功研发了采用聚酯纤维锚固件的可回收锚杆,实测回收率高达96 %。2003年总参工程兵科研所也研发出压力分散性可回收锚杆,现如今研究主力除国家单位外还有更多的民企,如:北京力川、浙江中桥等。在学术领域,自2019年起,每年召开的全国可回收锚杆技术研讨会正促进该技术的快速发展,在同一年,全国可回收锚杆技术与产业联盟在龚晓南院士的牵头下成立。在技术标准方面,本世纪初可回收锚杆技术被写入《建地基锚杆设计施工指南》,自此以后该技术被写入更多技术规程及规范,2020年《可回收锚杆技术规程》通过审查。可以看出,虽然我国起步较晚,但发展速度更快。

(一) 机械式回收锚杆

一是压力分散型可回收锚杆。该锚杆是由国家总参工程兵科研三所研制,是国内工程应用最早的可回收锚杆,具有承载力大、适应性强、易回收的优点。使用时,将钢绞线绕锚固件180°回转并固定,根据施工要求可在锚固段内设置多个锚固件,回收时只需要用千斤顶或卷扬机对钢绞线一端进行张拉即可取出。后来深圳某公司研发的JL可回收锚杆为该锚杆的升级产品,取长补短克服了普通U型锚杆的缺点,并在多个工程中得到规模性应用。二是LTRA可回收锚杆。LTRA可回收锚杆是由广州泰基工程公司研发,该锚杆是采用主副锚杆形式,其主锚杆为受力构件,副锚杆为回收锚杆。其传力路径为锚头—主锚杆—锚固件,锚固件由水泥砂浆固定在孔洞内并负责传力至周围土层中进而成为一种压力型锚杆。回收时,通过张拉副锚杆使锚固件失效拔出主锚杆。该锚杆具有回收工序简洁、回收速度快、回收再利用率高且应用范围广等特点。

(二) 力学式回收锚杆

一是直列无极调压式可回收锚杆。该锚杆是由北京力川地基工程公司研制,该锚杆锚固件为一种无级调压保险装置,对锚杆根数没有限制并且每根钢绞线独立工作。安装时,对保险调压机设置一个保险压力值压紧钢绞线。回收时,对锚杆施加大于压力值的拉力便可解除保险抽出锚杆,具有回收方便,对钢绞线伤害小重复利用率高等优点。二是定阀式可回收锚杆。定阀式可回收锚杆是由武汉武建机械施工公司研发,原理与直列无级调压式锚杆类似,通过挤压套固定锚杆。回收时,用千斤顶或绞盘对锚杆施加拉力,锚杆从锚固件中抽出的同时也破坏了与注浆体之间的粘结力,钢绞线便可轻松拔出。在回收过程中对锚杆的破坏小,回收率再利用率高,有明显的成本优势,随着重复次数的增多成本不断下降,可以降低项目造价40 %以上。

(三) 化学式回收锚杆

化学式回收是在施工完成后通过在锚固端设置的熔断或爆破装置断开锚杆与锚固件的连接后拔出,包括热熔材料型、电磁感应型、化学药剂、爆燃型。在国内,由于工艺较为复杂而且化学药剂存储条件严格,在实际工程中应用都较少。苏州能工基础工程有限责任公司是国内具有代表性的热熔型锚杆厂商,锚杆被夹片夹紧,回收时对电磁线圈通电加热,融化热熔材料便可使夹片脱落取出锚杆。

(四) 其他形式锚杆

一是充气式可回收锚杆。充气式锚杆是近几年新兴的可回收锚杆,在锚杆的锚固端设置气囊,通过对气囊的充放气完成锚杆的锚固及回收,可广泛应用于软土地基中,具有结构简单、施工方便快捷、环保无噪音、可实现锚杆的完全回收等优点。但承载力较小、气囊容易爆破、极限位移较大也是它突出的缺点。二是自钻自锁式可回收锚杆。该类锚杆施工时无需打孔,通过钻机将带有叶片的锚杆强行钻入,钻入过程中通过挤压土层改善土层的力学特性并快速获得锚固力,但由于锚杆长度普遍较短所以支护效果一般,且对地层要求较高、效率较低。

四、可回收锚杆技术存在问题及展望

近年来,可回收锚杆技术已成为未来工程建设的必然趋势,虽然可回收锚杆技术解决了传统锚杆存在的缺陷,但随着工程应用其弊端也不断显现,当下存在的问题即未来的着力发展方向,对目前可回收锚杆技术存在的问题及未来的展望做以下阐述。一是,大部分锚杆不可完全回收。当下主流的回收锚杆只是对锚杆的回收,锚固件往往被留置在地下,没有实现真正意义上的可回收。日后需进一步研发类完全可回收锚杆,或对主流锚杆的锚固件改进,在满足结构强度、耐用性的前提下,采用无污染、可降解材料实现对传统金属锚固件的替代。二是,大部分锚杆回收工艺复杂。当前对锚杆的回收普遍需要借助千斤顶或绞盘并存在钢绞线无法拉出或用力过大拉断的情况,作业条件差通常在狭长的肥槽内,无论是对工具的挪动还是安装都费时费力。因此,需要继续研发高效便捷的可回收锚杆,提高回收再利用率。三是,实际应用率及市场认可度低。专利多而成果转化率低成为普遍现象,大部分产品止步于专利申请和室内试验,相关部门应出台提高成果转化率的政策,把专利转变为产品提高实际应用率。而且可回收锚杆成本更高,在竞标环节没有优势而且产品质量参差不齐导致市场对可回收锚杆认可度低。政府应加强监管,颁布有利于可回收锚杆发展的政策或奖励措施及可回收锚杆的质量、应用标准,提高产品质量进而达到提高市场认可度的效果。四是,设计计算方法研究不够完善。理论发展落后于实践这一直是土木工程有关学科的劣势,同样可回收锚杆技术理论研究一直处于滞后的状态,对锚杆的应力分布情况,锚杆直径、地层类型等因素对锚固效果的影响没有准确清晰的认识。应充分利用理论研究、数值模拟、模型试验等方式,并借鉴动态设计理念形成一套针对可回收锚杆的的设计理念。并且需要加强对特殊情况下的设计研究,比如:高温、冻土、冲击荷载、临近基坑等。