管道壓漿劑在基坑支護中的應用

侯國忠 孟令寧

摘要：現今使用的水泥漿體系不能完全滿足樁錨支護的需要，達不到防止躥槽和促凝及微膨脹的目的，為了縮短錨索漿體強度達到張拉的要求時間，實現加快土方開挖進度的目的，本文針對這些問題研發了一種新的體系——壓漿劑灌漿料體系，實驗表明：該漿料具有溫度使用范圍廣、微膨脹、沉降穩定性好、抗壓強度高、流變性能好等優良性能。在基坑施工中引進了壓漿劑摻入水泥漿，作為錨索注漿漿體材料，平均每道錨索施工至張拉由以前的7d～10d縮短至 4d～5d，能夠滿足工程實際的需要，壓漿劑的應用成果對其他類似工程的設計和施工具有一定的指導作用和借鑒作用。本文介紹了壓漿劑的產品特點、使用背景、施工工藝、現場試驗、質量控制要點及效益分析。實踐證明，在基坑施工中采用壓漿劑施工錨索能夠確保基坑安全，加快施工速率及綜合效益顯著。

Abstract： The cement slurry system used today can not fully meet the needs of pile and anchor support， and not achieve the purpose of preventing pockets and promoting coagulation and micro-expansion. In order to shorten the time required to reach the tensile strength of the anchor rope slurry and achieve the goal of accelerating the progress of earthwork excavation， a grouting agent grouting material system is developed. Results show that the slurry has good properties such as wide application range of temperature， slight expansion， good settling stability， high compressive strength and good rheological property. In the foundation pit construction， the cement slurry is introduced into the foundation pit construction used as the grouting material for the anchor cable. The average construction time of each cable is shortened from 7～10 days to 4～5 days， meeting the practical needs of the project. The application of grouting agent has a reference for the design and construction of other similar projects. This paper introduces the product characteristics， application background， construction technology， field test， quality control points and benefit analysis of grouting agent. It is proved that the application of grouting agent can ensure the safety of foundation pit and accelerate the construction rate and comprehensive benefit.

關鍵詞：管道壓漿劑；基坑支護；應用

Key words： pipeline grouting agent；foundation pit support；application

中圖分類號：TV221.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）10-0108-04

0 引言

作為有效解決城市基礎設施建設矛盾的新模式，城市綜合管廊建設備受關注。城市市政公用管線是城市正常運行的生命線。隨著城市建設的開展，城市基礎設施網絡化官網體系建設中遇到的問題隨之而來，如因管線增容、擴容和維修而反復開挖“拉鏈路”，嚴重影響市民交通和安全；架空管線、空中蜘蛛網影響城市市容，且帶來很大安全隱患；地下管線安全事故頻發，僅媒體報道的地下管線事故平均每天高達5、6起，每年由于路面開挖造成的直接經濟損失高達2000億元。在這種背景下，綜合管廊作為有效解決城市基礎設施建設矛盾的新模式，逐步得到認可和推廣。

管廊的開挖需要安全可靠的支護，基于國內外大量而廣泛的錨桿支護技術的應用于研究，錨桿支護的優越性越來越得到認可。錨桿支護當成巖土基礎加固的一個主要類型，因為它擁有健康、綠色、環保等好處，在世界巖土加固方面收到了越來越高的待遇。上世紀70年代年，歐洲北威爾士的礦區井下鞏固規模中首次運用金屬支護巖石之后，上世紀90年代美國的產業里也存在了類似的加固行動。二十世紀中期，在西方發達國家在礦區井下錨桿支護運用贏得廣泛好評。

現在，在澳洲以及美國的井底支護里，錨桿支護手段已然運用程度達到了百分之百。我國于1950年左右運用該項工程進行防護，到70年代初還處于雛鳥時期，到了70年代末期才開始主要運用，而后開始向發達國家效仿錨桿支護手段后運用到企業礦井里，20世紀末期又向其他國家效仿運用整體革新的錨桿支護工程，現在已擁有較廣泛的支持與稱贊。在一部分行業井下的錨桿支護程度依然達到百分之九十往上，一部分煤業已經達到了百分之百，獲得了較好的稱贊和安全。大陸目前擁有鍥縫、倒楔錨桿、金屬絲以及金屬砂漿錨桿、木質錨桿、竹錨桿、內漲錨桿、管縫錨桿、樹脂錨桿、預應力注漿大錨索等十幾種方式。

1 工程概況

北京城市副中心行政辦公區啟動區綜合管廊工程（三標段），位于北京市通州區潞城鎮政通東路，主管廊全長816m。基坑采用圍護樁+錨索支護形式，鉆孔灌注樁直徑 800mm，間距1.5m，錨索水平布置采用一樁一錨形式，豎向間距為2.4m。下沉節點部位基坑寬55m，采用4道錨索；標準段寬18m，深度為9-12m。施工場區內表層為雜填土，地面4.5m以下為新近沉積層，主要是粉砂。

行政辦公區啟動區綜合管廊工程包括政通西路、勤政西路、勤政東路、政通東路、宋梁路、規劃一路、政通北街、勤政街、勤政東街共9條道路下的綜合管廊；干線管廊總長約9.8公里，共分七個標段，本工程為第三標段。

2 錨索成孔注漿的施工過程

2.1 定義與原理

①預應力錨索：將較薄弱的巖石以及平臺面打洞穿過，將一測固定在比較強的巖石里（內錨頭），之后在其他部分自由頭（外錨頭）進行張拉，對巖石強化壓力對穩定性較差的巖體實施加牢，這種方法稱預應力錨索，簡稱錨索。

②預應力工作原理：此類方式是一個將鋼絞線埋進石層里的推行預應力的實施模式，并將煤層部分的鞏固傳導到較厚鞏固巖層的重要支護手段。錨索進行加固后，它濃縮的力度將45度承受力進一步傳輸到支護加固層中，在預應力手段里，圍巖出現減少，但是石層將錨索的彈力集中下變為“承載拱”，強化了石層的綜合支護能力，提升其水平，而且加強巖層的穩定水平。此類支護可以將結構物以及石層銜接到一塊隨機影響，可以將石層級變為更強的受力結構，幫助表面層級的鞏固，并將層級以及共同活動的圍巖媒介結合為共同體，進行進一步加固的煤可以更好地承受負荷出現的綜合承載力，并且一部分力的傳到層級也比沒有經錨固穩定的影響強的多。

上述加固模式通常分為隨機可控形單眼多支護防腐型強化力以及一般預應力錨索等幾類。此類錨索的運用往往分為加固預備、打洞、錨索形成以及配置、錨墩澆筑（實行錨索加固）、注漿、張拉鎖定或封錨等多種操作。

2.2 預應力錨索的特點及應用場合

①特點：預應力錨索支護一般分為自由式單孔多錨頭防腐型預應力錨索（對穿預應力錨索）和普通預應力錨索兩種。普通預應力錨索又分為拉力型、壓力型、拉壓復合型錨索，錨索數量不一。

②應用場合：預應力錨索一般用于深基坑支護中的樁錨結構，與剛性樁結合使用。也經常用于隧道、地下綜合管廊、地鐵側壁支護，以及特殊山體護坡中，錨索數量不一，同時也要根據基坑支護工程的勘查報告來確定施工設備與施工工藝，必須嚴格根據設計進行施工。

3 預應力錨索施工工藝解析

施工工藝流程及操作要點：

施工工藝流程圖見圖1。

施工操作要點：錨索施工前應完成材料、現場試驗、施工設備、測量放線及其它等一系列的施工準備。

3.1 材料

預應力錨索通常實施的鋼絞線執行承載力（1860MPa）穩定型較強沒有銜接的金屬線，它的水平間斷應適應GB/T5224-1995以及ASTMA416-98的能力范疇。該種金屬絲在傳達中必須規避耗費。而且預應力形錨索所實施的沒有澆筑鋅的金屬絲必須運用防腐手段。各個面所說的工具均應有產出標準證書以及合格證明，必須由管理者核算合格后進行運用。所有預應力金屬絲都必須有材質部分的質量保證，供應商必須根據管理者的要求GB/T5224-1995的制度，將此類金屬絲抽樣實施壓力承載核算，且必須把核算結果報送到管理者。傳達以及儲備：在傳達過程里避免磨損或日曬、水淹以及化學性破壞干擾。儲備期間應疊層配置。單一形打洞多錨頭防腐型預應力支護效用標準是：極限拉應力大于等于62kN期間，其具體水平必須和GB/T14370-2000的標準（就是錨固額度ha≥0.95，總應變εapv≥2.8%）相適應，且擁有較強的防腐效用。

水泥施工額值通常高于P.O42.5的一般性硅酸鹽類水泥；別種添加劑或是凝固劑必須與施工進程規定相適應，且不得存在對錨索出現破損影響的要素。

3.2 現場試驗

錨索相關工作的進行需要依據《規范》SL46-94、DL/T5083-2004的規范開展實際檢驗，核查有關技術精確性與實驗張拉鎖定后應力衰變規律，給出超張拉、補償張拉依據，用以切實符合情況。由正確的實驗加上相關工作規范，給張拉設備、儀器實施相應率定，交與監理者檢核；依照相關人員引導，對那些效果突出的錨索予以準確實驗；將無誤的成果上交相關部門審批。

3.3 施工設備

需提前一個月，給相關責任人提供出具備錨固張拉的機器、儀器設備和錨固程序措施的相關工作工藝報告文件，交于相關責任人檢核。張拉相關的儀器設備實施規范準則，交由相關責任人檢核，且依據標定結果正確實施。

3.4 測量放線

需要使用（拓普康）NET-G3A測量型GPS作導線控制網，由專業水平高的相關測量工程師來進行控制測量。按相關圖紙，以GPS設備實施施工測量的放樣工作，且需要能力較強的相關技術人員實施，所使用的相關設備應該依照國家規范使用。相關工作事宜需在明了孔位和方向線后，以紅油漆于實際地點做出正確噴涂，且對相關工作人員做好相關交底事宜。

3.5 其它

需要向監理人報交正確的預應力錨索安裝與制作的相關有效安全規范；建立符合相關工作需要，正確合理的施工排架。排架應安全穩固，由相關單位檢核后才能進行使用。

①鉆孔：實施相關工作應規范，鉆孔設備就位，測量儀測定鉆進方向角。端頭錨的孔斜誤差不大于孔深的2%，對穿錨不得大于1%，且錨索孔開孔偏差限定10cm以內，有相關圖紙與廠家產品說明所鉆孔的孔徑不得小于二者的規定。

②錨索加工：需要于存在防雨設備的加工廠制作相關錨索。依據正確孔深對張拉與設計規范的限度實施下料。進行相關工作時應嚴格執行有關標準，詳細排除鋼絞線質量問題。錨索里鋼絞線于隔離架中的孔位應正確的和錨索捆扎對應，要實施有效的方式杜絕相關設備生銹，預防錨索在運輸途中被損壞。

③注漿配合比：應嚴格按照相關規定做出符合正確的錨索砂漿配比，在以純水泥灌注的情況下，需要選擇0.4～0.5的水灰比。應正確的一次制作出無粘結錨索的錨固段與自由段。灌漿壓力在錨固段應為0.3MPa～0.5MPa，需在0.5MPa的壓力下給排氣管回濃漿后閉漿，此過程應不超過半小時。限定自由段灌漿壓力大于等于0.8MPa。

④張拉鎖定：第一就是實施實驗束張拉，以兩個不同環節分開單股預緊與整束分級張拉，張拉不同環節正確運行時段，都有測量鋼絞線的回縮和伸長數據，如所測數據和正確結果存在超過10%或小于5%的誤差，則立即停下檢查，直至發現問題所在則繼續進行。部分存在補張拉的錨索需于張拉7d之后實施。相關張拉儀器器械需要嚴格按照相關規范，間隔時間限于半年。未正確實施標準或裝機嚴重的儀器設備，只有再次標定方可使用。

⑤錨頭保護：張拉完畢，把相關設備里鋼絞線按規定用切割片割除大于50cm的，過程必須正確，切忌發出高溫，進而使設備夾片處零件應力壞損，應加油和水解決問題。

4 壓漿劑提升漿料強度速率試驗研究

壓漿料各組分分析及其優越性：

4.1 壓漿劑性能

壓漿劑具有微膨脹、無收縮、大流動、自密實、極地泌水率、充盈度高、氣囊沫層薄直徑小、強度高、防銹阻銹、低堿無氧、粘接度高、綠色環保的優良性能。

不含氧化物、氯化物、亞硫酸鹽和亞硝酸鹽等，對鋼筋有害組份，由高性能塑化劑，表面活性劑，硅鈣微膨脹劑，水化熱抑制劑，遷移型阻銹劑，納米級礦物硅鋁鈣鐵粉，穩定劑精制而成的壓漿劑或與低堿地熱硅酸鹽水泥等精制復合而成的壓漿料。

4.2 水泥成分簡單分析

水泥的主要成分有：碳酸鈣（CaCO3）、二氧化硅（SiO2）、三氧化二鋁（Al2O3）、三氧化二鐵（Fe2O3）。

水泥水化反應公式

硅酸鹽水泥拌合水后，四種主要熟料礦物與水反應。分述如下：

①硅酸三鈣水化。

硅酸三鈣在常溫下的水化反應生成水化硅酸鈣（C-S-H凝膠）和氫氧化鈣。

3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+（3-x）Ca（OH）2

②硅酸二鈣的水化。

β-C2S的水化與C3S相似，只不過水化速度慢而已。

2CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+（2-x）Ca（OH）2

所形成的水化硅酸鈣在C/S和形貌方面與C3S水化生成的沒有差異，只是它會產生相對粗大的結晶體，CH生成量不及C3S，我們也將其稱為C-S-H凝膠。

③鋁酸三鈣水化反應。

鋁酸三鈣在水化過程中會快速放熱，在溫度和濃度不同的液相CaO中最先生成水化鋁酸鈣，隨著水化過程的進行，這種生成物會逐步轉化成水石榴石（C3AH6）。

在石膏的參與下，C3A水化的最終產物與起石膏添加量有密切的聯系。最初生成三硫型水化硫鋁酸鈣就是我們通常所說的鈣礬石AFt。如果C3A完全水化前石膏早已消耗殆盡，那么鈣礬石就會和C3A相互反應轉化成單硫型水化硫鋁酸鈣（AFm）。

④鐵相固溶體的水化。

水泥熟料中鐵相固溶體通常用C4AF表示。這種物質的水化作用和C3A有類似之處。它在水化過程中的速率稍稍落后于C3A，就算令其獨自水化最終都不會快凝。

4.3 灌漿料優越性能體現

根據上述可看出，水泥在水化反應后生成大量堿性物質，而錨索在這種高堿性溶液中，由于在初始的電化學腐蝕作用下，會形成一層非常密實的膜，這層膜會牢牢吸附在錨索表面，從電化動力學來看，活態變鈍態，這層膜就是保護錨索的鈍化膜。而壓漿劑是種不含氧化物、氯化物、亞硫酸鹽和亞硝酸鹽等與堿性物質起反應的粉態物質，并且其低堿無氧，對錨索的防銹蝕起到很好的作用。

傳統的注漿料是采用水膠比0.45～0.55的水泥漿進行壓漿，不但漿體強度緩慢，而且其漿體的充盈度和流動度都不好，在施工過程中容易造成堵管，影響施工進度，水泥漿容易下沉，會出現注漿孔中形成半空狀態，這樣對基坑的支護安全造成很大隱患。而壓漿劑具有微膨脹、無收縮、大流動、充盈度高、強度高的性能，能夠和錨索充分的接觸，流動性好不會出現堵管現象，大大提高了工作效率，良好的充盈度使孔內漿體飽滿，基本無收縮錨固段充實，對改良漿體性能起到很好作用。

水泥漿在拌和生產過程中，會產生水化熱，而水泥水化反應是一種放熱反應。水泥水化放熱的周期很長，但大部分熱量是在3天內放出來的，尤其是在水泥漿發生凝結、硬化的初期放出。大多數情況下，硬化水泥漿體和混凝土的早期體積變形，主要源于水泥的水化熱升溫。而在水泥水化熱高峰時期，灌漿料便會產生開裂現象，雖然二次注漿可補償，但漿體的密實度遠不如之前。這個問題，壓漿劑中含有水化熱抑制劑，可以緩解其水化反應，在早期漿體強度上升的過程抑制其水化熱的發生，再加上良好的流動性，壓漿劑正好可以達到這種效果，使其漿體密實效果達到最佳，結合強度的提升很好的解決了此問題。

5 灌漿料配合比設計研究

5.1 不同水灰比水泥漿配比研究

原材料與試驗

水泥采用普通硅酸鹽42.5水泥，經過第三方檢測：比表面積404m2/kg，標準稠度用水量28.6，初凝時間255min，終凝時間325min，用餅法測定水泥安定性合格，3d抗折強度6.8MPa，28d抗折強度10.2MPa，3d抗壓強度21.8MPa，28d抗壓強度44.6MPa。依據GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》標準，符合P.O42.5水泥的要求。試驗用水采用符合飲用水標準的自來水。

因現場實際工期需要，只針對3d和7d進行對比，以此來確定錨索張拉鎖定時間。由現場試驗可看出，不論標準養護還是同條件養護條件，3d均達不到設計要求張拉強度，7d可達到15MPa以上。

得到結論：水泥漿作為灌漿料達到張拉要求需至少7d以上，根據現場工期要求，時間較長。

5.2 壓漿劑不同摻量的配比分析

原材料及試驗

水泥亦采用普通硅酸鹽42.5水泥，各項檢測均符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》標準要求，拌和用水采用符合飲用水標準的自來水，壓漿劑采用ANG管道壓漿劑，該產品屬于濃縮型產品，按照外摻10%～15%的比例與現場所使用的水泥混合均勻后，按0.3～0.35的水料比加水攪拌，其主要適用于預應力后張孔道灌漿，建筑物基坑護坡錨桿孔道灌漿，混凝土澆筑空洞灌漿，盾構結構后灌漿，隧道開挖加固灌漿等。

壓漿劑進場后對其進行檢測：初凝時間395min，終凝時間440min，出機流動度22s，30min流動度29s，7d抗折強度8.8MPa，28d抗折強度10.9MPa，7d抗壓強度42.4MPa，28d抗壓強度52.2MPa。從試驗結果可以看出，壓漿劑早期抗壓強度很高，因此將其按照比例摻入水泥漿完全可以提高早期強度，符合施工進度要求。現對壓漿劑摻入量定為10%，采用水灰比0.30～0.35對同條件養護情況下不同齡期試塊強度進行分析，通過試驗可以看出：摻入壓漿劑后，在不同的水料比下早期強度非常高，完全滿足張拉要求。

根據現場操作觀察，采用水泥：壓漿劑：水=0.9：0.1：0.33的配合比進行現場施工，經過觀察，漿料流動度好，充盈度良好，未出現離析、泌水等現象，完全滿足施工及工期需要。

6 小結

通過錨索早強灌漿料施工技術的應用，證明早強灌漿料性能穩定，縮短圍護結構及土方開挖工程的時間，為主體結構施工提供條件，提前具備下一步工作條件，減少了占道施工的時間，為相關單位合理安排下一步工作奠定基礎。早強灌漿料目前還沒有廣泛應用，原因之一是其單價明顯高于常規的純水泥漿或砂漿，但在適當的環境中使用能夠取得顯著綜合經濟效益和社會效益顯著。

參考文獻：

[1]王永定.高流動度后張預應力管道壓漿劑的研究與應用[J].廣東建材，2016，32（10）：8-9.

[2]李紅輝.預應力管道壓漿劑試驗研究[J].商品混凝土，2013（08）：28-31.

[3]張勇，楊富民.后張法預應力梁管道壓漿材料的研究及應用[J].混凝土，2011（03）：108-110，138.