土层锚杆在地铁站基坑支护中的应用
摘要：结合在广州地铁二号线客村站基坑支护中土层锚杆的施工，介绍了土层锚杆的材料特性、施工工艺，及土层锚杆支护基坑的安全监测，为该项工艺在基坑施工中的合理使用提供了借鉴。
关键词：土层锚杆；基坑；支护；施工；监测
0 引言
随着城市人口及地面车辆的不断增加，我国各个大型城市的地面交通拥堵不堪，地铁作为不受地面交通影响的交通方式，越来越受到各个城市的青睐，逐渐进入了各大城市。而地铁修建都位于城市底下，安全问题尤为突出，其中安全稳定地进行基坑施工也是重要的一环。笔者结合在广州地铁二号线客村站基坑施工，谈谈土层锚杆在地铁站基坑支护中的应用体会。
广州地铁二号线客村站在基坑支护中，除东西端局部角撑采用钢管支撑外，其余主体部位均采用了土层锚杆。在精心施工和严密监控下，使基坑保持了稳定，土方有序开挖，结构安全施工，达到了预期目的。
1工程概况
客村站位于珠江南岸新港中路与新市头路交汇处, 呈“一”字型浅埋于新港中路快、慢车道下，与地铁三号线呈“十”字交汇状。车站中心里程为YDK5+216.00，起 讫 里 程 YDK5+128.69—YDK5+311.59。车站总长度为182.90 m，东段（A区）长43.10 m，宽32.85 m，中部公共区长71.70 m，标准宽度23.10 m，西段（B区）长68.10 m，宽37.47 m，交汇节点位于车站中部，长89 m。车站建筑总面积为13 635 m2（含二、三号线转换层），其中主体建筑面积为11 798 m2，附属建筑面积为1 837 m2。车站有效站台中心处轨面埋深14.28 m（绝对标高- 0.98 m），二号线底板埋深为17.37m，三号线换乘层底板埋深为22.67～25.17m。
车站围护结构采用1 000×1 500矩形挖孔桩连续墙，在基坑开挖时作为支护结构，在使用阶段亦作为受力结构，与主体结构内衬墙共同组成重合墙结构形式。
车站主体结构与围护结构、基坑垫层之间采用柔性防水层全包防水，并以结构自防水为主。
车站与三号线形成“十”字换乘关系，主体结构东西端为2层4跨，中部公共区部分为3层3跨，部分为2层3跨。
主体结构按一级防水标准施工，按一级耐火等级设计，人防等级按六级设计，按地震烈度Ⅶ度设计，基坑安全等级为一级。
2工程地质及水文地质
客村站区范围呈西高东低之势，地质构造简单，但地层复杂，层厚变化大。车站主体结构大部分分置于Ⅰ、Ⅱ类围岩中，地层自上而下依次为：人工填土层（
）、淤泥质土（
）、砂层（
）、冲、洪积土层（
）、残积土（Q
el）、全风化岩石（K
sl）、强风化带岩石（
）、岩石中等风化带（
）。
站区内地下水主要为孔隙水和基岩裂隙水两大类。稳定水位埋深为1.35～3.40 m，平均埋深1.97 m。主要补给源为大气降水和生产生活用水。
3 土层锚杆的施工
3.1 土层全锚方案的成因
客村站的基坑支护，原施工图为半锚方案，即除B区南北两侧部分采用锚杆外，其余B区端角及A、C区均采用φ600钢管支撑。因地铁三号线的引入，增加了二、三号线的转换层，使地铁二号线客村站工程规模和结构形式发生了较大变化，基坑加深，车站增长，工程量增多，施工难度加大。工程开工后一度停顿，工期滞后4个多月。后二号线的总工期有所提前，要在还有的16个月的施工期内再抢出4个月的滞后时间，显然难度很大。尤其是土方开挖，成为控制工期的关键工序。
对此，经分析和论证，采用了全锚方案，即除东西端部的角撑外，其余基坑的主体部位均采用锚杆。其优点是避免了钢支撑的架设和拆除，不仅可节省大量钢材和人力，更为关键工序的土方开挖提供了最大限度的空间和时间，可以在施锚的同时进行土方开挖，二者互不干扰，且相得益彰。
3.2 土层锚杆的施工
施工工艺按《广州地区建筑基坑支护技术规定GJB 02—98》和中国工程建设标准化协会标准《土层锚杆设计与施工规范CECS22:90》执行。施作锚杆工艺流程如图1所示。
3.2.1 锚杆布置
全站区共布设锚杆624条，总长约16 000 m，采用单桩单锚，不设腰梁，上下排间距考虑群锚效应，一般均大于2.0～2.5 m，依据基坑深度布设3～4排，水平根间距为1.5 m。锚杆倾角为25°～30°（与水平角），以便于注浆。
3.2.2锚杆的材料
锚杆设计为预应力，受力材料采用4～6束7φ5高强度低松弛钢绞线（强度等级1 860 MPa），长度为12～32 m，场地内土层主要为淤泥质黏土、砂层、粉质黏土和风化岩，锚杆的锚固段一般位于粉质黏土和风化岩内。
3.2.3锚杆的成孔
锚杆的成孔采用地质XY- 100型钻机，此机扭力矩较大，成孔速度快，适合本地区地层施工。采用三叶钻头进尺，在粉质黏土中含破桩0.2 m/min，在风化岩中0.1 m/min。填土层及淤泥层采用跟管进尺，黏土层、全风化土层用清水钻进。钻孔深度一般超过设计的0.5 m。钻孔达到深度后用大泵量清水冲孔，将其孔中的泥浆等黏粒冲出孔外，以有效地利用土层的握裹力。钻孔设计孔径为150 mm。
3.2.4 锚杆的制作与安放
预应力锚杆杆体的编束按设计要求进行，比设计长度加1.5 m。4～6束7φ5钢绞线按一定规律平直排列，每隔1.5 m安设一个固定环用钢线绑扎牢，注浆用的压浆管也随之绑扎好，使锚杆杆体在运输安装过程中不致散乱，并使钢绞线有足够的防腐隔离层。在绑扎锚杆杆体时不宜采用镀锌铁丝，以免产生化学腐蚀现象。锚杆设5～11 m的自由段，杆体涂黄油至用软塑料管包裹，使钢绞线与注浆体隔离，并可自由伸长，用以施加预应力。在定位器环内与杆体同时绑扎注浆管，随锚杆体送入锚杆孔中作第一次注浆用，随注浆随抽动直至注满抽出；在定位器环外绑一PVC注浆管作第二次注浆用。
3.2.5锚杆的锚固材料
为了确保锚杆的锚固效果，必须对进场的材料如锚杆、锚具进行检查，其力学性能合格后才能使用；水泥砂浆必须做好配合比试验，其强度不得低C30；锚具规格型号要进行检查。本站采用：
a)锚杆直径[15.24+(0.00～0.15)]mm，屈服极限1 800 MPa以上，伸长1%的最小荷载E1≥234 kN。
b)锚具采用柳州建筑机械总厂产的OVM锚具。
c)水泥采用525号水泥，水泥砂浆配合比为0.45∶1。
3.2.6注浆
为了保证达到足够的抗拔力，锚杆施工采用二次高压注浆。经试验，采用水灰比为0.45，第一次注浆压力为0.6 MPa，第二次注浆压力为2～4 MPa，每次注浆时间8～20 min。两次注浆时间间隔按常规一般为不小于12 h。为加快施工进度，掺用了8.6%的膨胀剂和1%的减水剂，以加快凝固，提高早期强度。本站施工中两次注浆时间一般控制在6 h左右。注浆采用BW- 150型灌浆泵。
3.2.7锚杆的头部处理
先找准桩号、定位，凿去桩上护壁砼及桩体钢筋保护层，尽量不切或少切断钢筋，本次经验算可切除一根钢筋，其破桩直径尺寸为180～200 mm，与桩面呈25°或30°的坡角，垂直于锚杆，钢垫板采用20 mm×175 mm×175 mm。
3.2.8 锚杆的张拉与锁定
预应力锚杆张拉控制应力，根据《混凝土结构设计规范》（GBJ10—89）确定。一般可取钢绞线承载力标准值的90%或设计抗拔力的1.5倍。在锁定过程中，张拉荷载一般都要回缩，故应超拉至1.1～1.3倍的锚杆设计轴向拉力值，然后再予以锁定，以确保锚杆预应力值满足设计要求。
3.2.9 锚杆孔口的止水
在锚杆张拉锁定的同时，将锚杆的孔口填满防水水泥砂浆，并捣实一段300～500 mm的距离。在张拉锁定的孔口板下抹一层薄的水泥砂浆，防止垫板与桩面接触处留下缝隙导致渗水。考虑到张拉锁定后还有可能漏水，在锚杆垫板上加一个φ10的小孔，以便在渗漏时再次灌浆直至把水止住。在桩墙基面找平时需切除锚头外露的钢绞线，用砂轮锯切割后再用防水水泥砂浆封堵锚头并抹平，然后才能进行防水卷材的施工。
4土层锚杆基坑支护的效果
全锚杆加角撑方案的实施，为基坑土方开挖提供了充分的空间。施工流向自西向东，分3个阶段递次跟进，历时约130 d，完成土方工程约100 000 m3，使主体工程施工形成了流水作业的良性循环局面。
5 对土层锚杆支护基坑的安全监测
为了保证基坑的安全，在施工中采取了如下的监控措施：
a)认真核对设计，做到稳妥可靠。
b)尊重科学，先试验后施工，根据试验数据指导施工。
c)建立监测系统，及时反馈信息。在基坑周围设置了若干监测点，重点是对锚杆的锚固力、钢支撑轴力、基坑水平位移和地面沉降的监测，用以作为安全监控的依据。监控频率一般按监测方案规定，雨天或特殊情况时加密，监测结果随时以简报报告，反馈信息，指导施工。
d)果断采取措施，保证施工安全。在施工过程中，通过增多锚杆、加长锚固段、加大锚固力和调整受力间距，对保证基坑安全起到了关键性的作用。
由于采取了以上措施，至施工完毕，基坑一直处于安全可控之中。
6全锚方案基坑支护的几点启示
全锚方案在基坑支护中的应用，总体上说是成功的。但它也留给人们一些启示。
全锚方案的设计要依据地层情况，合理选用参数。土层锚杆的允许拉力与土层的性质关系很大，在硬土层内最大拉力可达到1 500 kN，在一般黏性土或非黏性土中，单锚拉力约为300～600 kN，因此锚杆的锚固段应尽量设置在良好的土层内。本地段土层为淤泥质土、粉质黏土和风化砂岩中，应该说是可行的，但第一道锚杆设计拉应力偏小（250 kN），因而造成围护结构初始位移偏大，后经调整，才得以控制。但若第二、三道锚杆设计拉力过大，上述土层也难以承受。
全锚方案的设计宜在围护桩施工图阶段完成，以便在围护桩施工时调整钢筋布置，预留锚孔套管。避免在锚杆施工时再将围护桩多道钢筋截断，从而削弱桩身钢筋的受力截面，造成桩身变形过大的情况发生。
本站全锚方案是在围护结构施作后才提出，原已作围护结构已形成桩墙，墙体平顺，止水效果明显。但由于后期锚孔施钻，打出许多孔洞，使桩墙钢筋受损，孔口形成渗水通道。这样不仅使桩体承力性能减弱，桩体位移量增大，也为后来的锚头防水处理增加了难度。
锚杆设计在条件允许情况下，尽可能采用群锚，并设置腰梁，避免使用单根单锚，以保持基坑的总体稳定。本站全锚方案，无腰梁设计，虽在上下排间和水平根间距离上考虑了群锚效应，但实质上还是单桩单锚，只是由于围护结构采用了矩形方桩，且桩间相互咬合，才弥补了无腰梁的缺陷，起到了群锚作用。
锚杆设计必须与综合监控措施相结合，才能增大基坑的安全储备。
本站采用角撑，局部适当的钢支撑，合理安排工序，加快主体工程关键部位工程进度等都对基坑安全起到了保证作用。
因土层锚杆在黏性土层中不可避免地会产生蠕变，锚杆钢绞线松弛，基坑支护位移和周围环境（振动、温度、湿度等）都会导致预应力的减少。据有关试验预应力损失在黏性土中约为张拉荷载的6%～10%。但本站施工中因土方开挖随机加深，不可能进行锚杆第二次的张拉补偿，故除提高设计预应力值，并在第一次张拉时达到1.2倍的张力后再回缩锁定外，只能靠综合措施的效用，来加大安全储备。从监测数据分析，锚杆的锚固力并没有达到设计值，但水平位移还是超过了有关规定值，其中最大者B区南侧38 mm，公共区南侧中部达到57 mm，均超标。尽管从现场的实际情况基坑不致失稳，但对导致预应力损失的各种因素不能不引起应有的关注。施工中挖孔桩外放了50～70 mm，避免因位移较大而影响限界和内衬墙厚度，是合理和必要的。
7结语
土层锚杆作为一种承拉杆件，可以用于维持构筑物及所支护的土层的稳定，能够有效地简化基础结构，使结构轻巧、受力合理，并有少占场地、缩短工期、降低造价等优点，可以用作深挖基坑坑壁的临时支护，也可以作为工程构筑物的永久性基础。在基坑的挡土结构上使用，可以有效地阻止周围土层坍塌、位移和沉降。在基坑坑壁无法采用横向支护情况下，土层锚杆技术更为有效。
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