论城市道路交叉口下穿（沉）式隧道工程中的锚杆施工技术_论文发

所属栏目：建筑设计论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:244

副标题#e#摘要:本文主要针对在建的广州市猎德大道与金穗路交叉口下穿（沉）式隧道工程中基坑支护预应力锚杆的施工方案、施工方法及工艺和施工技术要点进行了论述。
　　关键词：下穿（沉）式隧道；基坑支护；预应力锚杆施工技术
　　锚杆是基坑及地下工程的主要支护手段，在设计及施工中被普遍的采用。因本工程需要严格控制支护结构变形，采用的是预应力锚杆，锚杆采用3～5根钢绞线束。
　　1工程概况
　　广州市猎德大道与金穗路交叉口下穿（沉）式隧道工程，隧道结构呈东西走向全长475m，分东、西敞开段与暗埋段三部分。其布置为：160m（敞开段）+150m（暗埋段）+165m（敞开段）。隧道基坑采用明挖式施工，隧道基坑支护根据隧道埋深（基坑深度）分：①放坡开挖；②拉森IV型钢板桩支护；③悬臂式支护桩；④悬臂式支护桩+预应力锚杆四种类型。其中当基坑深5.0m～7.8m，采用悬臂式支护桩+一道预应力锚杆；当基坑深7.8m～9.7m，采用悬臂式支护桩+二道预应力锚杆；当基坑深9.7m～14.0m，采用悬臂式支护桩+三道预应力锚杆。
　　2锚杆设计要求
　　1）预应力锚杆设计直径为Φ150mm，锚索采用7Φ5mm钢绞线，为便于张拉施加预应力，在锚端处统一预留锚索余长1.5m,锚杆水平间距为1.4m。
　　2）基坑深5.0m～7.8m，采用悬臂式支护桩+一道预应力锚杆，截面为3×7Φ5mm钢绞线预应力锚杆（A型）：长29m,自由段8m，锚固段21m，预加力锁定值N=300KN，设计轴力480KN，钻孔入射角30º。
　　3）基坑深7.8m～9.7m，采用悬臂式支护桩+二道预应力锚杆，第一道预应力锚杆截面为3×7Φ5mm钢绞线（B型）：长26.5m,自由段9m，锚固段17.5m，预加力锁定值N=200KN，设计轴力386KN，钻孔入射角30º；第二道预应力锚杆截面为3×7Φ5mm钢绞线束（C型）：长24.5m,自由段6.5m，锚固段18m，预加力锁定值N=250KN，设计轴力470KN，钻孔入射角30º。
　　4）基坑深9.7m～14.0m，采用悬臂式支护桩+三道预应力锚杆，第一道预应力锚杆截面为4×7Φ5mm钢绞线（D型）：长26.5m,自由段10m，锚固段16.5m，预加力锁定值N=300KN，设计轴力595KN，钻孔入射角45º；第二道预应力锚杆截面为5×7Φ5mm钢绞线（E型）：长23m,自由段8m，锚固段16m，预加力锁定值N=300KN，设计轴力570KN，钻孔入射角45º；第三道预应力锚杆截面为4×7Φ5mm钢绞线（F型）：长18m,自由段7m，锚固段11m，预加力锁定值N=300KN，设计轴力485KN，钻孔入射角45º。
　　5)锚索安装：安装前锚索要求顺直，锚索自由段用聚氯乙稀管套护并扎紧两端，锚索设隔离架，隔离架间距为2m。锚索入钻孔时与轴线应重合，锚索长度必须满足设计深度。
　　6)注浆：锚杆注浆材料采用水灰比0.45～0.50的水泥浆，设计强度不应低于20MPa。注浆管管径为25mm，采用一次注浆。注浆管与锚索一同送入孔底，管口距孔底150mm以利出浆，注浆过程中逐渐拔管并保持管口始终埋在水泥浆内。注浆压力为0.5~1.5Mpa。
　　7)锚杆施加预应力张拉与锁定：注浆养护15天后，待锚固体强度大于16MPa并不小于设计强度的80%，即可进行预应力张拉。锚体张拉，应分两次进行，第一次张拉按五级张拉（即设计轴力的25%，50%，75%，100%，110%五级），前四级张拉稳定时间为6分钟，后一级为30分钟，然后进行锁定，锁定轴力为锚索轴力设计值的0.6倍。
　　8）监测与第二次张拉：因需要严格控制支护结构的变形，锚索每隔15根左右在进行锁定前，装上轴力测定器一起锁定。第一次张拉后6～10天根据监测信息，如预应力损失明显损失时，应再进行一次补偿张拉。以便补偿锚索的松弛和地层的蠕变等因素造成的预应力损失。
　　3预应力锚杆施工工艺
　　(1) 钻进成孔：
　　由于基坑平面面积较小，因此施工设备以小型和轻便型为主，采用XY-1型地质钻机成孔。预应力锚#p#副标题#e#索钻孔口径为150mm，倾角按设计图为30°、和45°。为防止塌孔及便于锚索安装，须将护孔套管与钻杆同时钻入。
　　(2) 锚索制作及安装入孔：
　　锚索采用7Φ5mm钢绞线，按设计长度下料后，沿杆身@2m设隔离板。隔离板可采用模制的PVC固定环，与钢绞线绑扎固定。锚索按设计长度在地面制作好后才整体安装入孔，入孔时须顺直放入至孔底，外露长1.5m作为锚索锁定。锚索安装完拔出护孔套管。
　　(3) 清孔
　　注浆前采用BW-150型柱塞泵往复式压浆泵进行大泵量清孔3~5分钟，把孔内沉渣和孔壁泥皮冲洗干净后才能开始注浆。
　　(4) 水泥浆配制及注浆：
　　采用高速大功率搅拌筒搅拌水泥浆，按设计要求采用32.5R水泥拌制水泥浆，水灰比0.45～0.50。根据工期要求，掺入适量早强剂，以增加锚固体的早期强度。注浆泵采用2SNS型或BW-150型注浆泵，注浆压力为0.5—1.5Mpa。
　　（6）张拉、与锁定：张拉前应对张拉设备进行标定，作为张拉的依据。在正式张拉前用10%或20%的设计轴力进行张拉，以便锚索各部位接触紧密，索休完全顺直。然后按设计要求张拉并锁定。
　　4锚杆施工前准备工作
　　根据隧道基坑东西端对称的特点，分东、西区平行作业，各区进钻孔机四台作业，每台作业人员五人（一人操作钻孔机，二人安拆钻杆和套管，二人制作锚索（束））。钻机操作手一般为机长，具备丰富的施工经验，随着钻孔深度加深地质的变化，机长一般能作出正确的判断，从而改进钻进方法。在土层段采用导向合金钻具成孔；岩层段采用金刚石钻进或潜孔锤冲击钻进。同时还要有一定的机械维修能力，当机子出现一些常规或常见的障碍，能快速清除以使作业顺利进行。钻杆接长长度要大于锚杆的设计深度；套管管壁厚度应不小于2mm，与钻杆一样具有螺丝接长功能，长度与钻杆长度基本一致。锚束根据基坑的深度和支护的位置不同而有不同的设计类型，施工前一定要熟悉施工图和作好施工交底。不同类型锚束中的每根锚索长度为：L=1.5米孔口外预留长度+Ls自由端+Lo固定端，钻孔角度详见上面的设计要求。自由端一定要用Φ20mmPVC管套住，并且两端封死牢固。锚体入孔首端应固定成束并用编织袋或麻袋捆绑于其上，目的是增大与孔壁的接触面，防止锚索（束）插入孔壁影响锚体的继续贯入。钢绞线应采用高强度低松驰的，抗拉标准强度fpk=1860MPa，抗拉设计强度fpd=1260MPa，抗压设计强度fpd=390MPa，预应力锚固体系采用厂家定型系列锚具，锚具应由锚环、夹片各承压板组成，具有补偿张拉和松弛的功能，其承载能力不应低于650KN。
　　5锚杆试验，施工机械与施工工艺改进
　　因锚杆施工工艺复杂，质量控制难度大，特别是本工程量大，工期较紧。故需要进行锚杆施工的试验，以检验施工工艺的合理性和施工机械的适应性。选取在东敞开段K0+495~K0+505北侧进行锚杆施工的试验。钻孔机采用XY-1型地质钻机，入孔角度为30°，用泥浆循环方法对孔壁进行护孔并钻入成孔。
　　三根预应力锚杆试验施工（采用XY-1型地质钻机）：
　　（1）第一根锚杆在入孔深度约4米处，遇到较大石块或碎石（原路基填筑物），钻入速度很慢或几乎不能钻入，这种情况下，经设计、业主、施工、监理各方协商一致同意，稍偏改小入角度（约28°）以避开石块或碎石障碍物顺利钻入成孔。但从开孔到成孔（按设计深度），已耗时约四个小时。
　　（2）清孔、抽出钻杆，放入锚杆（索），因锚杆由好几根（3~5）锚索组成的锚束，入孔首端应固定成束并用编织袋或麻袋捆绑于其上，目的是增大与孔壁的接触面，防止锚索插入孔壁影响锚索的继续贯入。但在将锚束贯入深度（长度）约`14米时，再也无法贯入，拔出锚束，经检查附着于端头麻袋上的残渣，可判断是遇到砂层或淤泥砂层并已塌孔。只得再次钻入通孔和清孔，接下来的重新贯入#p#副标题#e#锚束、清孔、注浆还算顺利。但这根锚杆从开孔钻入到注浆完成已耗时约7个小时，注浆量比理论计算值多出约25%，经判断是塌孔需通孔时造成的扩孔，故注浆量增大。
　　（3）重复上面工序在第二根锚杆施工时，情况与第一根差不多，在遇到中风化层或岩层时，入孔速度较慢；遇到砂层或淤泥层时，容易出现塌孔；耗时约6个小时。
　　（4）第二天，第三根锚杆施工还算顺利，耗时约3个多小时。
　　（5）经总结，参建各方单位协商一致确定：①本工程量大，工期较紧，XY-1型地质钻机这种钻孔机成孔速度慢，成孔质量差，不利于工期控制与质量控制，应该选取其他先进的施工机械，如：MG-50型锚杆机，能快速穿透岩层或中风化层，成孔速度快。②本工程地处珠江三角洲冲积区，淤泥层、淤砂层、砂层较多，故在施工工艺上需加以改进，在开始钻孔时，需加上套管或跟随管一起同时钻入。
　　（6）要求锚杆施工队，将钻孔机械换成MG-50型锚杆机进场，并按改进工艺进行施工试验。施工试验共完成四根锚杆，每根锚杆从开孔钻入到注浆完成耗时平均约3个小时，没出现塌孔情况，水泥浆注浆量略大于理论计算値。孔口用纺织袋等物体进行封堵，以防浆液外溢。
　　（7）对锚体进行养护15天，当锚固体强度达到设计所要求，即可进行锚杆抗拔试验检测。对两种不同施工机械施工的两组锚体进行了分级张拉。MG-50型锚杆机施工四根锚体的在各级拉力荷载及持载相应位移量均能达到设计和验收规范的要求。XY-1型地质钻机施工三根锚杆，有两根在张拉力接近100%设计轴力时，压力表指针出现左右摆动，读数不能加大，继续加大油压以加大拉力，情况还是一样：压力表指针只是左右摆动，读数不能加大 。第三根锚体是在张拉力接近110%设计轴力时，才出现上述情况。按设计要求和规范要求（能承受1.2设计轴向拉力且锚索伸长量不超过2mm），这三根锚杆施工质量是不符合要求的。可见，改选用新型施工机械和加以改进施工工艺是正确、及时的（工艺改进流程图详见上图，蓝色字体文字为工艺改进）。 
　　6锚杆施工过程中的主要技术保证措施
　　（1）锚杆钻机开始施工前必须用枕木垫稳，前后设承动载支撑，操作位铺设机台板，准备就绪后才能开钻。
　　（2）上覆土层采用三翼导向钻具钻进，钻进参数用中等转速，控制进尺速度，保证孔壁成型完好，孔内钻渣及时返出。
　　（3）对于较硬岩层，应采用风动潜孔锤冲击钻进，冲击钻进参数为慢转速大压力，用9m3空气压缩机为动力。
　　（4）深部岩石采用金刚石高速钻进，钻进参数为高转速中等压力，循环液加入润滑剂并作特别沉渣过滤处理。
　　（5）钻孔直径φ150mm，钻孔深度误差为+200~+300mm，起钻前应进行一次清孔，把孔内沉渣清除干净。
　　（6）钻孔终孔后应及时安装锚杆和注浆，以防止坍孔。
　　（7）锚杆对中支架沿杆身@2m设置，要求对中支架直径φ140mm，保护层厚度大于10mm。
　　（8）锚索自由段套入φ20mm胶管并绑扎固定，以隔离水泥固结体。
　　（9）注浆材料采用32.5R普通硅酸盐水泥，水泥浆固结体强度不小于M25。根据工期需要，适当掺入早强减水剂。
　　（10）采用高速搅拌筒，先定量加水，开动搅拌机后逐包加入水泥，搅拌3~5分钟至水泥浆充分均匀后再经滤网放入储浆池使用。
　　（11）注浆管端部绑扎在锚索上，与锚索一起安装入孔内，锚杆和注浆管均要下至孔底。注浆管采用φ25mmPVC管。
　　（12）注浆泵采用BW-150型柱塞往复式压浆泵。注浆前先进行大泵量二次清孔2~5分钟，至孔内沉渣和孔壁泥皮冲洗干净后马上注入水泥浆自下而上注满锚孔。注浆压力为0.5~1.5Mpa。
　　（13）注浆完成后拔出孔内软管，清洗浆泵及注浆管路。待1~2小时后对孔口补浆，填满孔口浆面至不再下沉为止。
　　7锚杆的张拉与锁定、及验收
　　注浆养护15天#p#副标题#e#后，待锚固体强度大于16MPa并不小于设计强度的80%，即可进行预应力张拉。按五级张拉（即设计轴力的25%，50%，75%，100%，110%五级），前四级张拉稳定时间为6分钟，后一级为30分钟，然后进行锁定，锁定轴力为锚索轴力设计值的0.6倍。张拉前，应对张拉设备进行标定，张拉设备采用YCW100千斤顶和2B4500油泵车。正式张拉前应取20%的设计张拉荷载，对其预张1~2次，使其各部位接触紧密，钢绞线完全平直。按上面要求分级张拉，每级持荷稳压6分钟并测量锚杆位移量。锚索锁定后48小时内，若发现预应力损失大于锚杆拉力设计值的10%时，应进行第二次补偿张拉。
　　预应力锚杆验收试验锚杆数量不少于总数的5%，且不得少于3根。根据广东省标准《建筑地基基础检测规范》（DBJ15-60-2008）要求，临时性支护预应力锚杆（本工程）的最大试验荷载应取其轴向拉力的设计值的1.0~1.2倍。验收试验也是分级加荷，超始荷载宜为设计值的30%，分级加荷值分别为拉力设计值的0.3、0.5、0.75、1.0、1.2。最后一级荷载作用下的位移观测期内，锚头位移相对稳定或持载2小时蠕变量不大于2.00mm，视为锚杆张拉试验合格。位移相对稳定标准：最大试验荷载持荷时，后五分钟的位移增量小于前5分钟增量，并连续出现两次。
　　8结论
　　1）预应力锚杆工作原理
　　预应力锚杆工作原理与我们经常接触的预应力梁工作原理是相同的，当一定跨度的梁在自重和行车荷载的作用将产生的一定挠度，为了消除和克服这种挠度，在梁的内部预先施加预应力来予以抵消。关于预应力锚杆，因为基坑越深，外露支护桩（水泥混凝土冲孔灌注桩）的长度（桩顶至基坑底面的长度）就越长，即支护桩的自由端就越长，在土体侧压力或土体蠕动的作用下，将会产生一定的位移；同理，为了消除和克服这种位移，给支护桩（锚杆）预先施加预应力来以抵消（注意，支护桩通过腰梁及锚固在腰梁的锚杆连成一个结构体共同受力）。预应力梁一般通过两端双控张拉锚索，然后锁定、灌注水泥浆、封锚，从而获得预应力。预应力锚杆一般是将锚束（索）放入足够深的钻孔中，注水泥浆使固结段在养护一段时间形成一定的强度后（即固结在土体中），然后采用单控张拉锚索的自由端，从而使锚杆获得预应力。
　　2）预应力锚杆的应用
　　本隧道主体工程位于珠江新城商务中心区附近，道路两侧的商务写字楼或商务住宅楼已基本建成，且在建时还要保证原道路两侧通车，当其坑深度超过5米受施工作业面的影响采用较经济的逐级放坡支护开挖施工是不可能的。本工程基坑开挖最大宽度约25米，采用支护桩+钢（钢管或型钢）对顶支护也并不理想，25米的跨径很难保证对顶的稳定性，就算是采用多道对顶保证了对顶的稳定，但又影响了随后施工的遂道主体施工空间。又因要保证原道路两侧通车，即要保证基坑两侧道路行车安全，这说明了基坑支护不但要稳定，还要严格控制基坑的变形（位移）。本工程采用支护桩+预应力锚杆支护是正确的。但是锚杆施工工艺复杂，工序繁多，施工质量较难控制；特别是作为临时支护工程，在主体工程施工完成后还要对其进行拆除（不拆除将成为周边工程施工的障碍物），故在成本投资上也是较大的。
　　参考文献：
　　(1)《锚杆喷射混凝土支护规范》（GB50086—2001）
　　(2)《建筑地基基础检测规范》（DBJ15—60—2008）（广东省标准）
　　(3)《隧道基坑支护工程施工图设计》