可回收錨桿技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

成澤林,周盛全,樂(lè)騰勝

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院, 安徽 淮南 232000; 2.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 合肥 230031)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城市地下綜合管廊、地鐵車站等大型地下工程數(shù)量急劇增加,城市建設(shè)越來(lái)越多地向地下擴(kuò)展。隨之而來(lái)的基坑范圍和深度也不斷擴(kuò)大,深基坑支護(hù)技術(shù)已成為地下工程建設(shè)的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。為滿足安全、經(jīng)濟(jì)的施工要求,排樁+內(nèi)支撐和排樁+錨桿的施工體系被廣泛應(yīng)用于基坑工程中。兩者各有優(yōu)劣,相較于錨桿支護(hù),內(nèi)支撐具有以下缺陷,一是限制施工高度,加大了施工難度,不利于高效施工;二是內(nèi)支撐主要采用混凝土結(jié)構(gòu),后期拆除造成資源浪費(fèi)。樁錨支護(hù)雖然能避免內(nèi)支撐所帶來(lái)的劣勢(shì),具有造價(jià)低、可為后續(xù)的土方開(kāi)挖及基礎(chǔ)地下室的施工提供更大的空間等優(yōu)點(diǎn)。但它同樣也有缺點(diǎn),如,支護(hù)工程雖然屬于臨時(shí)工程,但是錨桿卻被永久地遺留在地下,為后期地下空間的開(kāi)發(fā)造成阻礙,并且錨桿都為金屬材質(zhì),隨著時(shí)間推移被不斷的分解,會(huì)造成土壤和地下水源的污染。從2005年提出把建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)作為一項(xiàng)戰(zhàn)略任務(wù),到如今把“綠水青山就是金山銀山”的科學(xué)論斷作為國(guó)策,在眾多綠色發(fā)展理念的推動(dòng)下,研究如何有效利用錨桿技術(shù)、減少浪費(fèi)、綠色發(fā)展成為迫在眉睫的問(wèn)題。可回收錨桿技術(shù)的誕生延續(xù)了傳統(tǒng)錨桿的優(yōu)勢(shì),并為上述問(wèn)題提供了較好的解決方案。該技術(shù)最初于20世紀(jì)60年代在國(guó)外提出,80年代因?yàn)槠浣?jīng)濟(jì)性傳入國(guó)內(nèi),但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)不成熟效果較差導(dǎo)致市場(chǎng)認(rèn)可度低。到21世紀(jì),進(jìn)入真正大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用地下空間的時(shí)代,隨著土地市場(chǎng)化的發(fā)展和更多地方用地政策的出臺(tái),超越用地紅線問(wèn)題日益被關(guān)注,可回收錨桿技術(shù)重新得到重視。雖然該技術(shù)在中國(guó)起步較晚但發(fā)展迅速,相關(guān)企業(yè)由幾家發(fā)展到現(xiàn)在幾十上百家,相對(duì)國(guó)外完成了從落后到追平甚至部分領(lǐng)先的壯舉。

一、可回收錨桿

(一) 可回收錨桿概述

可回收錨桿顧名思義就是錨桿可自行回收,施工完成后錨桿不再被當(dāng)成一種廢料留在巖土中成為日后土地開(kāi)發(fā)的障礙物,而是在施工完成后將錨桿從巖土中取出,最大程度地減少對(duì)土壤的污染。如今國(guó)內(nèi)外主流的可回收錨桿大多只是錨桿可回收,錨固件由于埋藏深回收困難而且體積小對(duì)土地開(kāi)發(fā)造成的影響較小而選擇使留在地下,不過(guò)隨著可回收錨桿技術(shù)的發(fā)展,可完全回收錨桿也已陸續(xù)亮相。

(二) 可回收錨桿的分類

可回收錨桿技術(shù)在國(guó)內(nèi)外歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,如今種類可謂百花齊放,從施工工藝方面主要可分為機(jī)械式、力學(xué)式和化學(xué)式回收;根據(jù)錨桿的回收機(jī)理可分為自解鎖類、錨筋回轉(zhuǎn)類、自鉆自鎖類、半拆筋類、過(guò)載強(qiáng)拉類、端頭錨固類,又分別用A、B、C三個(gè)等級(jí)對(duì)錨桿部分的回收程度進(jìn)行劃分;根據(jù)承載形式可分為壓力集中型或壓力分散型;根據(jù)錨固漿體形狀可分為直徑形和旋噴擴(kuò)體型;根據(jù)錨固體填充材料還可分為水泥漿型和水泥土型。

二、國(guó)外可回收錨桿的發(fā)展

早在20世紀(jì)60年代,日本和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)土地利用率較高,且科技發(fā)達(dá)、環(huán)境保護(hù)意識(shí)強(qiáng),所以對(duì)錨桿超出用地“紅線”問(wèn)題比較重視,隨后這些國(guó)家先后開(kāi)發(fā)出多種可回收錨桿。

(一) JCE可回收錨索桿

日本國(guó)土防災(zāi)股份有限公司開(kāi)發(fā)的JCE可回收錨桿屬于力學(xué)式回收錨桿,具有安裝速度快、工序簡(jiǎn)潔、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低、回收率高等優(yōu)點(diǎn),但是承載力較小、錨固件不能被回收。該錨桿安裝時(shí)并不需要張拉鎖定等施工工序,在錨固件中巧妙設(shè)置了一股解鎖鋼絞線,回收時(shí)先通過(guò)千斤頂對(duì)解鎖鋼絞線進(jìn)行張拉使錨固件“解鎖”,其它鋼絞線便可輕松拔出。

(二) IH可回收錨桿

IH可回收錨桿是由日本飛島建設(shè)股份有限公司研發(fā)的一種熔斷式錨桿,該錨桿具有成本低、回收速度快且方便、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)。其原理是在錨固端設(shè)有電磁線圈加熱裝置,對(duì)其通電便可快速完成對(duì)鋼絞線的熔斷,進(jìn)而達(dá)到回收的目的,熔斷后不需機(jī)械就可將鋼絞線拔出。

(三) DYWIDAG可回收錨桿

DYWIDAG錨桿為熔斷式錨桿由德國(guó)DSI公司研制,與日本IH錨桿設(shè)計(jì)類似,同樣是通過(guò)電感應(yīng)加熱完成對(duì)鋼絞線回收,不同的是DYWIDAG可回收錨桿在組裝之前在熔斷處設(shè)有斷裂點(diǎn),通過(guò)加熱降低鋼絞線的承載能力而達(dá)到回收的目的,回收更為方便快捷。

(四) SBMA可回收錨桿

SBMA錨桿是由英國(guó)學(xué)者開(kāi)發(fā)屬于U型可回收錨桿,它是將幾股錨桿安裝在一個(gè)鉆孔中,可以大幅度提高錨桿的錨固力,回收時(shí)通過(guò)千斤頂對(duì)錨桿施加拉力進(jìn)而取出。但其缺點(diǎn)較為突出,施工前需要對(duì)鋼絞線進(jìn)行綁扎,特別是對(duì)于直徑較大的鋼絞線工作量較大,并且回收時(shí)需要借助機(jī)械,工序復(fù)雜。

(五) 日特可回收錨桿

日特可回收錨桿又稱為自切割可回收錨桿,由日本日特建設(shè)公司研發(fā),該錨桿承載力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝回收方便、故障率低、回收率高。其錨固裝置為帶切斷裝置的滑輪,安裝時(shí)鋼絞線繞滑輪回轉(zhuǎn)180°穿出兩端受拉,回收時(shí)對(duì)錨桿一端施加拉力帶動(dòng)切斷裝置旋轉(zhuǎn)切斷鋼絞線進(jìn)而回收。

(六) 擴(kuò)大頭可回收錨桿

擴(kuò)大頭可回收錨桿由瑞典研發(fā),在瑞典、日本應(yīng)用得到驗(yàn)證。該錨桿的錨固件是由折疊鋼板組成,安裝時(shí)鋼絞線繞過(guò)錨固件裝入孔底,因?yàn)槎瞬矿w積較大承載力不再是與巖土之間的摩擦力而是錨固件端承阻力。后期國(guó)內(nèi)對(duì)該類型錨桿進(jìn)行改進(jìn),利用高壓旋噴的方式,對(duì)錨桿底部一定范圍內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)孔以達(dá)到提高承載力的目的。

三、國(guó)內(nèi)可回收錨桿的發(fā)展

可回收錨桿技術(shù)在國(guó)內(nèi)起源于20世紀(jì)80年代,最初用于礦山巷道,后面在隧道、邊坡、地下等不同領(lǐng)域得到小規(guī)模的應(yīng)用,特別是在深基坑工程中應(yīng)用最廣泛,但發(fā)展初期回收后錨桿都會(huì)有一定的損傷導(dǎo)致無(wú)法重復(fù)利用。自上世紀(jì)末以來(lái),隨著基建行業(yè)如火如荼及各種政策的實(shí)行,使可回收錨桿技術(shù)重新得到重視。在研發(fā)方面,1997年冶金部建筑研究院成功研發(fā)了采用聚酯纖維錨固件的可回收錨桿,實(shí)測(cè)回收率高達(dá)96 %。2003年總參工程兵科研所也研發(fā)出壓力分散性可回收錨桿,現(xiàn)如今研究主力除國(guó)家單位外還有更多的民企,如:北京力川、浙江中橋等。在學(xué)術(shù)領(lǐng)域,自2019年起,每年召開(kāi)的全國(guó)可回收錨桿技術(shù)研討會(huì)正促進(jìn)該技術(shù)的快速發(fā)展,在同一年,全國(guó)可回收錨桿技術(shù)與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在龔曉南院士的牽頭下成立。在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面,本世紀(jì)初可回收錨桿技術(shù)被寫入《建地基錨桿設(shè)計(jì)施工指南》,自此以后該技術(shù)被寫入更多技術(shù)規(guī)程及規(guī)范,2020年《可回收錨桿技術(shù)規(guī)程》通過(guò)審查。可以看出,雖然我國(guó)起步較晚,但發(fā)展速度更快。

(一) 機(jī)械式回收錨桿

一是壓力分散型可回收錨桿。該錨桿是由國(guó)家總參工程兵科研三所研制,是國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用最早的可回收錨桿,具有承載力大、適應(yīng)性強(qiáng)、易回收的優(yōu)點(diǎn)。使用時(shí),將鋼絞線繞錨固件180°回轉(zhuǎn)并固定,根據(jù)施工要求可在錨固段內(nèi)設(shè)置多個(gè)錨固件,回收時(shí)只需要用千斤頂或卷?yè)P(yáng)機(jī)對(duì)鋼絞線一端進(jìn)行張拉即可取出。后來(lái)深圳某公司研發(fā)的JL可回收錨桿為該錨桿的升級(jí)產(chǎn)品,取長(zhǎng)補(bǔ)短克服了普通U型錨桿的缺點(diǎn),并在多個(gè)工程中得到規(guī)模性應(yīng)用。二是LTRA可回收錨桿。LTRA可回收錨桿是由廣州泰基工程公司研發(fā),該錨桿是采用主副錨桿形式,其主錨桿為受力構(gòu)件,副錨桿為回收錨桿。其傳力路徑為錨頭—主錨桿—錨固件,錨固件由水泥砂漿固定在孔洞內(nèi)并負(fù)責(zé)傳力至周圍土層中進(jìn)而成為一種壓力型錨桿。回收時(shí),通過(guò)張拉副錨桿使錨固件失效拔出主錨桿。該錨桿具有回收工序簡(jiǎn)潔、回收速度快、回收再利用率高且應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。

(二) 力學(xué)式回收錨桿

一是直列無(wú)極調(diào)壓式可回收錨桿。該錨桿是由北京力川地基工程公司研制,該錨桿錨固件為一種無(wú)級(jí)調(diào)壓保險(xiǎn)裝置,對(duì)錨桿根數(shù)沒(méi)有限制并且每根鋼絞線獨(dú)立工作。安裝時(shí),對(duì)保險(xiǎn)調(diào)壓機(jī)設(shè)置一個(gè)保險(xiǎn)壓力值壓緊鋼絞線。回收時(shí),對(duì)錨桿施加大于壓力值的拉力便可解除保險(xiǎn)抽出錨桿,具有回收方便,對(duì)鋼絞線傷害小重復(fù)利用率高等優(yōu)點(diǎn)。二是定閥式可回收錨桿。定閥式可回收錨桿是由武漢武建機(jī)械施工公司研發(fā),原理與直列無(wú)級(jí)調(diào)壓式錨桿類似,通過(guò)擠壓套固定錨桿。回收時(shí),用千斤頂或絞盤對(duì)錨桿施加拉力,錨桿從錨固件中抽出的同時(shí)也破壞了與注漿體之間的粘結(jié)力,鋼絞線便可輕松拔出。在回收過(guò)程中對(duì)錨桿的破壞小,回收率再利用率高,有明顯的成本優(yōu)勢(shì),隨著重復(fù)次數(shù)的增多成本不斷下降,可以降低項(xiàng)目造價(jià)40 %以上。

(三) 化學(xué)式回收錨桿

化學(xué)式回收是在施工完成后通過(guò)在錨固端設(shè)置的熔斷或爆破裝置斷開(kāi)錨桿與錨固件的連接后拔出,包括熱熔材料型、電磁感應(yīng)型、化學(xué)藥劑、爆燃型。在國(guó)內(nèi),由于工藝較為復(fù)雜而且化學(xué)藥劑存儲(chǔ)條件嚴(yán)格,在實(shí)際工程中應(yīng)用都較少。蘇州能工基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司是國(guó)內(nèi)具有代表性的熱熔型錨桿廠商,錨桿被夾片夾緊,回收時(shí)對(duì)電磁線圈通電加熱,融化熱熔材料便可使夾片脫落取出錨桿。

(四) 其他形式錨桿

一是充氣式可回收錨桿。充氣式錨桿是近幾年新興的可回收錨桿,在錨桿的錨固端設(shè)置氣囊,通過(guò)對(duì)氣囊的充放氣完成錨桿的錨固及回收,可廣泛應(yīng)用于軟土地基中,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便快捷、環(huán)保無(wú)噪音、可實(shí)現(xiàn)錨桿的完全回收等優(yōu)點(diǎn)。但承載力較小、氣囊容易爆破、極限位移較大也是它突出的缺點(diǎn)。二是自鉆自鎖式可回收錨桿。該類錨桿施工時(shí)無(wú)需打孔,通過(guò)鉆機(jī)將帶有葉片的錨桿強(qiáng)行鉆入,鉆入過(guò)程中通過(guò)擠壓土層改善土層的力學(xué)特性并快速獲得錨固力,但由于錨桿長(zhǎng)度普遍較短所以支護(hù)效果一般,且對(duì)地層要求較高、效率較低。

四、可回收錨桿技術(shù)存在問(wèn)題及展望

近年來(lái),可回收錨桿技術(shù)已成為未來(lái)工程建設(shè)的必然趨勢(shì),雖然可回收錨桿技術(shù)解決了傳統(tǒng)錨桿存在的缺陷,但隨著工程應(yīng)用其弊端也不斷顯現(xiàn),當(dāng)下存在的問(wèn)題即未來(lái)的著力發(fā)展方向,對(duì)目前可回收錨桿技術(shù)存在的問(wèn)題及未來(lái)的展望做以下闡述。一是,大部分錨桿不可完全回收。當(dāng)下主流的回收錨桿只是對(duì)錨桿的回收,錨固件往往被留置在地下,沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正意義上的可回收。日后需進(jìn)一步研發(fā)類完全可回收錨桿,或?qū)χ髁麇^桿的錨固件改進(jìn),在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐用性的前提下,采用無(wú)污染、可降解材料實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)金屬錨固件的替代。二是,大部分錨桿回收工藝復(fù)雜。當(dāng)前對(duì)錨桿的回收普遍需要借助千斤頂或絞盤并存在鋼絞線無(wú)法拉出或用力過(guò)大拉斷的情況,作業(yè)條件差通常在狹長(zhǎng)的肥槽內(nèi),無(wú)論是對(duì)工具的挪動(dòng)還是安裝都費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此,需要繼續(xù)研發(fā)高效便捷的可回收錨桿,提高回收再利用率。三是,實(shí)際應(yīng)用率及市場(chǎng)認(rèn)可度低。專利多而成果轉(zhuǎn)化率低成為普遍現(xiàn)象,大部分產(chǎn)品止步于專利申請(qǐng)和室內(nèi)試驗(yàn),相關(guān)部門應(yīng)出臺(tái)提高成果轉(zhuǎn)化率的政策,把專利轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品提高實(shí)際應(yīng)用率。而且可回收錨桿成本更高,在競(jìng)標(biāo)環(huán)節(jié)沒(méi)有優(yōu)勢(shì)而且產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊導(dǎo)致市場(chǎng)對(duì)可回收錨桿認(rèn)可度低。政府應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)管,頒布有利于可回收錨桿發(fā)展的政策或獎(jiǎng)勵(lì)措施及可回收錨桿的質(zhì)量、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),提高產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)而達(dá)到提高市場(chǎng)認(rèn)可度的效果。四是,設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究不夠完善。理論發(fā)展落后于實(shí)踐這一直是土木工程有關(guān)學(xué)科的劣勢(shì),同樣可回收錨桿技術(shù)理論研究一直處于滯后的狀態(tài),對(duì)錨桿的應(yīng)力分布情況,錨桿直徑、地層類型等因素對(duì)錨固效果的影響沒(méi)有準(zhǔn)確清晰的認(rèn)識(shí)。應(yīng)充分利用理論研究、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)等方式,并借鑒動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理念形成一套針對(duì)可回收錨桿的的設(shè)計(jì)理念。并且需要加強(qiáng)對(duì)特殊情況下的設(shè)計(jì)研究,比如:高溫、凍土、沖擊荷載、臨近基坑等。