重力場在支護錨固角度控制中的研究與應用

孟召虎 李舉輝 何 路 李元昊 葉 雷 許 勝 張勤雄

中建三局集團有限公司 陜西 西安 710065

錨索、錨桿是深基坑、邊坡等地表工程及隧道、采礦場等地下洞室施工中常用的一種加固支護方式。在錨索、錨桿施工過程中，錨索、錨桿并不是完全垂直于坡面，不同的錨固傾角，產生的摩擦力作用效果不一樣，同時錨固角度的不同也影響錨固效果和經濟效果，因此錨固角度的精確控制就成為錨固施工質量的重要組成部分。在蘭州市城關區清華小學綜合樓建設項目的深基坑支護施工過程中，通過不斷試驗、探索，在復雜的施工環境中利用重力場，實現了對錨索傾角的精確控制，從而提高了錨索的施工質量和現場施工效率。

1 工程概況

蘭州市城關區清華小學綜合樓建設項目位于蘭州市城關區酒泉路，地處鬧市區。項目規劃為1棟綜合性教學樓，地下3層（含隔震層），地上6層，結構類型為框架結構（圖1）。工程基坑設計深度達－14.85 m，地下水位在－3.0 m處；基坑南北兩側各為1棟5層建筑物，距離基坑邊緣平均為3 m，東西兩側均有道路及市政管網，基坑工程側壁安全等級為一級。基坑支護由支護樁加預應力錨索組成，預應力錨索傾角為20°，需避開南北兩側原有建筑物樁基礎。現場場地極為狹小，施工環境復雜，基坑危險系數較大。因此基坑支護質量把控尤為重要。

圖1 清華小學綜合樓效果圖

2 錨索、錨桿水平傾角對錨固的作用

在支護施工過程中，錨索、錨桿的水平傾角一般控制在15°～25°。錨索、錨桿在土層中隨著水平傾角的增大，水平分力減小，豎向分力增大[1]。水平分力減小就會減弱錨索、錨桿的錨固效果；同時錨索、錨桿豎向分力的增加也會造成基坑周邊荷載增大，引起周邊土層的沉降或變形。因此，在基坑、護坡支護、隧道加固過程中，錨桿、預應力錨索的水平傾角需考慮多方面因素，如地質構造、土質、周邊地下構筑物等。同時在施工時，鉆機鉆桿的角度需精確控制，保證鉆桿水平傾角，從而確保錨索、錨桿的施工質量[2]。

3 現有傾角控制方法

在深基坑、護坡、隧道加固支護施工時，現場施工環境往往較復雜，施工條件差，便捷可靠的鉆桿傾角控制方法是保證支護施工質量的必要條件。市場現有的測傾儀、電子水平儀等測量儀器，通過電子傳感器測量傾角，極大地提高了錨索、錨桿傾角的精確度。但在惡劣的施工現場，電子精密儀器往往不便于現場施工人員操作；同時，這些儀器設備的價格較高，如果使用，會直接增加施工成本，因此在施工過程中使用靠尺和量角器組合控制鉆桿角度的方法更為常見[3]。這種組合方式，不僅原理簡單，而且成本很低；但在角度控制時由于人為操作誤差，對角度控制的精確度影響較大，造成的誤差偏大。而重力場作為一種地球上無處不在的場，其重力方向始終是豎直向下的，利用這一特點，進行鉆機鉆桿的角度控制可能會顯得更加可靠[4]。

4 重力場的特點

地球重力場是指地球表面附近的引力場，每一點所受到的重力的大小和方向只與該點的位置相關。在正常重力場中，地球上任何物體所受的重力方向都是豎直向下的，該方向與水平方向始終垂直。一個自然下垂物體，靜止時所指的方向就是豎直的，這比尋找相對精確的水平方向要簡單很多。因此利用重力場的指向原理，在復雜的施工現場進行角度測量、角度控制，操作起來更為簡單，也更加可靠[5]。

5 重力場作用下鉆桿角度控制裝置

利用重力場的這一特性，項目人員研究出了重力場作用下鉆桿角度控制系統。該裝置通過磁吸方式可吸附在鉆機與鉆桿平行的任何部位，指針靠重力牽引沿鉛垂方向豎直朝下，并與水平向垂直；在鉆桿調節角度的過程中，刻度盤隨鉆桿轉動，指針保持豎直朝下，通過指針讀取刻度盤的刻度達到控制鉆桿角度的目的。該角度控制器通過磁吸方式安裝，可達到隨用隨裝的效果，同時依靠物理原理，數據可靠、讀數方便，可有效控制鉆桿鉆孔的角度，極大地提高鉆孔角度的精確度。

該裝置主要由磁吸底座、刻度盤、銅質重力指針以及鋼化玻璃罩四部分組成（圖2）。磁吸底座由磁鐵和鋼化玻璃制成，磁鐵的使用可以使該裝置隨時隨地安裝在鉆機臂架的任何部位，極大地提高了現場使用過程中的便捷度，且易于操作。

圖2 重力場作用下鉆桿角度控制裝置示意

刻度盤與常見的量角器相似，不同的是該刻度盤中間刻度為0°，兩邊最大刻度值為90°，刻度盤最小刻度為0.1°，此精度可以完全滿足錨索、錨桿的精度要求。當鉆機底座處于水平狀態時，指針指向0°刻度，在現場使用過程中，通過磁吸底座將該裝置安裝在與鉆桿平行的鉆機臂架上，指針所指的角度，就是鉆機鉆桿的水平傾角，然后根據設計的錨索傾角，調整鉆機臂架至合適的角度（圖3）。

圖3 測角裝置安裝示意

這套裝置另一個重要構件為銅質重力指針。為了避免磁場對該裝置的影響，特別選用沒有磁性的銅來制作指針。指針尖端質量較大，末端可自由無阻轉動，在使用過程中底座及刻度盤隨鉆機臂架旋轉時，該指針沿重力方向始終豎直向下。而重力場無處不在，不受周邊環境影響，因此利用其指向，具有較好的可靠性，也較為靈敏。為避免施工現場泥水對其靈敏度產生影響，在刻度盤與指針上設置鋼化玻璃罩，保證在長期使用過程中具有較好的可靠性（圖4）。

圖4 測角裝置剖面

該裝置處于水平狀態時指針指向0°刻度，因此在使用前，可將此裝置調平，然后觀察指針指向來檢驗該裝置是否調校準確；在使用時需將與鉆桿平行的鉆機臂架翼緣板擦拭干凈，確保底座與臂架能夠嚴密貼實，不留夾角，以免影響測角精度。鉆桿進尺0.5 m時，進行鉆桿傾角復測，若有誤差及時調整。同時使用該裝置時鉆機必須處于停機狀態，以免轉機抖動影響測量精度；角度量測完畢后需及時拆下該裝置妥善放置，不得將其留置在已經啟動的鉆機上，以免損壞。

6 重力場的實用效果

項目利用重力場作用下鉆桿角度控制裝置進行錨索施工角度控制時，對施工人員進行簡單交底，即可使其迅速掌握使用方法，操作也較為便捷（圖5）。

圖5 重力場作用下鉆桿角度控制裝置應用現場

在使用專業測角裝置對該裝置量測的水平傾角進行檢驗時，發現其誤差為0.1°，因此使用該裝置進行錨索、錨桿水平傾角控制，具有良好的精確度，且數據可靠。相比市場現有的傾斜角測量儀器，該裝置操作簡單、適應性強，在提高施工質量的同時，極大地降低了施工成本，具有較好的經濟效益。

7 結語

錨索、錨桿施工現場的環境往往較為復雜，在進行鉆桿鉆孔角度控制時，不僅要考慮其精確度，還要從操作性、可靠度、經濟效益等幾個方面進行綜合考慮。蘭州市城關區清華小學綜合樓建設項目在深基坑支護施工過程中經過不斷探索、多次試驗，利用重力場的物理特性，研究出重力場作用下鉆桿角度控制裝置。相比傳統的測量儀器，該裝置在精確度、操作性、可靠性、經濟效益等方面都有很大的提高，同時極大地節省了施工成本，在保證施工質量的同時提高了施工效率，也為類似工程積累了經驗[6]。