預應力錨索在地鐵施工中的應用

唐鵬軍

摘 要：預應力錨索在地鐵深基坑圍護結構體系中發揮了較強的作用，預應力錨索支護可以提供開闊的施工空間極大方便土方開挖和主體施工，其設計方案和施工的流程以及施工過程中的注意事項成為基坑支護體系的安全和質量的重要保證。本文以某地鐵主變電站基坑支護工程為背景，詳細介紹預應力錨索施工的施工工藝及預應力錨索質量與安全施工保證措，為類似基坑支護工程的施工提供借鑒。

關鍵詞：預應力錨索 施工工藝 地鐵 安全和質量保證措施

中圖分類號：U473 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（c）-0000-00

隨著城市地鐵建設的日趨增加，不同地區不同地質水文條件下地鐵基坑施工遇到的很多的問題，比如地下水的變化引起的鄰近建筑物的不均勻沉降、深大基坑的支護力嚴重不足問題引起周邊建筑及地面過大變形以及施工的安全等，而地鐵基坑的圍護結構采用了巖土錨固技術中的比較常見的預應力錨索支護體系較好的解決了這些問題。預應力錨索支護體系的施工工藝以及加固的機理在地鐵深大基坑施工中缺乏經驗和理論支撐，且其支護效果受到基坑的水文地質條件、材料強度、張拉角度等因素的影響，不同地區的不同條件下的支護體系也不盡相同，制定出針對場地特點以及施工條件的預應力錨索施工方案和工藝，是提高和增強基坑支護效果及質量的重要保證。

1 工程概況

1.1 工程概況

地鐵某主變電站設計為全地下變電站，總長54.2米，寬27.3米，地面局部一層，地下三層，地下結構型式為框架剪力墻結構，變電站覆土厚度為1.2米，樓頂板為250mm，地下一層層高5.24米，底板厚度為180mm，地下二層高4.8米，底板厚度150mm，地下三層層高5.76米?；硬捎妹魍诜ㄊ┕ぃ瑖o結構采用鋼筋混凝土排樁加預應力錨索的組合體系，設五排預應力錨索（一樁一錨），錨索水平間距為1.5米，鋼筋混凝土排樁體系施工完成且混凝土齡期滿足要求后，進行預應力錨索施工，過程中采用分層錨固分層開挖的原則，且分層開挖厚度不宜大于3.5米（錨索間距約為3m），基坑錨索支護段橫斷面如圖1所示。基坑圍護樁采用Φ1000mm間距1.5米的鉆孔灌注樁，錨索施工采用入射角（水平向下）15°布設預應力錨索、間距1.5米，錨索孔孔徑150mm上下共設5道錨索。錨索索體材料采用1860級4ΦS15.2mm鋼絞線，OVM錨具，極限抗拉強度1860MPa。圍檀材料采用2根Ι22b工字鋼通過鋼板連接雙拼。

2 工程地質和水文地質

2.1 地層

根據中交第一公路勘察設計研究院有限公司2014年3月提供的《西安市地鐵三號線博文路主變電站巖土工程勘察報告》表明，基坑開挖揭露及基坑支護穩固體形成時所遇地層主要有人工填土，第四系全新統沖積黃土狀土 （Qal/4）、上更新統殘積古土壤（Qeol/3）及沖積粉質粘土及中砂 （Qal/3）。各層土的野外特征簡述如下：

雜填土①-1 （Qml/）：色雜，松散，主要由黏性土（黃土狀土）、磚瓦碎塊及植物根系等組成，土質不均勻。該層遍布整個場地，厚度1.30～2.40m。

素填土①-2 （Qml/）：黃褐色，松散，主要由黏性土（黃土狀土）、組成，土質不均勻。主要分布在場地西側，厚度1.50～3.70m。

黃土狀土②（Qal/4）：褐黃色，具大孔、蟲孔和植物根孔，含蝸牛殼碎片及云母碎片。土質較均勻，堅硬，局部呈可塑～硬塑。該層厚度3.60～7.00m，層底深度7.30～9.20m。

古土壤③（Qeol/3）：褐紅色，可見蟲孔及針狀孔，含鈣質條紋及鈣質結核。土質不均勻。硬塑， 局部可塑。該層厚度3.00～4.90m，層底深度11.50～12.60m。

中砂④（Qal/3）：灰黃色；密實；稍濕。主要成分為石英、長石等。層厚0.50～1.5m，該層以薄層或透鏡體形式賦存于粉質粘土層中。

粉質粘土⑤（Qal/3）：深灰色～灰色，可見氧化鐵錳質斑紋、云母及蝸牛殼碎片。局部夾粘土團塊。土質較均勻，可塑。該層厚度19.30～21.50m，層底深度32.70～34.00m。

2.2 地下水

根據中交第一公路勘察設計研究院有限公司2014年3月提供的《西安市地鐵三號線博文路主變電站巖土工程勘察報告》表明：

場地地下水水位埋深為21.00～21.80m，相應高程為388.38～389.35m，基坑底部高程為391.80m，基坑開挖深度位于地下水位以上約2.40m，故本基坑支護設計不涉及基坑降水。但由于場地地下水埋深受西側在建工地降水影響，故應進行場地地下水位觀測。

2.3不良地質作用

勘察結果表明，場地及附近未發現影響場地穩定性的不良地質作用。

3 預應力錨索施工工藝

3.1 錨索施工施工流程

依據本場地的特點和施工規范，如圖2給出了預應力錨索施工的施工工藝，其順序依次為土方開挖、測量定位、鉆機就位、打鉆孔、預應力錨索編制、下錨、洗孔和初次注漿、二次注漿、圍檀制作、鋼墊板加工、張拉鎖定，完成一定深度的土方開挖后，根據上面的順序再施工，依次循環到設計開挖深度，在中間開挖深度時，可以同時進行錨索編制和鋼墊板的加工以期提高施工的效率，減小在深基坑施工過程的不必要的附加變形。

3.2錨索鉆孔

3.2.1 錨索施工準備

按照基坑設計的要求，錨索施工緊接土方開挖進行，基坑土方開挖采取分層開挖，當每層土方開挖至錨索孔位下0.5米高程時，平整開挖面后進行錨索施工。

3.2.2 鉆機就位

依據場地的類別、錨固深度、角度和孔徑選擇合理的鉆機，土層中較為普遍采用工程鉆機機械成孔，成孔前先測量放樣準確定出錨索孔位，并編號標識。鉆機就位后首先調整鉆桿與水平方向的夾角，使其與設計相符合。鉆進采用無水鉆進，鉆機鉆孔過程中應注意鉆孔速度，成孔后檢查孔深是否符合設計要求、有無縮孔等現象。檢孔完成后，將孔口暫時封堵，以免雜物進入孔內。根據鉆機特點，鉆機的工作面寬度不小于5m，鉆機的安放要正平穩固。

3.2.3 鉆孔

測量放點定出錨索孔位之后，于孔位上支設鉆頭，調整好角度，鉆孔的傾角和方向應該符合設計要求，為了防止鉆孔不發生變徑和扭曲，依據鉆機的特點以及地層的特點，鉆機鉆孔過程中嚴格控制鉆孔速度，鉆進過程中應循環清孔，如土層容易塌孔，應進行固壁處理，如灌水泥漿，成孔后檢查孔深是否符合設計要求、有無縮孔現象。檢查完成之后，將孔口暫時封堵，以免雜物進入孔內。

成孔精度一般應滿足以下要求：

（1）鉆孔孔徑不應小于設計。

（2）鉆孔實際長度應小于設計長度且不大于設計長度的1%。

（3）鉆機在鉆進過程中詳細的記錄了每個鉆進孔的地層的變化特點，鉆進的速度變化以及一些特殊狀況的，作為后期鉆進的一個施工經驗的積累以優化施工過程。

3.3 錨索制作及下放

巖土工程中較為普遍的預應力錨索體由錨梁、自由端、錨固段等三部分組成。具體的使用在該基坑場地，錨索錨固段間距1-2m設置船型支架，確保錨索在空中居中及錨體保護層厚度不小于20mm，自由端錨索外套塑料管，套管前端應做好隔漿措施，防止灌漿材料侵入自由端。

預應力錨索是用4ΦS15.2mm鋼絞線，下料長度按孔深+圍檀+剛墊塊+千斤頂工作長度+0.5m+外露長度，每股長度偏差控制50mm以內，采用冷切割下料，自由段鋼絞線外包塑料波紋管。每根鋼絞線長度誤差小于50mm。自由端采用鋼絲塑膠管分別套好，兩端用鐵絲綁扎牢固，防止水泥漿灌入。檢驗合格后，方可下放，并采用可靠機械連接每根鋼絞線。

下錨前應對已鉆好的孔和錨孔編號進行認真核對，以便一次下錨成功，若有局部塌孔現象，采取固灌及掃孔措施處理，確認以上沒有問題之后人工勻速將錨索送入孔中，直至到達設計深度，不得過多的來回抽動錨索體，防止損害錨索體或使錨索體整體扭轉。

3.4 注漿

注漿工作主要分為兩個主要內容，第一，嚴格準備注漿設備以及注漿材料的配比，第二，注漿。具體的參數以及注意事項如下：

（1）全段一次性注漿完成后采用二次注漿法，水泥砂漿強度等級不低于30MPa，注漿壓力為0.4-1.2MPa。為防止水泥砂漿凝固收縮，造成錨固體與孔壁錨固力的損失，摻入適量的膨脹劑。

（2）水泥砂漿應拌合均勻，隨拌隨用，一次拌合的水泥砂漿應在初凝之前用完。注漿時，先開動注漿泵，關閉注漿閥，全開回漿閥，自循環1～2min后，連接好進漿管與打入土中的注漿管接頭，慢慢開啟進漿閥，同時慢慢關閉回漿閥，調整壓力（一般為 0.4～1.2MPa）和流量至設計數值。一般達到設計注漿即停止注漿。如果相鄰土質不同，應先加固滲透系數較大的土層。土體注漿加固完畢，借三角架用倒鏈分級將管子拔出，遺留孔洞用1：5水泥砂漿封孔。

（3）注漿結束后應該及時觀察漿面的回落情況，如果有回落應該補漿。依據注漿過程中的記錄，錨固實際用漿量要大于理論的注漿量。

3.5 張拉鎖定封錨

注漿完成后，待注漿體混凝土強度和腰梁達到設計強度的75%后，并經驗收合格后方可進行張拉作業，錨具、夾片等檢驗合格后方可使用，張拉作業采用千斤頂，張拉前應對張拉設備進行標定，并作為張拉依據。張拉之前對錨墊板需清理干凈，錨具安裝與錨墊和千斤頂密切對中，并和錨索軸線方向垂直。在正式張拉之前開始對鋼絞線逐一張拉，使鋼絞線順直，然后進行整體張拉。張拉時，要對每一級荷載的應力和伸張量作好詳細記錄。錨索整體分5級張拉至設計荷載值，即設計荷載的25%、50%、75%、100%、110%，前四級張拉停留時間為5分鐘，最后一級張拉在砂漿設計強度達到90%以上時進行，持荷時間為30分鐘，采用張拉應力和伸張值校核雙控制，伸長量宜控制在設計值的±1.0%～5.7%之間，最大不允許超過±10%，超出應立即停止，查明原因后再進行張拉。值得注意的是，由于本段擋墻強度不大，承載力不高，故全部錨索張拉應按三個階次進行，第一批張拉設計荷載的50%，第二批張拉設計荷載的75%，第三批張拉設計荷載的110%。6～10天后，檢查錨索的預應力損失狀況，必要時需進行補償張拉，張拉最后一級荷載，錨具鎖定后，對孔口段實施二次注漿，確保錨頭端孔內注漿密實。

錨索張拉完成后，需進行封錨，可根據施工需要，將錨索外露部分預留至結構施工前割除，以便進行二次加荷。封錨前將外露的鋼絞線應該割除，剩余10cm長度（錨具外邊起），并做厚度不小于100mm水泥砂漿保護層，再用鋼筋網罩封閉，并做100mmC30細石混泥土外封，混泥土保護層厚度不小于50mm。

3.6 錨索驗收

錨索施工完成后并且達到設計強度后，應立即抽檢做錨索驗收實驗，已驗收施工質量是否達到設計要求。試驗要求及步驟要按相關規范要求進行，驗收試驗數量為錨索總數的3%且不少于5根。

4 預應力錨索的施工注意事項

4.1 預應力錨索的質量保證措施

樁錨支護體系中，預應力錨索施工的質量是基坑支護穩定性的重要保障。結合上述施工流程和場地特點，提出了幾點要求：

（1）錨索施工位置：同排錨索施工時應在同一位置，應嚴格控制開孔高程，保證拉錨受力在同一位置。

（2）錨索施工角度：嚴格控制錨索施工角度，為避免和減小“群錨效應”對錨索錨固力的影響，應嚴格保證相鄰錨索按設計角度錯開。

（3）原材料檢驗：錨索索體所采用的鋼絞線、錨具、和水泥必須有出廠合格證，進場后必須進行檢驗，合格后方可使用，以保證施工產品的質量。

（4）錨索索體制作及保護：鋼絞線應嚴格按照設計長度制作，長度誤差小于50mm，預留張拉長度應不小于1.2米。鋼絞線切割嚴禁采用電焊或氣割，必須采用無齒鋸進行切割。錨索索頭應與鋼絞線連接牢固，防止施工中脫落造成施工深度不足。鋼絞線錨固段和自由端應根據設計長度用鋼絲塑膠套管嚴格分開，每根鋼絞線分別套好，嚴禁加長或縮短自由段保護套，長度誤差小于50mm。錨索索體應進行有效保護，在施工過程中嚴禁電焊觸碰和火燒火烤，在制作錨墩時應事先采用非金屬套管進行保護。

（5）索體下放：索體下放時，應注意保護自由段塑膠套管，并防止鋼絞線扭結。

（6）錨索錨墩制作：錨墩制作的質量對預應力損失較大，必須嚴格按照設計要求施工。

（7）錨索張拉是錨索施工的關鍵步驟，故應該嚴格控制。具體的要求為：①張拉設備必須經過國家規定部門檢測，有相應的合格報告方可使用；②施工時應準確逐級勻速加荷；③每級加荷后壓力表應穩壓5～10min，鎖定后應穩壓10rain以上，待壓力表穩定后方可卸載；④張拉時應及時測量鋼絞線的伸長量，并做好記錄，與理論計算值進行比較，以保證張拉力準確可靠。

4.2 錨索施工安全保證措施

深基坑的預應力錨索施工的安全性是值得最為關注的問題之一，依據其施工流程和特點，提出安全性的措施為：

（1）鉆孔：鉆孔開機前應對鉆機各部位進行全面檢查，送風管路線頭必須綁扎牢固，風管必須確保鉆孔風壓的要求，避免造孔過程中造成風管脫節傷人，保證設備運行正常。

（2）錨索下料：切割鋼絞線須專人操作，砂輪切割使用前必須檢查是否運轉正常、并空轉數圈（2-3min）后才能進行切割作業；操作人員必須戴防護眼鏡，使用時，操作人員應站在砂輪機的側面，以防止砂輪崩裂傷人，鋼絞線下料卷盤、編索散盤時作業人員必須抓緊鋼絞線、集中注意力，防止鋼絞線反彈傷人。

（3）錨索張拉：安裝工作錨板時，要清除夾具內的砂粒和雜質，并保持孔內的鋼絞線平直、順滑，以防止鋼絞線打絞斷絲，夾片飛出傷人。張拉過程中千斤頂的升、降壓速度應保持緩慢、均勻，切忌突然加壓或卸載；張拉作業必須作好防護工作。為了防止鋼絞線意外飛出傷人，使用鋼質防護罩罩住外露的鋼絞線，并在鋼絞線端面用擋板進行防護。

（4）灌漿：灌漿前對機械、管路系統進行認真的檢查。灌漿管要確保灌漿壓力的要求，且應有足夠的安全系數防止管路爆裂高壓漿液傷人；灌漿過程中需設專人監視壓力表，防止壓力表突升突降。

（5）封錨：封錨前需對外露鋼絞線進行切除，開機前必需對切割機進行認真檢查，確認無誤方能開機，待運轉正常后方能作業；切除外露鋼絞線作業前，工作人員須清理作業范圍內的易燃物品，并作好防火隔離；操作人員在操作過程中必須配戴防護目鏡。

5 地下既有管線保護措施

本場地為地鐵地下主變電廠的基坑開挖支護，設計開挖范圍附近地下管線的分布較為復雜，應在施工前、施工中以及施工后的整個過程對周圍地下管線的安全性提出保護措施：

（1）開工前根據業主所提供地下管網圖及相關資料對基坑周圍的地下管網分布情況進行探明。

（2）確認地下管線的位置、走向以及分布的特點，劃定需要防護的施工范圍，采取切實可行的加固措施。

（3）針對地下管線及障礙物的分布情況，制定出科學合理的支護方案和管線保護、拆除和封堵方案并報業主和監理以及相關部門審批。

（4）在已查明的地下管線路徑處設立標志并向施工人員技術交底，一旦發生破壞及時組織搶修。

6 結語

預應力錨索技術由于其適用于各種地形及場地，對巖土體的擾動小，在地層開挖后，能立即提供抗力，且可施加預應力，控制變形發展的特點，錨索支護技術將廣泛運用于地鐵施工中，其設計方案和施工工藝必須進過多次的專家論證和考核以確保施工的質量和安全，多次的施工過程中逐步的區域完善。本文結合西安地鐵？號線典型的某一地下變電站深基坑開挖項目，詳細提出從土方開挖、測量定位、鉆機就位、打鉆孔、預應力錨索編制、下錨、洗孔和初次注漿、二次注漿、圍檀制作、鋼墊板加工、張拉鎖定到施工流程，并從預應力錨索施工的質量控制及安全性措施、和地下管線保護的措施三方面闡述該場地的施工特點，規范作業，嚴格管控每道工序，只有這樣錨索支護的安、全質量才能得到更好的保證。

參考文獻

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