拉力型锚索在地铁深基坑支撑体系中应用
【摘 要】本文结合北京地铁十号线二期角门东车站锚索支护体系施工实例,介绍了拉力型锚索的构造受力特点，简述了预应力锚索在地铁不对称受力深基坑支护应用的施工技术要点及施工工艺。
【关键词】深基坑；不对称受力；锚索支护；施工工艺
前 言
目前荷载分散型预应力锚索（包括拉力分散、压力分散、拉压分散型）在高大边坡、坝基及大型地下洞室围岩加固工程中得到了广泛应用，预应力锚索工程施工是一项地质条件变化复杂、关键工程隐蔽和施工技术难度较大的特殊施工作业，施工工艺和技术要点对锚固的质量要求高,制定合理的施工工艺和施工技术控制措施，有助于提高锚索锚固效果和施工安全。本文以北京市地铁十号线二期角门东车站深基坑桩撑+锚索（拉力型锚索)支护体系为例，对支撑体系预应力锚索加固结构、施工技术及施工工艺等进行阐述。
1、预应力锚索作用机理分析
预应力拉力型锚索具有结构简单、施工方便的特点，在深基坑开挖支护体系中应用广泛。锚固段内锚索荷载依靠锚固段预应力钢绞线与浆体相接触界面上的粘结应力，由锚固段渐进式的往下传递，荷载作用时在锚固段上部浆体中拉应力集中，并沿深度方向衰减。在预应力锚索中设置一定长度的自由段，岩体对锚固段的锚固力通过自由段传递到钢围檩及围护桩上并实现受力平衡。粘结式锚索用于支撑体系一方面由于预应力作用，使钻孔桩与锚固段间的土体结构呈密实压缩状态，保持挡护土体的整体性，另一方面由于锚索施加的预应力作用改变了破裂面土体的应力状态，从而保证开挖基坑边坡土体的自稳能力。
2、地铁明挖支撑体系设计
2.1工程概况
角门东站位于规划石榴庄路与马家堡东路（太平街南延）交叉路口西侧路面下方，沿石榴庄路东西向布置，设计起讫里程K34+448.169～K34+654.069，长205.9m，标准段宽21.0m，基坑深17.1m，车站顶板覆土厚度3.1～3.7m。车站设3个出入口，1个商业开发接驳口，2组风亭。车站主体结构采用明挖法施工，车站两端接盾构区间，东端为盾构接收井，西端为盾构始发井。
车站北侧为宽4m、深2m的河道，基坑开挖前已将河道向北改移，以实现交通疏解的要求，改移后的河道距车站基坑最近处19.4m。车站基坑南侧5.0～19.1m范围内有两处大红门商业楼已开挖未施作结构并回填的深基坑（与地铁车站接驳的商业通道基坑，桩锚支护，深15m），如图1所示。地铁车站基坑与商业楼基坑分槽开挖，工期上存在一定交叉，在地铁基坑施工时，两处商业楼基坑未回填部分对地铁基坑的稳定性有较大影响。
地铁车站基坑结构采用
Ф1000@1800钻孔灌注桩做围护，垂直方向采用三道钢支撑。为有效解决车站深、大基坑不对称受力情况，基坑北侧采用拉力型预应力锚索进行支护，即在商业楼基坑未回填部分对应的车站基坑北侧9～19轴（187～214号桩段28.8m、238～255号桩段46.8m）施加二道锚索，该部分围护结构采用桩+钢管支撑(Φ600mm×16mm)+ 预应力锚索相结合方式，如图1所示。其中，锚索采用4股7Φ5钢绞线，锚索孔径为Φ150mm，锚索锁定拉力取设计轴力的65％；设锚索段钢支撑未设预加轴力，施工中适当顶紧即可。
车站场区地貌主要为河流的河漫滩和古河床上，地形基本平坦，属于平原新近沉积区。地层结构由杂填土层厚1.4～1.8m，砂质粉土、素填土层最大厚为1.6m，细中砂最大厚为3.2m，卵石层最大厚为12.6m、卵石最大粒径约16cm。车站北侧河道东西流向，与地铁车站平行走向，平时河水水量小，汛期大雨来临时河水可迅速涨满河床至路面。
2.2预应力锚索
锚索采用拉力型回缩锚索，锚索由锚固段、自由段和紧固头三部分构成，紧固头由冠梁或钢围檩、钢垫板和锚具组成。锚索长度包括锚固段、自由段、张拉段三部分。锚固段长度主要考虑地质条件等因素对锚固力的影响而确定，车站主体结构基坑锚固段长度为15.0m，自由段长度分别为12.3m和8.0m，张拉段长1.5m竖向倾角15°，锚孔直径为Ф150mm。锚索采用1×7标准型钢绞线，公称直径为15.2mm，抗拉强度标准值为1860MPa。
2.3锚索支护参数
车站共设置二道拉力型预应力锚索，如图2。结合地下既有管线位置情况，第一道锚索位于地面以下1.8m，纵向间距3.6m（两桩一锚）,每根锚索长为28.8m，自由段12.3m，锚固段15.0m，4束钢绞线，设计轴力为612kN，锁定荷载为398kN；第二道锚索位于地面以下8.2m处（第二道钢腰梁），纵向间距1.8m（一桩一锚），每根锚索长为24.5m，自由段8.0m，锚固段15.0m，4束钢绞线，设计轴力为819kN，锁定荷载为533kN。
2.4围护桩支护参数
车站主体结构基坑平均开挖深度为17.1m，围护桩采用钻孔C30钢筋砼灌注桩，直径1000mm，间距1800mm，桩长20.70～22.55m，桩址分别插入圆砾和砾砂地层中，入土深度为4.5m或5.0m。
2.5腰梁构造
腰梁是锚索向钻孔桩传递荷载和锚固的载体，其设计承载力与锚索的最大荷载相匹配，并满足应力集中的要求。锚垫块采用钢锚垫块，腰梁采用双Ⅰ22b工字钢通过钢板连接而成。
3、主要施工工艺
锚索基本施工工艺：施工准备→钻孔→锚索制作→穿索→注浆→张拉锁定。施工遵循“分段分层、由上而下、先锚固、后开挖”的原则进行。
3.1钻孔
锚索施工紧接基坑土方开挖进行，基坑土方开挖采取分层开挖，当每层土方开挖至锚索孔位下0．5m左右高程时，平整开挖面后即移动钻机就位进行钻孔作业。针对车站基坑北侧锚索主要位于细中砂、砂卵层的地质条件, 土层易于塌缩孔和卡钻埋钻的特点，该工程采用套管跟进钻孔技术，钻机采用套管跟进水冲法作业，机内配置高压泵及可冲击钻头，土壤在高压水冲击钻头及推进力的作用下冲散成孔，泥浆及水沿套筒周边涌出，反复冲击，形成扩大头锚杆，能更有力地保证锚索的支撑作用。
锚索钻孔直径150mm，锚索钻孔间距水平方向允许偏差为±50mm，垂直方向允许偏差为±10mm，钻孔倾斜允许偏差为3‰，孔深应超过锚索设计长度0.3～0.5m，终孔后清孔要彻底，并立即插入锚索灌注水泥浆。采用套管跟进水冲法作业的特点是施工时受地质变化影响较小，成孔速度快，一般土层成孔时间为2h(钻孔30m)，不足之处是施工时需水量大，正式钻进前，须于基坑内设置一个泥浆沉淀池和排水沟，做好排水工作。
3.2锚索束体制作与安装
锚索采用1×7标准型钢绞线，直径为15.2mm，下料长度应结合孔深、腰梁宽度、锚头锚具及承压板厚度以及千斤顶工作长度等因素确定，每根钢铰线长度误差小于50mm，锚固段每隔1.5m设一个固定环，用绑扎丝绑扎牢固。锚索自由段钢绞线外包Ф20塑料管保护，两端应裹严密，防止漏入水泥浆。锚索体组装前钢筋应平直、除油和除锈。杆体放人孔内后，外露张拉长度1.5m(以桩外边为准)。
针对本基坑锚索所处地层为细中砂、砂卵层的具体情况，采用锚索与钻杆(注浆管)随二次钻进一同放人钻孔中，钻孔完毕对钻孔质量检验合格后，在保持钻机原有钻孔角度不变的情况下，确保钻杆放入锚索的角度与钻孔角度保持一致，钻杆钻进放送要均匀，不要左右摇摆，以保证不相互交叠和防止张拉时受力不均匀。入孔就位后，应检查锚束是否扭曲、弯曲，并保证自由段管不受损伤。注浆管头部距孔底宜为50～100mm，锚索插入孔内的深度不应小于锚索长度的95%，锚索安放后不得随意敲击。
3.3注浆锚固
锚索安装完并对锚孔及钢绞线验收合格后进行注浆，注浆材料采用水泥砂浆,水灰比为0.38～0.45，强度30MPa。主要施工工序包含水泥浆制备和注浆作业。浆体搅拌时间不小于2分钟，制备好的浆体应不停地搅拌，防止沉淀。利用钻杆作为注浆管，注浆采用从孔底到孔中返浆式注浆，注浆压力控制在0.6～0.8MPa，锚固段内注浆一次连续完成。浆液应在初凝前用完，严防石块、杂物混入浆液；孔口益出浆液或排气管停止排气时可停止注浆；注浆时宜适当加强注浆压力，使浆体饱满，不能充满锚固体时应进行补浆。针对砂卵地层容易出现充满砂石空隙，造成注浆外流，采用浆液中掺减水剂或速凝剂及间歇式反复注浆的办法，控制浆液向周边流动，直至注浆压力达到设计压力为止。锚固段注浆须按设计压力控制进行注浆，对自由段应能够保证锚孔周边的岩体稳定为前堤，防止过量注浆。
3.4腰梁及垫板安装
腰梁安装时应与围护桩身贴紧，无法密贴处采用C30细石砼充填。固定于锚头上的钢垫块上表面应与锚索垂直。在开挖基坑面适当设置垫木或支架确保腰梁的稳定。钢垫板的平面位置与高程和锚索的布设走向相一致，张拉前进行固定与验收。
3.5张拉锁定
张拉锁定是预应力锚固的关键工序，主要包括张拉设备配套标定、设备组装、张拉和锁定荷载等内容。张拉设备在锚索张拉前应进行标定。在锚固体达到80%的设计强度后组织张拉作业。张拉分预张拉和正式张拉，预张拉为设计值的10%或20%，目的是使锚索各部分接触紧密，锚索束体完全伸直,预应力钢绞线初始受力趋于一致。正式张拉按五级张拉（即设计吨位的25%、50%、75%、100%、110%五级)，前四级稳定时间为6分钟，后一级为30分钟，为并记录钢绞线的伸长量，检测指标合格后及时进行锁定。锁定轴力为锚索轴力设计值的65%。第一次张拉后6至10天根据监测信息，如预应力明显损失时，应再进行一次补偿张拉，以便补偿锚索的松弛和地层的蠕变等因素造成的预应力损失。锚索张拉时，对地表面加强观测，以免土体隆起。
锚索张拉结果的指标控制为张拉力和伸长量双项控制。采用钢弦式锚索应力计测量锚索拉力，每一级张拉钢绞线的理论伸长量和实际伸长量之差不大于40mm。张拉锁定合格后，将张拉段多余束体及时切除。
3.6锚杆验收试验
对锚杆支护体系进行验收试验，以确定锚杆是否满足轴向受拉承载力。试验采用700KN的穿心千斤顶，锚杆穿过千斤顶并用专用锁具与千斤顶锁紧。千斤顶施力方向与锚杆轴线重合。锚杆张拉荷载由千斤顶自小到大施加，数值由精密压力表控制；位移由固定在基准梁上的位移计量测。
验收试验满足如下规定：在最大试验荷载作用下，锚头位移相对稳定；锚杆弹性变形不小于自由段长度变形计算值的80%，且不大于自由段长度与1/2锚固段长度之和的弹性变形计算值。
4、结束语
为了掌握锚索在实际工作中的受力状态，并检验锚索的施工质量，对地铁角门东站主体结构深基坑锚杆进行了验收试验。验收试验结果显示，锚杆轴向受拉承载力满足设计要求。同时，根据锚杆施工至车站主体结构施工完毕期间的监控量测结果显示，锚索受力性能良好，蠕变量小，说明本次锚索施工是成功的，锚索施工质量达到了设计要求，有效保证了本深基坑工程在两侧不对称受力条件下施工的安全。
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