论可回收预应力锚索在基坑支护中的应用研究

陈书明

(福建建工集团有限责任公司 福建福州 350003)

0 引言

当前，深基坑支护结构形式普遍采用于城市建筑中的地下室基坑工程建设中，要求在施工前选择支护方案时，既要考虑到施工的安全可靠和可操作性，又要做到经济合理。从长期看，可回收式预应扩孔锚索施工将会较大节约施工成本，而且产品回收对周边建筑的影响较小，还能节约社会资源，并取得可观的社会效益。回收后未破坏的钢绞线又可以利用在其他项目工程中,具有材料充分利用、环保、节省费用等优点。

1 工程案例

福州高新区马排安置房一期工程，位于闽侯县福州高新区马排村，地上27层，地下1层，分为南、北区2个独立地下室，总建筑面积为37 115 m2，基础约有6.20 m～6.40 m埋置深度，工程东侧紧临居民住宅，无放坡开挖和内支撑支护的条件。根据该场地的水文、地质,周边环境等条件分析,该工程基坑深度需要开挖至淤泥层和细中砂层，基坑支护采用排桩+扩孔式锚索，上部1.5 m～2.0 m范围采用1∶1.2放披，卸载平台宽度为0.50 m～3.0 m。支挡排桩采用SMW工法桩型钢水泥土搅拌墙[1]，即在三轴水泥搅拌桩之间插入型钢HM488×300×11×18,桩间距为900 mm；三轴水泥搅拌桩桩径为650,桩中心距为450 mm，在冠梁处施工预应力扩孔锚索，为保证临近建筑物地下空间的利用和避免后期施工困难，采用可回收式锚索(3ΦS15.2无粘结钢绞线)形式，在地下室结构施工完成且周边回填土之前，用拉力机拔出予以回收，如图1所示。

图1 型钢混凝土搅拌墙+可回收式锚索示意图

2 工程地质条件

该项目临近闽江沿岸地区，水系发达，经勘探报告显示，工程场地岩土层主要为粉质粘土、淤泥、细中砂、淤泥质土和碎卵石层，下部为花岗岩及其风化产物[2]。勘察的岩土层自上而下可划分为①粉质粘土、②淤泥、③细中砂、④淤泥质土、⑤细中砂、⑥碎卵石、⑦砂土状强风化花岗岩、⑧碎块状强风化花岗岩和⑨中等风化花岗岩，共计9层。 开挖范围内的土层为①粉质粘土、②淤泥、③细中砂三个土质分布，而锚索底端必须穿过④淤泥质土层伸入⑤细中砂的土质层。

3 可回收式锚索工作机理

该工程采用的可拆卸锚索为强度等级≥1860 MPa的预应力无粘结钢绞线，承载体应采用钢质承载体，顶推式快速解锁回收锚索。可拆卸锚索由导向头、承载板、连接头、隔离塑料管、钢绞线张拉承压板和锚具组成(图2)。其回收工作原理：使用千斤顶将中间1根回收索卸荷后，拔出回收索，使锚环往中心孔方向缩回，部分夹套脱开松弛，从而解除对2个工作索的前端夹持，方便快速拔出工作索，达到回收目的[3]。

图2 可回收锚索大样图

回收机理是：基于锚索装置，可回收锚索钢绞线分为一根回收索和若干根(1～5)工作索；回收索不张拉，在基坑支护中不施加预应力，仅作为解锁手段用千斤顶在回收时拔出，使锚环缩回夹套脱开，从而工作索前端夹持解除，其数量为1根；工作索必须张拉锁定，按设计要求施加预应力，数量按设计要求。锚索的拉力作用先传递给锚具，再由锚具传力给凝固达到设计强度的喷浆混凝土，然后传递给周边土层中，形成由端部受力的承压式锚索体系[4]。

与传统的锚索(锚索或钢筋与注浆体形成整体，无法拔出永久埋置于土层中)不同的是，可回收锚索端部处于承压状态，隔离塑料管内部填充防漏剂与注浆体隔离，锚索处于自由伸长状态。锚索承载力作用，一部分为锚索锚固段与孔壁之间产生的摩阻力，另一部分为锚索的端阻力；依靠锚索周边土体的抗剪强度提供抵抗力,并起到挡土作用，锚索锚固段剪应力分布如图3所示。

图3 锚索锚固段剪应力分布示意图

4 可回收式锚索施工及质量控制

可回收式预应力锚索的施工工序为:钻孔喷浆→拔出钻杆→顶入锚索杆体→拔出钻杆复喷→注入水泥浆(二次注浆)→锚固体凝固→张拉→锁定→回收。

锚索在地下室施工完毕，基坑周边回填土前进行锚索回收，是本基坑支护工程的关键工序。根据地质报告，由于此地段距闽江较近，地下含水量丰富，水位较高，其施工难度大，降水和基坑监测在施工中应同时进行。

可回收锚索(预应力锚具各构配件详见图4)的具体实施步骤为：①将2根工作索3和1根回收索4分别穿入有对应孔位的锚垫板20、张拉锚环21，其中，回收索4穿在中心孔内，回收索4无需安装夹片，同时在张拉锚固时无需张拉回收索4。将工作索3与锚环对应锥孔内安装工作第二夹片22；②当混凝土达到要求时，用专用张拉机具(千斤顶)按施工规范，对锚索进行荷载张拉至设计值最后锚定；③待完成基坑基础施工，土方回填前，按设计要求，需对锚索进行回收，先用张拉机具千斤顶将回收索4加荷拉拔，再将工作索上咬合的工作第二夹片22卸载并推卸，待千斤顶升长20 cm时退出；用人工抽拔回收索4和工作索3，至此完成锚索整体工作内容。

图4 预应力锚具各构配件

具体采用人力回收锚索的流程：拆除锚固装置(解除锚具夹片)→采用千斤顶夹紧回收索，对其施加 2～3T的拉拔力，千斤顶拔出回收索，端部解锁装置完成解锁→直接人力拉出剩余锚索。

施工质量控制：

①钻孔施工前，根据设计图纸要求定出并标记好锚索的孔位，允许偏差：钻孔水平及垂直方向孔距为士100 mm,角度为2°；钻孔长度应超过设计长度0.5 m；

②预应力锚索扩孔注浆施工时，钻进速度控制为120 mm/min，水泥使用量不低于250 kg/m，二次注浆不少于50 kg/m水泥用量；锚索注浆采用 42.5级普通硅酸盐水泥，纯水泥注浆。

③预应力锚索采用钻机在土体中进行钻孔,通过钻杆的中空通道,向孔壁周边高压旋喷注浆并连续施工作业,形成直径400 mm的密实水泥砼锚固体；

④中砂层喷锚混凝土施工时，压力应为20～25 MPa范围內,钻杆退至距离孔口3 m左右，应将喷射压力减至5 MPa以下[5]；

⑤预应力锚索锁定值为0.8倍锚索轴向拉力标准值(200～250 kN)，预应力锚索轴向拉力标准值按设计剖面图锚索标注，值冠粱砼强度及锚固体强度达到设计强度80%以上后，方可进行张拉及锁定。锚索锁定时,先分五级进行张拉，先达到1.1倍锁定荷载，再松弛至锁定荷载持荷进行锁定，预应力锚索张拉、锁定如图4所示。

⑥锚索在施工中，必须留出不少于70 cm张拉工作长度(冠梁外侧)。

⑦拆卸锚索施工的最小工作面至少100 cm以上，否则无法进行拆卸锚索的施工。放松卸荷锚索时应注意钢绞线回弹力，千斤顶施工附近不得站人。

工作锚索拆除与回收的前提条件是，必须严格控制无粘结钢绞线与锚索底部可拆卸式锚固段的“无黏结性”，确保锚索最深处的承载体是光滑和带半圆弧型的；同时二次注浆的关键管控点在于注浆时严格封口，确保水泥浆体不进入隔离塑料管内。

5 锚索回收施工过程中遇到的问题及处理措施

(1)锚索钢绞线隔离塑料管破损，导致水泥浆进入，钢绞线回收索困难。

处理措施：用千斤顶直接对锁定的工作钢绞线施加拉力，缓慢拉出钢绞线。

(2)留出锁定的钢绞线被工人切除，导致回收索长度不足无法解锁。

处理措施：挖除冠梁后方土体，使锚索有足够长度回收索进行解锁。

(3)锚索在混凝土冠梁内卡死，无法进行张拉锁定。

处理措施：在冠梁施工时，需增加 PVC套管进行隔离，以便顺利张拉。

(4)钻孔时根据施工要求顶入锚索，隔离塑料套管松动，导致二次注浆的水泥浆进入管内。

处理措施：顶入锚索时不能硬顶，隔离塑料套管松动时应将锚索拉出，更换锚索，重新包扎隔离套管后顶入。

(5)在张拉时，拉动回收索，造成工作索无法锁定。

处理措施：需在专业人员指导下，进行锚索张拉锁定的施工，张拉前应对工作索和回收索进行标明记号，严禁张拉回收索，否则会造成锚索孔报废。

6 现场实施情况

该工程北、南地块均进行监测，布置围护顶部沉降与水平位移监测点，土体深层变形(测斜)监测点、地下水位监测点，道路、地下管线变形(沉降与水平位移)监测点，临近建筑沉降观测点、锚索内力监测点。

2018年11月进行锚索支护工程，2019年3月开始回收锚索施工，2019年5月全部回收完成。现场经26次监测，深层土体水平位移累计最大值5.02～11.63(C26#)mm；坡顶位移量0.01～0.47 (P2#) mm,位移速率0.01～0.24(P2#)mm/d,累计位移量0.00～10.10(P54#)mm；坡顶沉降量0.01～0.29(P3#)mm，沉降速率0.01～0.15(P3#)mm/d,累计沉降量3.48～6.63 (P51#)mm；周边道路及地下管线水平位移沉降量0.01～0.29(D19#)mm，沉降速率0.01～0.15(D19#)mm/d,累计沉降量2.90～4.83(D2#)mm；临近建筑沉降量-0.27～0.28(J26#)mm,沉降速率-0.14～0.14(J26#)mm/d,累计沉降量0.92～4.01(J14#)mm；锚索内应力150.06～205.93 kN，变化量为-0.28～0.83 kN，累计变化量1.88～6.88 kN。基坑支护结构未见明显异常现象，周边环境裂缝无明显变化，监测结果正常，经建设、监理现场确认，效果良好。

7 结语

该工程采用可回收式预应扩孔锚索基坑支护形式，既保证了基坑支护的施工质量与安全，又能够消除临近建筑物利用地下空间的顾虑，具有回收速度快、费用降低、效果良好的特点，对于类似施工空间狭窄而且周边临近建筑的地下室及基坑工程，能取得良好的经济效益，值得进行推广。