盾構區間預應力錨索處理技術

摘要:隨著盾構技術的日益成熟，盾構區間施工時遇到所需處理的障礙物也越來越多樣，本文重點探討了在盾構區間施工時，預應力錨索的處理。通過對預應力錨索結構的調查，客觀科學的制定了一整套處理技術。

關鍵詞:盾構法 地鐵隧道 預應力錨索 處理技術

1 概述

錨索結構：3φ15.2的預應力鋼絞線，強度等級為1860Mpa，成孔直徑為150mm，打設角度為向下15度。上排錨索設計總長度26.5m，其中錨固段長度為21.5m，自由段長度為5m，張拉力為290kN，達鋼絞線極限破斷拉力的37.4%；下排錨索設計總長度27.5m，其中錨固段長度為22.5m，自由段長度為5m，張拉力為310kN，達鋼絞線極限破斷拉力的40%。

根據勘測資料本場地地下水類型主要為潛水，主要賦存于雜填土、粉土等弱透水土層中，地下水位埋深約為9.5m，水位年變幅度1.0～2.0米，潛水層滲透系數k綜合取值0.5m/d。經前期降水井觀測地下水位為16.9～17.1m，觀測時間2011年10月23日～27日。

地質情況見表1。

2 盾構機難以破壞本區域的預應力錨索的分析

通過對錨索的詳細調查，充分分析盾構機自身掘進破斷錨索的可行性。

2.1 預應力錨索屬于柔性結構，無法通過盾構刀具的切割將其破壞。

2.2 預應力鋼絞線強度高達1860Mpa，是普通鋼筋強度的6~9倍，即便通過加固處理成剛性結構，也很難通過盾構刀具的切割將其破壞。

2.3 盾構破壞預應力鋼絞線的主要機理：①推力破壞（考慮錨索經過張拉有一部分內應力，根據力的合成，初步計算，對破壞垂直盾構隧道的單束錨索的最小推力為158kN，可能一個截面出現兩束錨索，則最小消耗推力為316kN，而本臺盾構最大推力為3165kN，正常掘進推力為1200kN）；②扭矩破壞（本盾構一檔扭矩2620kN·m，二檔扭矩4377kN·m，脫困扭矩5225kN·m，正常掘進扭矩1600~2300kN·m，當兩束錨索作用在距離刀盤中心的半徑小于2.5m時，將可能導致扭矩增大到極限而無法破壞錨索）。

2.4 本區預應力錨索與盾構隧道位置關系有三種情況：①預應力錨索與盾構隧道軸線成37度，并指向盾構始發方向；②預應力錨索與盾構隧道軸線成83度，并指向盾構到達方向；③預應力錨索與盾構隧道軸線成54度，并指向盾構到達方向。當預應力錨索與盾構隧道軸線角度越小則越不利于破斷，當錨索與隧道軸線平行時，為破斷最不利角度。

3 預應力錨索拔除技術

根據對盾構機破斷錨索的機理及錨索結構的基本情況，在盾構通過前，將錨索提前取出，具體取出方法有三種。方案一：明挖大型深基坑，取出錨索；方案二：采用人工挖孔先截斷后取出錨索；方案三：在藍碼帝王大廈地下室試拔錨索（根據設計計算，整束錨索拔出的拉拔力約400kN，而鋼絞線可以提供的拉力約770kN，理論上可以直接拔出）。

3.1 采用人工挖孔先截斷后取出錨索。盾構開挖直徑為6.25m，在盾構隧道中心線兩側分別開外內徑1.2m，中對中間距5.3m的人工挖孔，將預應力錨索截斷后取出。人工挖孔平面布置圖如下：

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圖3-1 挖孔布置示意圖

3.2 錨固體粘結強度復核：當截斷后錨固長度為4.5米時，粘結強度計算如下：

Pt=（Lsa×π×ds×tu）/Fs2 。

Lsa——錨固段長度，取4.5m。

ds——鋼絞線外表直徑，取0.0152。

tu——鋼絞線與水泥砂漿的極限粘結力，按砂漿標準抗壓強度的10%取，則有20×0.1=2.0MPa。

Fs2——錨固體拉拔安全系數。臨時性錨固取Fs2≥1.3

則有:Pt=（Lsa×π×ds×tu）÷Fs2

=4.5×3.14×0.0152×2.0×106÷（1.3×10-3）

=330.4KN＞258.5kN

結論：錨固體粘結強度很大，無法把單根鋼絞線從錨固體中拔出。

3.3 錨固體與孔壁的抗剪強度復核

P=（La×π×dh×t）/Fs2

La——錨固段長度，取4.5m。

dh——鉆孔直徑，取0.15m。

t——錨體與孔壁極限摩阻力標準值，取60kPa(按鄭州地區的地質選取)。

P=（La×π×dh×t）/Fs2

=(4.5×3.14×0.15×60)÷1.3×103×10-3

=97.8KN＜錨索最大承載拉力F′=775.5kN

結論：將錨索截斷后，很容易將錨索整根拽出。

3.4 工作孔開挖。工作孔施工時用人工挖孔，一噸卷揚機提升土碴，并用手推車將土碴棄在遠離孔口處，每挖深1m即作混凝土護壁（護壁混凝土為C25，混凝土護壁厚度15cm），護壁鋼模板作成上小下大，以便混凝土灌注時振搗密實。第一節混凝土護壁頂應高出地面不少于30cm，護壁混凝土內加Φ12的構造筋，且每節護壁均應用Φ12鋼筋連成整體，以防護壁下墜。孔內滲水用潛水泵抽出，孔口應用鋼筋網覆蓋，僅留提碴孔部分，確保施工安全。施工人員不得乘坐提碴桶出入孔，應由爬梯上下，孔內應配低壓照明燈和通風排氣設施，確保挖孔樁施工安全。工作孔開挖施工時要及時作好施工記錄，凡地質發生變化均要隨時請工程師現場確認，并注明取樣標高、編號、巖性、取樣日期，按取樣順序放于碴樣盒內，妥善保管，并有照片等資料。挖孔施工時要求有交接班記錄，雙方簽認，并注明挖孔檢查指標。

3.5 處理周期。根據現場實際情況，按三批挖完，每批開挖40個孔，每個孔配2個人，無水情況，每天開挖2m，見水后每天開挖1m，澆注15cm厚的C20混凝土護壁，挖出錨索后處理時間為2天，工作孔回填時間為2天，則每批處理時間約12天，三批處理時間共計36天。

3.6 處理費用。開挖土方150元/立方，回填75元/立方，護壁澆注（含材料）500元/立方，割除錨索150元/人·天，則處理一個孔的費用為：

（150×1.76＋75×1.13＋500×0.63）×15＋2×150×2=10556元

按120個孔計算總費用為：

F=120×10556＋100000（機械配合費）=1366750元

4 挖孔時的安全控制措施

由于挖孔施工的特殊性，對人工挖孔的方案應進行專門的設計，依據地質與水文資料，設計好護壁的厚度及配筋，制定好開挖與支護的方案，同時加大監測頻率，控制地面隆、沉值。

①防止孔口墜物傷人，孔口護筒頂用鋼筋網覆蓋，僅留提碴和上下人作業口。②挖孔施工時，孔內用低壓照明燈，為防止孔壁坍塌，混凝土護壁應及時澆注，交接班時要有安全檢查記錄，且交、接人均應簽名。③地面變形接近-20mm～+5mm時，盡快找出原因并采取相應措施。④下孔作業間隔時間長，則在下孔作業前應用鳥籠將小鳥放入孔底15分鐘左右，如鳥死亡，施工人員不得下孔作業，應對孔底進行換氣處理，確保挖孔施工人員的安全。⑤挖孔施工人員必須經爬梯出、入孔，不得乘絞碴桶上、下提升碴土的卷揚機和鋼絲繩應經常檢查，不得帶病作業。⑥為確保挖孔施工安全，挖孔施工時孔口不得離人，土碴應棄于安全距離以外，孔口周圍不得有大型機械來往。⑦挖孔提碴桶必須用橡膠制品，且用鐵絲將底兜好，防止掉底現象的發生；同時孔口設有提碴鎖定裝置，確保挖孔樁施工安全。⑧高空作業安全技術要求，嚴格按照《高空作業安全規程》進行施工。

5 結束語

通過對預應力錨索處理技術的研究，及時總結施工參數，施工工期滿足總體籌劃的要求，錨索處理徹底，消除了盾構在錨索區掘進的風險，同時確保了地面建筑物的安全。為后續類似地下障礙物處理提供了成熟的經驗。

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