玄武巖纖維筋錨索施工技術在工程中的應用分析

呂善勇，莊小杰，劉江，陳烈，周剛 (中國建筑一局（集團）有限公司，北京 100161)

1 引言

目前錨索支護是一種常用的基坑支護形式，錨索作為深入地層的受拉構件，其一端與工程構筑物連接，另一端深入地層利用錨固體與土層的粘結摩擦作用，對基坑邊坡起到支護加強的作用。傳統的錨索一般是由鋼材加工而成，但錨索因常年埋入地下，其金屬部分與土壤、地下水等相互作用，易造成環境污染。玄武巖纖維具有強度高、電絕緣性好、耐腐蝕、易降解等多個優點，由玄武巖纖維為主要材料制成的錨索，可以被地鐵盾構機的刀盤直接破碎，所以玄武巖纖維錨索遺留在地下并不會影響盾構施工。然而玄武巖纖維筋材不能焊接，只能通過粘結劑實現連接，因此現有的金屬材質錨索施工結構體系不適用于玄武巖纖維錨索，通過工程的實際應用來探索出一套適合玄武巖纖維筋材錨索施工的技術。

2 工程概況

圖1 玄武巖纖維筋材

圖2 項目效果圖

某功能膜新材料智慧物流園工程位于安徽省合肥市，擬規劃總用地面積約65382.95m2，總建筑面積 91796.45m2，主要包含地下車庫、綜合樓及配套用房、倉庫、廠房、室外輔助工程、變電所供配電及室外電等，計劃工期693d，工程投資約2.48億元。本工程建場地水文地質條件一般，地下水類型主要為①層雜填土中的上層滯水、③層中風化片麻巖和④層強風化片麻巖中的裂隙水。①層雜填土中的上層滯水主要由大氣降水、地表水滲入組成，勘探期間測得其靜止水位埋深 1.00m～2.40m，水位標 高39.46m～42.03m；③層強風化片麻巖和④層中風化片麻巖中的裂隙水主要由地下徑流滲透補給，其地下水位埋深大，對基礎設計及施工影響相對較小。場地地下水位年變化幅度在1.5m左右。本工程基坑深度最深處為11.6m，周邊臨近位置后期擬規劃地鐵線路，因此錨索施工限制使用，本工程采用玄武巖纖維筋錨索結合排樁進行深基坑支護施工。

3 關鍵施工技術

3.1 玄武巖纖維錨索的設置

在基坑的南側區域設置預應力玄武巖纖維錨索，其中第一層錨索與最頂部內支撐豎向距離為7.5m，每根玄武巖纖維錨索總長30m，橫向間距1.5m，入射角30°，其中錨固段長18m。第二層錨索與最頂部內支撐豎向距離為6m，每根玄武巖纖維錨索總長30m，橫向間距1.5m，入射角30°。第三層錨索與最頂部內支撐豎向距離4m，每根玄武巖纖維錨索總長30m，橫向間距1.5m，入射角30°。第四層錨索與最頂部內支撐豎向距離2m，每根玄武巖纖維錨索總長為30m，橫向間距1.5m，入射角30°。

3.2 玄武巖纖維錨索的制作

錨索采用φ10mm及以上玄武巖纖維筋材，筋材不得接長，使用前應檢查有無油污、缺裂等情況。為使錨桿置于鉆孔中心，應在錨桿上每隔1500mm設置定位器一個，根據玄武巖纖維筋材直徑和單索玄武巖纖維筋材數量選用市場用于鋼膠線錨索的成品對中支架。錨桿端頭預留1m供安裝錨具，桿體自由段應用塑料布或塑料管包扎，錨頭采用φ 50cm鋼管，長15cm～20cm，一端壓扁。將BFRP筋材集合插入錨頭，注入植筋膠固化24h。使用錨索支架將玄武巖筋材固定住，同時在中間設置注漿管，以此完成錨索的制作。

3.3 玄武巖纖維錨索專用錨具的設計

新型非金屬錨具包括鋼制套管、錨墊板和鎖定螺母，粘結式鋼管套管采用無縫鋼管，鋼管長度為300mm～400mm，內 徑 18mm～20mm，壁 厚4mm～6mm，一端外壁為螺紋段，長度100mm～150mm，另一端為光圓段。錨墊板是200mm×200mm的方形鋼板，厚度為20mm～30mm，根據每組錨索的根數在錨墊板上預留相對應的預留孔，預留孔直徑為30mm。每根與玄武巖纖維錨索粘結完成后的粘結式鋼管套管穿過錨墊板上的預留孔后，利用千斤頂對錨索施加預應力，施加完成后通過鎖定螺母在粘結式鋼管套管的螺紋段的旋轉進行預應力鎖定。

3.4 玄武巖纖維專用錨具的試驗

按設計使用鋼制套管并安裝鎖定螺母，然后進行測試，在滿足玄武巖纖維筋材抗拉強度的前提下，在螺帽受力達到160kN時結束試驗。螺帽和錨具完好且未發生斷裂則證明滿足錨具設計要求。

圖3 玄武巖纖維錨索專用錨具示意圖及實物圖

玄武巖纖維專用錨具測試合格后，在施工現場進行錨索的拉拔試驗以檢測玄武巖纖維錨具的力學性能，同時可獲取玄武巖纖維錨索的抗拔極限承載力，驗證或修正筋材力學指標。同時進行錨筋錨索的拉拔對比試驗，對比玄武巖纖維筋材錨索與普通鋼筋錨索的力學性能。以地基土、反力梁、錨具為錨索抗拔反力系統，以經標定過的油壓千斤頂、手動油泵、0.4級精密壓力表為加載控制系統，以50mm大量程精密百分表配合基準梁為錨索位移觀測系統。

圖4 實驗設備安裝示意圖

試驗以《高層建筑巖土勘察規程》（JGJ72-2004）為依據，以750kN為預估荷載最大加載量進行加載，以測得抗拔極限承載力，當后一級荷載產生的錨頭位移增量達到或超過前一級荷載產生的位移增量的2倍或錨頭位移持續增長、錨索體破壞時可終止試驗。

現場分別用1根、3根、5根、6根玄武巖纖維筋材錨索進行拉拔試驗，拉拔試驗結果表明，單根直徑為14mm的玄武巖纖維筋材錨索的極限抗拔力約155kN；3根直徑為14mm的玄武巖纖維筋材錨索極限抗拔力為530kN；5根直徑為14mm的玄武巖纖維筋材錨索極限抗拔力為 772.6kN；6根直徑為14mm的玄武巖纖維筋材錨索極限抗拔力為849.2kN。若采用玄武巖纖維筋材錨索替代傳統鋼筋錨索，根據設計極限抗拔力按等強度替代，即可計算采用玄武巖纖維筋材錨索筋材的數量，現場拉拔試驗證明設計的玄武巖纖維錨索專用錨具性能可以滿足實際工程應用。

3.5 玄武巖纖維錨索施工

高壓旋噴清水鉆進至設計孔深，鉆進時采用清水輔助，鉆進至設計孔深后停鉆，鉆進過程中保持好鉆進角度和速度，隨時觀察玄武巖纖維錨索跟進情況。錨固段退鉆高壓旋噴同步注水泥漿，待錨固段漿體強度達到設計強度的75%后進行預應力張拉鎖定工作，達到設計值后通過鎖定螺母在粘結式鋼管套管的螺紋段的旋轉進行預應力鎖定。

圖5 現場鉆孔圖

3.6 玄武巖纖維錨索施工的現場監測

現場對第一層和第三層玄武巖纖維錨索分別進行監測，從而獲得監測數據以了解其支護狀況。第一層錨索監測時間為2019年2月20日至2020年11月16日。第三層錨索監測時間為2019年2月27日至2020年11月20日。對玄武巖筋材錨索及其對比傳統鋼絞線錨索進行分析。用origin軟件畫出玄筋錨索和傳統錨索的應力對比圖，通過受力情況對比得出，初期受力階段玄武巖筋材錨索與鋼絞線錨索應力情況相似，然后玄武巖筋材錨索突然有下降的應力突變，中期受力階段玄武巖筋材錨索情況就與鋼絞線錨索應力情況相似，受力基本不變，中后期受力階段不同的是玄筋錨索突然又有下降的應力突變后，受力基本不變。最終通過監測說明，在錨索支護邊坡工程中，隨著基坑開挖深度變大，錨索受力也越來越大，這一點在傳統鋼絞線錨索中主要體現在受力前期，中后期受力基本不變，而對于玄武巖筋材錨索，忽略其應力突降現象，中后期受力也基本不變，這與傳統鋼絞線錨索的受力情況基本一致。

4 質量控制措施

①玄武巖纖維鋼絞線按設計長度下料時，需預留足夠的張拉長度。鋼絞線原材截斷時，使用切割機進行，不得使用電焊機燒斷，妥善存放未使用的玄武巖纖維錨索成品，并做好保護、遮蓋、防銹等措施，防止損壞、玷污和銹蝕。

②在錨索自由段套裝PVC管隔離前對自由段鋼絞線進行防腐處理，刷防銹漆或涂抹黃油，PVC管兩端做好密封并綁扎牢固，防止泥土粘裹鋼絞線污染自由段錨索及水泥漿體流入自由段。

③鋼制套管的內壁需制成粗糙面以增強鋼管錨具與膠結劑間的摩擦力，然后將鋼制套管錨具的一端設置為錐形。通過兩種處理方式可避免錨具與粘結劑的脫膠現象。

④錨索孔位開孔前用相關測量工具對孔位、傾角等進行檢查校核，發現偏差及時進行調整，跟錨鉆進時，嚴格控制鉆進速度和噴水壓力，以保證成孔質量。

⑤退鉆旋噴注漿時，嚴格控制退鉆速度和旋噴壓力，以保證注漿質量。注漿結束鉆桿全部退出前，孔口返出的泥漿水全部變為水泥漿液后，方可停止注水泥漿，并將鉆桿全部退出。錨索施工結束后，及時對孔口進行封堵，防止水泥漿液從孔口流失。

5 實施效果

玄武巖纖維錨索具有強度高、密度小、耐酸堿腐蝕等優點，因盾構機刀盤可直接破碎玄武巖筋材，錨索長期留在土體內也基本不影響盾構施工，同時玄武巖纖維復合筋材耐腐蝕性強，生產過程中環境污染小，屬新型綠色環保材料。通過鋼管套管與玄武巖纖維錨索的結合，解決了玄武巖纖維錨索預應力不易鎖定的問題，錨固結構穩定，操作方便，解決了玄武巖纖維筋材錨索的施工。

利用本文施工技術中的新型錨具，可以順利實現玄武巖纖維錨索預應力的加載和卸除，根據同等級替換的原則，可以利用玄武巖纖維錨索替代傳統的鋼絞線錨索，并利用本文的各技術要點進行施工，起到為后續工程提供參考借鑒的作用。