深基坑支護預應力錨索同步施工技術

劉軼博，雷 斌，宿 峰，張 工，黃其鑫

(深圳市工勘巖土集團有限公司，廣東 深圳 518063)

0 引言

隨著城市建設的快速發(fā)展，深基坑支護工程日益增多，支護結構體系也有多種形式，其中“支護樁+預應力錨索”的樁錨支護形式，因其施工簡單、經濟等特點被廣泛采用。目前普遍應用的常規(guī)錨索受其施工工藝限制，施工過程中的成孔、錨索下放、注漿等一系列工序均需按先后次序逐步操作完成，施工時間相對較長，且錨固力提升空間不高，無法滿足工期緊、任務重、質量要求高的錨索施工項目。

深基坑支護預應力錨索同步鉆進、跟錨、注漿擴大頭錨固施工技術，在原有常規(guī)錨索施工的基礎上對施工工序和機械設備進行優(yōu)化改進，解決了常規(guī)錨索工序不連續(xù)、作業(yè)時間長、錨固力提升空間小等問題。本文結合具體工程實例，對其施工工藝進行詳細闡述。

1 工程概況

1.1 工程位置及規(guī)模

西安國際文化中心土方開挖及基坑支護工程項目，位于西安市雁塔區(qū)長安南路與緯二街十字東南角，西接長安南路、東臨規(guī)劃道路、北鄰雁塔西路、南靠紅專南路。該工程南北向長度為283.9m，東西向長度為101.6m，基坑底周長727.0m，開挖深度22.8～27.3m。

該項目共分為4個區(qū)域(見圖1)，分階段施工，1區(qū)、3區(qū)基坑采用樁錨支護，支護樁設計為旋挖灌注樁，樁徑900mm；2區(qū)、4區(qū)采用內支撐支護，合同整體總工期610d。

圖1 項目總平面分區(qū)

1.2 工程與水文地質條件

根據該項目巖土工程勘察報告，場地地貌單元屬黃土梁洼的洼地，場地土自上而下主要由第四系全新統(tǒng)雜填土、素填土，上更新統(tǒng)風積黃土、殘積古土壤，中更新統(tǒng)沖洪積粉質黏土及中砂等組成。穩(wěn)定水位埋深為11.40～13.60m，標高402.040～403.720m，屬平水期水位，地下水位年變幅1.0～2.0m，地下水類型屬孔隙潛水。

1.3 錨索設計及現場施工情況

在錨索分項工程中除第1排為常規(guī)錨索外，其余錨索均應用本技術施工，錨索采用7根直徑為15.2mm鋼絞線制作，成孔直徑為自由段150mm、擴大頭錨固段450mm，成孔角度15°，設計錨固力為1 280kN，設計抗拔力為1 305kN。典型剖面如圖2所示。

圖2 錨索設計剖面

本項目第1階段進行1區(qū)施工，計劃工期163d(含土方挖運)，其中基坑支護錨索分項施工計劃工期113d(含養(yǎng)護張拉)。錨索施工采用同步鉆進、跟錨、注漿擴大頭錨固施工技術，每天兩班作業(yè)，配備4臺錨固鉆機，每臺鉆機每天完成150m錨索施工，土方挖運同步進行。錨索分項施工實際工期108d，比計劃工期提前5d完成。

2 施工工藝

2.1 工藝原理

本技術將目前常規(guī)錨索施工過程中的成孔、錨索安放、注漿等工序“三合一”同步完成，即：采用高壓旋噴錨固鉆機，以自帶噴嘴的無翼鉆頭鉆進，并在鉆桿的前端位置設置固定預應力錨索的圓盤鋼墊板和墊板頂推環(huán)，實現旋噴、鉆進、下錨同步一次性完成；鉆進、下錨過程中，前端鉆頭噴嘴噴射清水并旋噴切割土體，鉆進至設計孔深位置停鉆；然后，反轉鉆桿并同步改用高壓噴射水泥漿，并逐節(jié)回轉退出鉆桿至錨固段與自由段交界位置，此時形成大于設計孔徑的錨固段擴大頭；在自由段退鉆時，改用常壓水泥漿注漿壓力，維持錨索滿足設計直徑，直至旋噴鉆頭拔出鉆孔。

其施工過程主要包括預應力錨索鉆進、同步跟錨、擴大頭錨索注漿等關鍵技術。

2.1.1預應力錨索鉆進

預應力錨索鉆進采用液壓履帶式錨固鉆機驅動，與鉆具、高壓旋噴泵組成設備體系。鉆進時，通過鉆機輸出的動力，鉆頭、鉆桿以一定的扭矩向前推進；同時，由高壓注漿泵同步注入高壓水對鉆進土體進行高壓旋噴切割，以實現鉆進成孔。

鉆具由鉆桿、墊板頂推環(huán)、平面軸承、圓盤鋼墊板、鉆頭等五部分組成，如圖3所示。

圖3 鉆具整體結構

鉆頭、墊板頂推環(huán)和鉆桿為連接成整體的固定組合，其通過鉆頭先后套入平面軸承、圓盤鋼墊板而形成整體鉆具，平面軸承、圓盤鋼墊板為獨立的構件，其通過卡位分別承擔相應的功能，具體連接實物如圖4所示。

圖4 鉆具整體結構連接實物

1)鉆桿 由無縫鋼管制成，直徑50mm，單節(jié)標準鉆桿長度分別為2，2.5，3m，可根據成孔深度自由搭配選擇，鉆桿采用螺紋絲扣牢固連接；鉆機末端鉆桿端尾處設置接駁口，用于連接高壓注漿(水)管。

2)墊板頂推環(huán) 起到頂推軸承和圓盤鋼墊板的作用，兩端分別與鉆桿和鉆頭通過螺紋絲扣緊密連接。

3)平面軸承 起到防止鉆進過程中墊板頂推環(huán)與圓盤鋼墊板接觸面之間因摩擦阻力導致錨索跟隨轉動纏繞鉆桿的作用，保持圓盤鋼墊板和錨索始終水平；平面軸承直接套入鉆頭，頂到墊板頂推環(huán)前端。

4)圓盤鋼墊板 由鋼板制成，起到攜帶錨索與鉆桿同步鉆進的作用，圓盤鋼墊板直接套入鉆頭，頂到平面軸承前端。

5)鉆頭 為自帶噴嘴口的無翼鉆頭(通常的高壓旋噴鉆頭)，鉆頭長度約230mm、直徑40mm，雙向設置出漿(水)噴嘴，用于噴射水泥漿液或清水。

2.1.2鉆進同步跟錨

鉆進同步跟錨是依托鉆頭、鉆桿鉆進，鉆進過程中墊板頂推環(huán)、平面軸承及固定攜帶錨索的圓盤鋼墊板依次頂推實現同步攜帶錨索跟進。鉆進前，對鉆進用的組合鉆具進行安裝，其安裝次序和鉆進方向如圖5所示。

圖5 沿箭頭方向依次頂推

鉆進過程中，高壓旋噴的噴嘴噴射高壓水并切割土體向前鉆進，為達到使錨索同步跟進的目的，將攜帶錨索的圓盤鋼墊板套在鉆頭上，通過增大面積將攜帶錨索的圓盤鋼墊板定向頂推住，以起到鉆桿、墊板頂推環(huán)、平面軸承、圓盤鋼墊板之間的相互依次頂推作用，確保鉆桿與鋼墊板固定的錨索同步鉆進、下錨。

因在旋噴鉆進頂推過程中，墊板頂推環(huán)與鉆頭、鉆桿為固定組合，將同步旋轉，為防止墊板頂推環(huán)與圓盤鋼墊板接觸面之間因慣性產生的摩擦阻力會導致錨索跟隨轉動而纏繞鉆桿，因此在墊板頂推環(huán)與圓盤鋼墊板之間套入一獨立的平面軸承，軸承的自由旋轉起到消除墊板頂推環(huán)與圓盤鋼墊板因接觸而引起的旋轉，以實現鉆進過程中攜帶錨索的圓盤鋼墊板不跟隨轉動，保持錨索始終平順鉆進，防止錨索不會纏繞鉆桿的目的；如果無此軸承將墊板頂推環(huán)與圓盤鋼墊板接觸面進行隔離，會發(fā)生錨索纏繞鉆桿的情況進而導致無法繼續(xù)施工。

圓盤鋼墊板用于固定錨索，直徑與錨索設計成孔直徑相同。在鋼墊板中心設置預留孔，便于套入鉆頭。在鋼墊板環(huán)狀面上，鉆鑿對稱分布的預留孔(預留孔數量可根據下放錨索數量確定)，用于穿越錨索，為實現同步跟錨鉆進并防止錨索滑脫，在其端部采用焊接方式固定螺帽與圓盤鋼墊板進行定向防滑脫固定連接，其目的是在鉆進過程中圓盤鋼墊板與錨索能同步跟進并在退鉆過程中兩者不會被攜帶出。

2.1.3錨索注漿擴大頭形成

預應力錨索鉆進過程中，在非錨固段和錨固段均采用高壓旋噴注清水鉆進，目的是通過高壓旋噴對鉆進土體進行充分、有效切割，此時壓力值控制在15MPa(壓力大小由基本試驗確定，需保證成孔直徑滿足設計孔徑要求)；而在鉆進至設計孔深后反鉆退鉆桿時，此時下入孔內的錨索和平面軸承留在孔內，在退鉆桿的同時采用同步高壓旋噴射水泥漿，退鉆階段高壓注漿壓力值為25～30MPa，其壓力值大大超出鉆進時的清水壓力值，在錨固段利用其超高壓旋噴力再次切割土體，鉆桿退出過程中鉆頭噴嘴旋噴出的水泥漿體隨即從孔底逐漸填滿整個錨固段，同時將一部分切割出的土體擠壓推出，另有一部分土體與水泥漿體結合形成水泥土錨固體，并在錨固段形成擴大頭；在退鉆至進入非錨固段界面位置時，采用常壓噴射水泥漿，直到全部鉆桿退出。

2.2 工藝流程

深基坑支護預應力錨索同步鉆進、跟錨、注漿擴大頭錨固施工工藝流程如圖6所示。

圖6 工藝流程

2.3 操作要點

2.3.1工序操作原理

本技術工序操作原理如圖7所示。

圖7 工序操作原理

2.3.2工序操作要點

1)鉆機就位 ①鉆機就位前需將場地進行平整、壓實，以確保行走和施工安全，開挖集水溝收集成孔過程中產生的泥漿水，以防其四處溢流；②場地等條件滿足要求后鉆機就位，根據錨索孔位調整機身高度及傾角，反復測試無誤后開始鉆進施工。

2)錨索制作 ①錨索嚴格按設計圖紙制作，錨索制作時采用切割機切割，嚴禁電焊燒斷，錨索截斷時至少預留800mm長鋼絞線，以備后期張拉；②錨索穿過圓盤鋼墊板焊接固定螺帽時采用電弧焊，為確保焊接質量及避免焊接時對錨索和螺帽造成損傷，選用502型焊條，焊接電流控制在160～200A，焊接部位殘留的焊渣應及時敲掉處理；③制作好的預應力錨索整齊排列擺放，避免堆疊，以便取用。

3)高壓旋噴清水同步跟錨開孔 ①開孔前需對同步跟錨的組合鉆具進行安裝，先將頂推環(huán)端部與鉆頭尾部通過螺紋絲扣進行緊密固定連接，后將鉆桿固定在鉆機鉆進旋轉驅動軸上，借助驅動軸旋轉力將鉆桿與頂推環(huán)尾部同樣通過螺紋絲扣緊密固定連接，此時鉆桿、鉆頭、頂推環(huán)三者形成整體的獨立體系；②將平面軸承直接套入鉆頭，頂推在頂推環(huán)的前端；③將攜帶錨索的圓盤鋼墊板直接套入鉆頭，頂推在之前套入的平面軸承前端，此時，平面軸承與攜帶錨索的圓盤鋼墊板形成獨立體系，該體系最后將留在孔內。

具體安裝順序如圖8～10所示。

圖8 鉆桿、頂推環(huán)、鉆頭固定組合連接

圖9 鉆桿、頂推環(huán)、鉆頭固定組合前端套入平面軸承

圖10 鉆桿、頂推環(huán)、鉆頭、平面軸承前端套入攜錨索的圓盤鋼墊板

4)高壓旋噴清水鉆進至設計孔深 ①鉆進時采用清水輔助旋噴鉆進，清水通過高壓變頻注漿泵加壓后經高壓輸送膠管輸送至履帶旋噴鉆機，高壓輸送膠管與履帶旋噴鉆機末端鉆桿端尾處注漿(水)管接駁口相連，水壓控制在15MPa，轉速控制在20r/min，鉆進速度控制在0.3m/min，水流量控制在30～60L/min，鉆進至設計孔深后停鉆；②鉆進過程中保持好鉆進角度并控制好鉆進速度，同時觀察錨索跟進情況，如遇錨索有纏繞鉆桿的情況極有可能是平面軸承故障導致，此時應立即停止鉆進并將鉆桿、錨索全部退出，更換平面軸承后重新鉆進。

5)錨固段退鉆高壓旋噴同步注水泥漿 ①鉆孔清水鉆至設計孔深后停止鉆進，反轉鉆桿逐節(jié)退出并拆卸鉆桿；②反轉退鉆的同時，關閉清水改換水泥漿，水泥漿通過高壓變頻注漿泵加壓后經同一條高壓輸送膠管輸送至履帶旋噴鉆機，在錨固段實現邊退出拆卸鉆桿邊進行高壓旋噴注漿；③水泥漿在后臺配制，采用P·O 42.5R早強型普通硅酸鹽水泥。制備水泥漿時，嚴格控制水灰比，水灰比為1∶0.7，水泥漿采用高速攪漿機制漿，攪拌時間不小于30s。水泥漿拌好在放置到儲漿桶前過篩，防止雜物進入漿管堵塞噴嘴；為使水泥漿不發(fā)生離析，儲漿桶內設慢速攪動裝置，且水泥漿液存置不得超過4h，否則作為廢漿處理。為確保注漿效果，水泥漿制作后臺距離錨索施工作業(yè)區(qū)域<50m，以確保注漿壓力；④旋噴水泥漿噴漿壓力控制在超高壓25～30MPa，以達到旋噴時更強的切割、注漿效果。為保障錨固段孔徑尺寸和錨固強度，轉速和后退速度與鉆進時相比均適當降低，其轉速控制在15r/min，退鉆速度控制在0.25m/min，水泥漿流量控制在50～70L/min，以依靠高壓噴射的水泥漿對土體進行切割將錨固段孔徑擴大，完成注漿的同時形成“擴大頭”加大錨固力，錨索擴大頭段如圖11所示。

圖11 擴大頭錨固段示意

6)自由段常壓注水泥漿 ①退鉆至錨固段與自由段界面位置時，改換常壓1.0～1.2MPa進行補漿，退鉆速度控制在0.5m/min，直至鉆桿完全退出，嚴禁噴水以免稀釋漿液；②注漿過程中泛出的漿液應及時處理，避免凝固后再處理而發(fā)生額外費用，待鉆桿完全退出后停止注漿，至此完成該條錨索施工。

7)張拉鎖定 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，張拉到設計值的110%～115%后鎖定荷載。

2.4 工藝特點

1)施工速度快 本技術將錨索施工過程中的鉆孔、下放錨索、注漿等工序同時、同步施工，即：成孔完成的同時完成錨索下放和注漿，無工序搭接及閑置等待情況，將原常規(guī)錨索施工時間縮短三分之一以上，具有施工效率高、速度快等特點。

2)錨固效果強 本技術錨索注漿采用高壓旋噴擴大頭形式，在錨固段通過超高壓旋噴施加的切割與注漿力(水泥漿旋噴壓力值25～30MPa)，將此段孔徑擴大(直徑達450mm)，水泥漿與土結合形成水泥土擴大頭錨固體，經現場試驗，其抗拔承載力可達常規(guī)錨索的2.56倍，錨固效果顯著提高。抗拔承載力試驗對比數據如表1所示。

表1 抗拔承載力驗收

3)施工成本低

本技術施工速度快，工效大大提升，時間成本大大降低；同時憑借錨固拉力強的優(yōu)勢，在相同地質條件、相同施工區(qū)段長度，相對于常規(guī)錨索可減少設計用量，施工成本大大降低。

2.5 實施效果評價

本技術已在多個錨索支護的深基坑工程項目進行實踐，證明了其施工效率、施工質量、施工成本等方面都遠優(yōu)于常規(guī)錨索施工方法，得到了設計單位、監(jiān)理單位和建設單位的一致好評，取得了顯著的社會效益。

3 結語

深基坑支護預應力錨索同步鉆進、跟錨、注漿擴大頭錨固施工技術，將目前常規(guī)錨索施工過程中的成孔、錨索安放、注漿等工序步驟“三合一”同步完成并形成擴大頭錨固，提高了施工效率的同時，增加了錨固拉力，是對傳統(tǒng)工藝的重要補充，是一次技術創(chuàng)新，拓寬了常規(guī)錨索施工技術范圍，具有指導意義和推廣價值。