预应力锚索在超浅埋盾构（GPST）导坑支护中的应用

1 引言

　　通常，盾构的接收、调头及始发作业都是在工作井中进行的。南京机场线“秣将”区间隧道的盾构接收、调头及始发处于超浅埋位置，常规工作井的支撑体系造成内部空间狭窄，不能满足盾构的接收、调头及始发施工作业，而采用频繁的换撑势必会影响工期。采用预应力锚索及灌注桩制作的导坑，是针对GPST试验工况（无内部支撑，不影响断面尺寸）而设计的复合围护形式的“工作井”。
2　导坑概况
2.1　导坑的结构
　　导坑全长46.5m，宽22.1m，导坑南接隧道（高架过渡段），北侧为45°的原状土坡，东西两侧为混凝土灌注桩，开挖深度为10m。围护结构为f800@1000钻孔灌注桩、f600桩间旋喷桩止水，外加三道锚索支护。
2.2 导坑的周边环境
　　导坑位于江宁区将军大道道路中心，基坑周边无建构筑物。场地范围内管线主要有沿道路两侧各有1根埋深2.4m的f1000混凝土雨水管和1根埋深4.16m的f600混凝土污水管。





2.3 导坑的地质水文条件
　　1） 场地土层见表1。


2）地下水类型：本区间地下水主要为孔隙潜水及基岩裂隙水，其中孔隙潜水主要赋存于①2素填土、②层粉土中。②层粉土结构松散，分布不均，厚度不均，富水性一般，透水性弱。本工点上部土层大多为黏性土组成，透水性较差。强风化安山岩风化裂隙与构造裂隙发育，其含水性与透水性均较好，中风化安山岩裂隙多呈闭合状或为细脉充填，其透水性较弱。
3　预应力锚索施工
　　预应力锚索支护与混凝土支撑和钢支撑相比，其优点是不影响坑内断面尺寸，施工简便易行，技术风险低。
3.1 预应力锚索支护体系
　　本导坑每侧各设置3道，东西两侧共计96根锚索，每根锚索有3根12.7mm钢绞线，锚索的孔径为150mm，钻孔角度为20°。锚索的具体数量、布置、技术参数见表2。


3.3　预应力锚索施工流程
　　成孔采用锚杆钻机钻进，注浆利用注浆泵采用孔底压浆的方式进行注浆。
　　1）在冠梁强度达到设计要求30MPa后，开挖土方至第一道锚索标高下0.7m，进行第一道锚杆施工。
第一道锚杆采用2台钻孔机钻进，在锚杆施工同时进行中间土方开挖工作。第一道锚杆施工完成后继续开挖土体至第二道锚杆下0.7m，进行第二道锚杆施工。以此类推，进行第三道锚索施工。
　　2）预应力锚索支护体系由锚孔、束体、注浆体、腰梁及张拉段5个基本构件组成，在锚索支护体系中有机组合成为一体。
　　3）施工顺序为施钻锚固孔、制作束体并将其放入锚固孔、固定束体下端、进行注浆、安装腰梁及钢锚垫板、张拉及锁定，使钢绞线束体产生预应力，与腰梁、钻孔灌注桩紧固连接成为整体。
3.4　预应力锚索施工关键技术
3.4.1　钻孔
　　1）钻孔需保证在钻进、锚索安装和注浆过程中孔壁的稳定性，钻孔完成后应及时进行锚索安装和注浆。
　　2）钻进过程中应对每个孔的地层变化，钻进状态，地下水及一些特殊情况做好现场施工记录。如遇到塌孔缩孔等不良钻进现象时，须立即停钻，及时进行孔壁加固灌浆处理（灌浆压力0.1～0.2MPa），待水泥砂浆初凝后，重新扫孔钻进。
　　3）钻孔孔径、孔深要求不得小于设计长度，为确保锚孔直径，要求实际使用钻头直径不得小于设计孔径。为确保锚孔深度，要求实际钻孔深度不小于设计深度0.2m以上。钻进达到设计深度后，不得立即停钻，要求稳钻1～2min，防止孔底坍塌，达不到设计孔径。
　　4）钻孔孔底不得有沉渣，钻孔结束，拔出钻杆钻头，将冲击钻头清洗好备用。用1根聚乙烯管复核孔深，并以高压风吹孔，待孔内粉尘吹净，拔出聚乙烯管，塞好孔口。锚孔钻孔结束后，须经监理工程师检验合格后，方可进行下道工序。
　　5）孔径、孔深检查一般采用设计孔径、钻头和标准钻杆在监理工程师旁站下进行，要求验孔过程中钻头平顺推进，不产生冲击或抖动，钻杆验送长度满足设计深度，同时要求复查锚孔孔位、倾角和方位。全部锚孔施工分项工作合格后，即可认为锚孔钻造检验合格。锚孔检验项目允许偏差见表3。


3.4.2　锚索束体制作与安装
　　1）锚索束体制作：采用Φ12.7mm高强度低松弛无粘结预应力钢绞线。
　　⑴锚索制作前，要确保每根钢绞线顺直，不扭不叉，排列均匀，除锈、除油污，对有死弯、机械损伤及锈蚀处剔出，严格按照设计尺寸下料，钢绞线要用机械切割，严禁用电弧切割。
　　⑵在锚固段范围内，对每孔3束以上的锚索每隔1.5m设1个架线环或中支架，保证锚索体保护层厚度不小于20mm。
　　⑶自由段钢绞线外包塑料套管。锚索束体自由段的防腐和隔离要严格按照设计要求施工，外套塑料管端部利用缠绕胶布进行固结和密封处理，以防止注浆时浆液进入。
　　2）锚索束体安装如下：
　　⑴锚索体放入锚孔前，检查锚索体制作质量，确保锚索体组装满足设计要求，并经现场监理认可。
　　⑵锚孔内及孔外周围杂物要求清除干净。锚索体长度与设计锚孔长度相匹配，锚索体应无明显弯曲、扭转现象，锚索防护介质无损伤，凡有损伤的必须修复。
　　⑶安放锚索体时，防止锚索体挤压、弯曲或扭转，锚索束体入孔倾角和方位一致，要求平顺推送，严禁抖动、扭转和串动，防止中途散束和卡阻。
　　⑷锚索体入孔长度应满足设计要求，锚索体安装完成后，不得随意敲击，不得悬持重物。
3.4.3　注浆锚固
　　锚索安放完毕后，对锚孔及钢绞线验收合格后进行注浆。注浆材料水灰比为2:1的水泥砂浆，砂浆强度为20MPa。用P042.5普通硅酸盐水泥搅拌而成，添加适量速凝剂，膨胀剂等，用BW-150型注浆泵进行注浆。
3.4.4　锚杆张拉、锁定
　　15d后，待标准养护试块强度达到设计强度，对锚杆进行张拉锁定。
　　1）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。张拉设备采用预应力穿心式液压YDCW1000-200型千斤顶和用于事故处理配备的小吨位前卡式YCQ20型千斤顶，锚具采用主YJM13-3锚具，由YBZ2-50高压油泵提供动力。
　　2）锚杆张拉、锁定施工经验收合格，于48h后方可切除外露的钢绞线，切口位置距外锚具的距离不应小于100mm。
4　施工中局部处理措施
4.1　渗水处理
　　1）当进行第一道锚索钻孔施工时，东侧北端6孔出现了明显的水流渗出，据查为市政雨水管渗漏。
　　⑴由于孔内渗水量较大，有积水，进行吹孔，吹出的是泥浆和碎石，在这种情况下，由于冲击器能继续工作，因此继续钻进。
　　⑵当钻进至10m时，渗水量太大，以至淹没了冲击器，冲击器自动停止工作，因此只能拔出钻具，进行压力注浆。
　　⑶待浆液凝固达到一定强度后，重新在原位进行钻孔施工，成孔后进行吹孔时，从孔中吹出的为一些小石粒和灰色或黄色团粒而无粉尘，说明孔内仍有渗水，此时孔深已够，对孔内注入清水，以高压风吹净，直至吹出清水。
　　2）西侧北端第3孔重新钻孔后出现渗水，因此时孔深离设计深度还相差5m，冲击器还能工作，仍有进尺，所以立即停钻，拔出钻具，洗孔后再继续钻进，如此循环，直至成孔完成。
4.2　塌孔处理。
　　当进行第三道锚索钻孔施工时，东侧南端钻孔穿越全风化、强风化岩层，发生塌孔。从孔中吹出黄色岩粉，夹杂一些原状的石块。
　　针对这一情况立即停止了钻进，拔出钻具，进行孔壁加固注浆，注浆压力为0.4MPa，浆液为水泥砂浆和水玻璃的混合液，24h后重新原位钻孔。
4.3　成孔后处理
　　第三道东侧锚索钻孔施工过程中，钻孔需穿越全风化、强风化岩层，局部进入中风化破碎安山岩层。针对这一特殊工况，钻孔完成后，使用高风压将孔中岩粉及水全部清除出孔外，以便水泥浆与孔壁岩体更好的固结，保证粘结强度。
5　施工监测
　　根据设计要求和现场实际情况，监测点分布如下：围护桩测斜(11孔)；围护桩水平位移(19点)；土体侧向位移(16孔)；地下水位(10孔)；邻近建筑物、隧道及地面沉降(29点)。
　　在预应力锚索作用下，围护桩桩顶水平位移监测结果如下：
　　1）支护桩顶水平位移量均小于20mm；
　　2）基坑角部的4个桩顶最终水平位移累计值分别为+1.74、+0.34、-0.34和+0.21mm；
　　其余桩顶测点水平位移累计值均小于20mm，符合在基坑拐角处变形较小、基坑中部变形较大的—般规律。
　　3）选取位于基坑东西南北4个角的4根围护桩的监测数据作图（见图3）可看到：在基坑开挖施工时，桩顶水平位移随开挖深度的增加而增加；当基坑开挖将近设计标高时，其位移时间曲线趋于平缓；当基坑开挖完成达到设计标高后，桩顶水平位移基本不变，说明基坑支护结构处于相对稳定状态。


6　结语
　　应用预应力锚索作为导坑的支护，基坑稳定性良好，充分地调动和提高了岩土体的自稳能力和自身强度，大大减小了结构物体体积和减轻结构物自重，显著节约了工程材料，并且有利于施工安全，达到了预期的效果。GPST导坑设置采用锚索支护，保证了在进出洞及调头阶段盾构施工的安全，在经开挖、盾构施工及结构回筑前后400d的施工中确保了基坑稳定。