預應力錨桿技術在基坑支護工程中的應用實踐

曾靜影

廈門特房建設工程集團有限公司（361003）

預應力錨桿技術在基坑支護工程中的應用實踐

曾靜影

廈門特房建設工程集團有限公司（361003）

這里結合工程實例，講述了預應力錨桿支護的作用原理、特點、施工程序、應注意的問題和監測內容。

預應力錨桿；施工工藝；基坑監測

隨著城市建設的發展,高層建筑的大量涌現，大開挖深基坑越來越普遍，基坑支護施工成為建筑施工的重點和難點。預應力錨桿結合圍護樁的支護體系由于其經濟合理、安全可靠，在深基坑和邊坡支護中越來越廣泛地被采用。

1 工程概況及現場地質條件

廈門特房筼筜溫莎公館項目位于湖里區雙浦路與金昌路交界處東側，由四棟高層建筑及部分商業建筑構成，基坑面積20 840m2，設一層地下室，主樓采用預應力管樁復合地基，基坑開挖深度4.70～9.00m，基坑周邊長約710m。基坑北側為市政綠化用地,西側和南側為城市的主干道及建筑物，東側緊臨社區住宅，場地放坡空間有限。

基坑邊坡巖土性質自上而下為雜填土、粉質黏土-黏土、粉質黏土、殘積（砂質）黏性土。除雜填土層外均為弱透水層，其富、透水性差。本工程按二級基坑進行設計，基坑側壁重要性系數為1.00。

2 基坑支護方案的選擇與設計

2.1 基坑支護結構方案選擇

如何在施工中采用經濟合理，又能保證施工工期的深基坑支護方案是整個工程施工順利的前提與基礎。深基坑支護根據基坑開挖深度、地質條件及周邊環境的不同有不同的施工方案。支護樁加設內支撐方案工期長、工程造價高；逆作法造價高、工藝復雜、工期長；復合型錨噴墻支護方案位移變形較大，易對周邊環境造成極不利影響。樁錨式支護結構工期較短，工程造價較低，不影響地下室結構施工，適合本工程施工要求。綜合以上所述，該工程確定采用鉆孔樁+預應力錨桿支護方案。

2.2 預應力錨桿設計

預應力錨桿桿體材料可選用鋼鉸線、高強鋼絲或高強螺紋鋼筋。當預應力值較小或錨桿長度小于20m時，預應力筋也可采用HRB400級或HRB335級鋼筋。

①錨桿預應力筋的截面面積應按下式確定：

式中：K—錨桿桿體的抗拉安全系數，按《巖土錨桿(索)技術規程》（CECS22：2005）選取；Nt—錨桿的軸向拉力設計值;fptk—鋼筋、鋼鉸線的抗拉強度標準值。

②錨桿錨固段長度的確定：

式中：K—錨桿錨固體的抗拔安全系數；按《巖土錨桿(索)技術規程》（CECS22：2005）選取；Nt—錨桿的軸向拉力設計值；d—錨桿錨固段的鉆孔直徑；f—錨固段注漿體與地層間的黏結強度。

2.3 支護結構與錨桿設計

支護結構排樁采用Φ800mm@1800mm旋挖灌注樁。預應力錨桿應采用單排設置，水平間距為1 800mm。預應力鎖定值為200 kN，設計采用Φ150錨孔,拉桿采用3Φs15.2鋼絞線。

3 預應力錨桿支護的作用原理及特點

3.1 預應力錨桿支護的作用原理

預應力錨桿是一種將拉力傳至穩定巖層或土層的結構體系，主要由錨頭、自由段和錨固段組成。錨頭是桿外端用于錨固或鎖定錨桿拉力的部分；自由段是指將拉力傳遞至錨固段的桿體部分，其與錨頭的共同作用實現預應力施加；錨固段是指通過注漿體或機械裝置將拉力傳遞到周圍巖層或土體的桿體部分。整個結構體系依賴桿體強度、桿體與錨固體的握裹力、錨固體與地層間的黏結強度共同作用來承受作用于支護結構上的荷載。

3.2 預應力錨桿的特點

預應力錨桿在錨桿安設后通過對桿件施加拉力，使錨桿處于受拉狀態，從而對介質預先施加一定的壓應力,改善巖土的受力狀態，并達到加固巖土體的目的，是一種主動加固方法。預應力錨桿相比非預應力錨桿有以下特點：1）通過預應力桿體鎖緊巖層介質,對圍巖主動、及時地提供支護抗力,使巖土處于三軸應力狀態,以保持圍巖的固有強度。2）提高潛在滑面上的抗剪強度,有效阻止邊坡的位移。3）按一定密度布置錨桿，施加預應力后能在地層內形成壓縮區，有利于地層穩定。4）通過張拉，能檢驗錨桿的承載力質量。5）施工工序比非預應力錨桿復雜。

4 預應力錨桿施工工藝及控制要點

施工工藝流程：鉆孔→錨桿體制作安裝→灌漿→張拉鎖定。

4.1 鉆孔

1）錨桿采用了“壓水鉆進成孔法”，結合跟管鉆進工藝成孔，以避免施工過程中出現水土流失的情況。2）為保證鉆孔的直線形及鉆進過程中不塌孔，防止松散砂層在高壓水的擾動下產生管涌事故，砂層范圍內設置了護壁套管鉆進以封閉流沙，護壁套管采用巖芯鋼管。3）鉆進時要不斷供水沖洗，而且要保持孔口的水位；水頭壓力應控制在0.15～0.30mPa。4）鉆孔深度應超過設計長度0.5～1.0m，以利于注漿及保證錨桿底部范圍內無沉渣。5）鉆孔完成后,應繼續用壓力水沖稀殘留在鉆孔中的土屑，直至流出清水為止，成孔后應及時進行驗收，安裝錨桿并進行注漿處理。

4.2 錨桿體制作安裝

1）錨桿體制作：錨桿體材料采用3Φs15.2強度等級不小于1 860mPa預應力鋼絞線。錨體總長度為20m（未含預留張拉外露長度），其中自由段長度為6m，錨固段長度為12m，嚴格按設計尺寸下料，每根長度誤差不大于50mm。錨桿材料下料前應除去表面污漬，不得扭曲鋼絞線，死彎鋼絞線嚴禁使用。錨體自由段涂防銹黃油二道，外包塑料布兩層。結構錨體定位支架采用專用隔離架確保錨桿保護層厚度，隔離架間距1 500mm。2）錨桿體安放：錨桿鉆孔至設計深度并清孔后，將制作好的錨桿體安放到鉆孔內，注漿管應與錨桿綁扎牢固一并插入孔中，錨桿插入孔內深度不應小于錨桿設計長度的95%，亦不得超深，以免外露長度不足，錨桿體放入孔內后，預留外露張拉長度大于1m以上。注漿管的內端距鉆孔底端距離為50～100mm。同時二次注漿管的出漿孔和端頭應密封，保證一次注漿時漿液不進入二次注漿管內。二次高壓注漿管應能承受二次高壓注漿的壓力,要求每0.5m開小孔兩個，外用工程膠布綁扎。

4.3 灌漿

注漿采用二次高壓注漿工藝，漿液采用純水泥漿,水灰比0.45～0.55,注漿體強度不低于30mPa；漿液應攪拌均勻,并過篩，隨攪隨用，應在初凝前用完。

1）第一次灌漿：錨桿體安放入孔后半小時內應進行一次常壓注漿,從孔底向上直至孔口溢漿為止，待漿面下降至一定位置后應進行補漿，以保證注漿飽滿。2）第二次灌漿：二次高壓注漿在一次常壓注漿形成的水泥結石體強度達到5.0mPa后，且一次注漿初凝后終凝前(一般為3～5 h)進行。二次注漿達到孔口或地面冒漿后方可停止注漿。漿液制備與一次常壓注漿相同，注漿壓力控制在2.0～3.0mPa。在施工過程中要嚴格記錄水泥用量，灌漿量約為一次灌漿量的40%～50%。

4.4 預應力張拉鎖定

1）張拉機具安裝：張拉作業在錨固體與臺座混凝土強度均達到15mpa以上時進行，孔口的承壓墊座必須平整、牢固、孔口對位，且承壓面應與錨孔軸線垂直，使千斤頂對鋼絞線施加張拉應力的方向與錨桿的軸線方向一致，保證鋼絞線軸心受力。2）預張拉：正式張拉前,應先逐束鋼絞線按10%～20%設計荷載進行預張拉兩次,使其各部位接觸緊密、鋼絞線完全平直。3）張拉鎖定：按設計要求錨桿張拉至設計拉力Nu值，持荷10min后卸荷至鎖定荷載進行鎖定，鎖定荷載為設計荷載的0.4～0.5。4）錨桿鎖定后如發現明顯預應力損失應進行補償張拉。

5 預應力錨桿支護施工需注意的問題

1）由于錨桿鉆孔時可能會遇到地下管線而對其造成破壞，導致水管破裂、煤氣泄露、通信中斷等問題，因此，對基坑周邊環境尤其是水、電、煤氣、通訊管線要了解仔細，污水管及廢棄水管也要仔細了解，甚至臨近基坑管道閥門位置也要了解清楚。2）采用分層、分臺階、分段開挖，開挖一段后立即施工錨桿，盡可能做到錨桿施工緊跟開挖工作,這樣可使未施工錨桿的已暴露坑壁面積最小、暴露時間最短,從而取得坑壁位移最小的效果。3）采取間隔鉆孔灌漿、間隔張拉鎖定的施工順序，可降低相鄰錨桿對承載力的影響。間隔鉆孔灌漿可避免相鄰錨桿漿液在尚未終凝時相互擠壓，造成充盈系數降低，從而降低錨桿承載力。間隔張拉鎖定可避免錨桿張拉后土體應力尚未完全擴散前，相鄰錨桿張拉時對該錨桿土體施加外部剪切應力，降低土體對錨桿的握裹力，從而降低錨桿承載力。4）施工中應考慮水的影響，錨桿的錨固體多埋設于黏土或粉質黏土中。這些土質浸水后土體的強度及變形等力學特性急劇劣化，易導致基坑壁變形增加，因此應做好基坑降排水措施。

6 基坑支護監測結果、檢驗

深基坑支護監測可直觀地反映基坑支護結構的實際受力情況，對基坑支護結構是否安全可靠提供直接的證據。為了確保基坑支護結構及周圍設施的安全,對基坑支護結構進行監測是十分必要的。該基坑監測內容包括樁頂水平位移、周圍地面沉降、地下水位及基坑邊坡土體水平位移等，監測工作從土方開挖至基坑回填完結束。

1）本基坑支護工程施工，共設47個水平位移觀測點、77個豎向位移觀測點（含建筑物沉降監測點30個）、23個地下水位觀測點、32個測斜觀測點。

2）監測預警值指標

①樁頂最大豎向位移值已達到20mm，或其變化速率已連續三日達到2mm/d。②基坑周邊地表最大豎向位移值已達到20mm，或其變化速度已連續三日達到3mm/d。③支護結構個別出現開裂、位移突變。④地下水位變化累計達到1 000mm,或其變化速率達到500mm/d。

3）基坑監測要求

基坑開挖深度小于5m時，每2天監測1次;基坑開挖深度為5m～坑底時，每1天監測1次；底板澆筑后7 d內，每1天監測2次；底板澆筑后7～28 d，每1天監測1次；底板澆筑28 d后，每3 d監測一次；內支撐開始拆除到拆除完成后3 d內，每1 d監測1次；當遇到監測數據達到報警值或其變化速度較快、基坑及周邊大量積水、長時間連續降雨等異常情況時，應適當增加監測次數。

4）監測結果

①從各期位移量成果表顯示，水平和豎向位移在基坑土方開挖和錨桿施工期間隨施工日期的延續增加，后期預應力錨桿施工完成逐漸趨于穩定,最大水平位移量為-30mm,最大豎向位移量為-18mm。其余各點位移量較小。鄰近的建筑物未因邊坡沉降或位移而發生裂縫和傾斜，達到設計預期效果，保證基坑圍護及建筑物的結構安全。②地下水位變化幅度在1.0m范圍內，無異常波動，后期隨著進度變化較小。測斜觀測點最大數值達到18mm，其余各管點均小于10mm，土體測斜表明鎖口梁以下基坑支護段，坑壁土體穩定。

5）錨桿的試驗與檢驗

本工程共施工312根錨桿，按5%選取16根進行驗收試驗。試驗結果表明，全部錨桿均通過了設計荷載。彈性變形符合設計要求，未出現破壞現象。

7 結語

由于設計合理，施工認真，本基坑工程順利完成施工。基坑土方開挖后，在整個錨桿發揮作用期間，錨桿頂部土層無明顯變形，達到設計預期效果，保證基坑圍護結構的安全。

目前，錨桿施工工藝領先于其設計理論，因此在施工中必須充分考慮現場環境、工程地質條件以及工程要求，確保基坑圍護施工取得良好的經濟效益及社會效益。

[1]JGJ 120－2012,國家建設部《建筑基坑支護技術規范》[S].中國建筑工業出版社,2012,10.

[2]CECS 22:2005,中冶集團建筑研究總院《巖土錨桿(索)技術規程》[S].中國計劃出版社,2005,8.

[3]GB 50497-2009,中華人民共和國住房和城鄉建設部《建筑基坑工程監測技術規范》[S].中國計劃出版社,2009,9.