土层预应力锚杆施工难点及对策

摘要：讨论了在基坑边坡支护中土层锚杆施工的难点及对策

关键词：土层锚杆 卡钻 流砂 腰梁变形 预应力损失 对策

土层预应力锚杆（以下简称锚杆）以其造价低廉，利于缩短工期，工艺成熟，质量可靠等优点已广泛运用于基坑支护、边坡加固等领域。锚杆在基坑支护中常与排桩形成桩锚支护体系，在高边坡支护中常与钢筋混凝土格构墙或抗滑桩形成支护体系。

相较于其他支护形式，锚杆是一种主动支护体，即潜在滑移土体尚未产生变形时即作用于该土体，对减少滑移土体变形起到至关重要的作用。因此，锚杆施工质量显得尤为重要。锚杆施工根据其工艺流程可分为成孔、锚杆制作及安装、灌浆、锚杆腰梁施工、预应力张拉等五个主要环节，本文针对该五个环节在施工中遇到的难点进行讨论，并根据施工实践对各难点提出相应对策。

1.锚杆成孔

目前国内应用最广泛的锚杆成孔工艺为潜孔钻成孔（干作业法）、回转钻成孔（湿作业法），前者适用于无水的风化岩、残积土层成孔，后者适合于各类土层中成孔。

1.1卡钻

1.1.1 卡钻产生的原因及危害

对于潜孔钻卡钻的原因主要有两个方面：一是围岩裂隙发育、岩体破碎，成孔过程中碎岩块塌落；二是风化岩中含较多大粒径的石英砂砾，空压机送风难以将碎屑吹出导致碎屑堆积。

水循环回转钻机则多是因为土层中砾石、碎石含量高，两者难以随水循环排出，造成孔内大量渣石在孔内残留并聚集，从而包裹钻具，形成卡钻。

无论何种成孔工艺，当设计锚杆长度较大时，钻杆由于接长在自重作用下本身产生一定挠曲，这种挠曲非常容易导致埋钻。

卡钻可导致钻机动力设备停机，由于处理烦琐，大幅降低工效，处理不及时还有可能导致整套钻具被埋置无法取出，造成较大的经济损失，技术上还因为埋置钻具的障碍，导致该处锚杆无法按设计孔位施钻。

1.1.2 对策

潜孔钻在通过破碎基岩时，钻进速度宜慢，每钻进30-50cm即拔管后退，多次反复清理孔壁，使孔壁围岩趋于稳定；另采用大功率空压机，使孔内保持较大风量及风压，利于岩屑的清除，防止渣土的堆积。

回转钻进工艺中应充分了解施钻地层砾砂及碎石含量，钻进中注意观察孔口返渣情况，量少或没有返渣时应排查原因，反复用不同水压在该段清孔，确保安全后方可继续钻进。成孔完成后应及时进行后续工艺施工，避免钻具长时间停留孔内。

当设计锚杆水平倾角大于20°或锚杆长度大于25m时，且施工区域存在易导致埋钻的土层时，应慎重选择施钻机械，在有多项不利情形时应选用大功率的施工机械，能够克服更大的摩阻力。

1.2流砂

1.2.1 流砂产生的原因及危害

无胶结的砂层钻进中极易产生流砂。钻孔开孔即遇砂层时，砂粒容易随循环水流出，而当砂层中地下水水头高度高于孔口时，水头差使深层的砂层也会产生流砂。砂层中水位越高、砂层胶结及分选性越差，细颗粒的砂含量越高，产生的流砂量越大。

流砂量越大，危害性越大。大量砂的流失，使孔壁塌落，土层形成空洞，进而向地面扩展造成地面沉陷，损坏地面构筑物及地下管线，严重的危及基坑边坡安全。

1.2.2 对策

在砂层中钻进必须采用全跟管钻进工艺，套管（目前大部分自行式钻机钻杆本身就起到套管的作用）在钻孔全程跟进，起到支撑稳定孔壁的作用；在砂层中钻进时宜快速通过，减少钻杆水反复对砂层的冲刷，并且采用保持正常钻进的最小射水量。

在孔口设置橡胶圈封堵也是抑制流砂的有效措施。孔口封堵造成砂粒在孔口聚集堵塞通道，只留出较小缝隙供循环水及泥浆排出。封堵材料也可以用孔隙较小的滤网，但滤网不易固定，较易滑脱，只在流砂情况不是很严重时采用。

注浆时宜在孔中设置止浆袋，并且水泥浆宜添加速凝剂（如NaCl 0.3%或三乙醇胺0.03%），可防止拔管后的流砂。

2.锚杆腰梁施工

锚杆腰梁是传力结构，将锚杆的轴拉力直接或间接作用到被支护土体。主要有三种形式：喷射钢筋混凝土梁、现浇钢筋混凝土梁、型钢梁。

2.1 锚杆梁变形

2.1.1 产生原因及危害

钢筋混凝土梁的变形主要是锚杆张拉后，混凝土受压破裂。这主要是因为混凝土强度不能满足要求，少数则是因为梁配筋不足或梁后缺少有一定刚度的支撑（出现于没有设置支护桩的情况下），还有一种情况是锚头处未设计钢垫板导致锚杆张拉后应力过于集中。这种混凝土破裂的情况多见于喷射混凝土梁。

型钢腰梁多用于桩锚支护的基坑，由于护坡桩施工过程中，各桩会产生较大的施工偏差，桩立面不可能保持在同一平面上，如果型钢（工字钢或槽钢）腰梁安装时调整不到位，使腰梁承压面不能在同一平面上，则锚杆张拉时钢梁因受力不均容易出现变形，钢梁的连接缀板处挠曲严重。另外同排锚杆施工时若不能保持在同一水平线上，偏离较大时钢梁将无法安装，如果勉强安装，则张拉后容易导致锚头偏向一侧，单侧的型钢刚度不足以承受锚板压力，出现压曲变形。

腰梁在张拉后出现变形，其结果是锚杆预应力不能按设计拉力施加，即使勉强达到设计拉力，也会因腰梁变形的持续而使已施加的预应力逐渐损失，最终导致锚杆预应力失效。失效或降效的锚杆达不到限制边坡变形的要求，边坡过大的变形将导向严重的后果――管线破坏，地面设施受损等等。

2.1.2 对策

对于喷射混凝土梁，设计上应注意其适用性，严格限制其使用范围，一般仅用于土质条件较好，地下水不发育，开挖深度小于10m基坑，边坡变形要求不太高的情形。而在施工中则应从严控制腰梁喷射混凝土的质量，喷砼前对混凝土配比进行试配试喷，确定砼强度满足要求后方可正式施工。喷射砼严格按规范要求的操作规程施工，喷砼终凝2h后根据工程重要性养护7-14d。

对于型钢梁，保证其施工质量的控制点主要不是在型钢的制作与安装上，而在于保证型钢安装前作业面的平整及平顺上。首先锚杆施工放样时应使同排施工点保持在同一水平面上，钻孔施工遇障碍时尽量水平调整锚杆孔位；其次桩立面开挖后，应测量各桩的偏差，据此加工异形支撑板或浇灌混凝土找平层（两者均应有与桩身连接的措施），使腰梁承压面保持在同一平面上；再次型钢安装前，应复核完工锚杆孔口标高，图示同排锚杆孔口标高的差异，便于确定合理的型钢加工分段长度，标高差异较大的相邻点为分段点，该处型钢连接以额外钢板焊接。锚杆位置移动较大的单独制作锚梁，并报设计复核。

2.2 锚杆腰梁下滑

2.2.1 产生原因及危害

桩锚支护设计中未采用固定腰梁的措施或虽采用但对锚杆张拉后产生的向下垂直分力估计不足（锚杆水平倾角15-45°时，其垂直分力约为锚杆拉力的0.26-0.71倍）、腰梁锚固植筋施工质量不能满足设计要求、桩与梁接触面清理不彻底导致摩擦面阻力不足等等均是造成腰梁在锚杆张拉后下滑的原因。

一般情况下，腰梁下滑会导致锚杆松驰、预应力损失，并且预应力损失随梁下滑幅度增大。某些极端情况下，腰梁甚至会突然下坠，锚杆预应力瞬间消失，桩顶位移迅速扩大，这种扩大的位移会使锚杆重新张紧，但不能防止腰梁再次下滑，如此反复，地面设施的安全、地下管线的安全直至基坑整体安全均难以保障。

2.2.2 对策

首先设计上宜采用固定腰梁的措施，尤其在锚杆倾角大于25°时应采用。型钢梁宜采用支腿设计，通过与支护桩主筋或桩内预埋的连接筋焊接钢板支腿；钢筋混凝土梁则可在支护桩内植筋，植筋完成后应作抗拔力检测，合格后植筋外露部分浇入梁中成为整体。

二是加大梁与支护桩接触面摩擦力。这要求在钢腰梁安装或混凝土梁浇注前对桩身表面进行清理，或进一步对桩身作凿面处理，加大摩擦面粗糙度，当支护桩为挖孔桩时，挖孔桩护壁必须凿除，使摩擦面位于混凝土桩身处。

三是腰梁在满足设计刚度及强度的情况下尽量减小梁的截面积，以求减少梁身自重，以减小腰梁向下垂直分力。另外设计锚杆水平倾角不宜过大，最好介于15-25°间，以控制锚杆张拉后腰梁的垂直分力。

3.锚杆制作安装、注浆及张拉

3.1 锚杆制作安装

重点在于锚杆自由段制作及对中支架的安装。锚杆自由段包裹一般采用波纹管，波纹管材料应取柔性材料并不易脆裂，自由段锚筋表面最好作处理，以防止摩擦撕裂外包管材，外包管材两端以铁丝扎紧，并以黑胶带缠实，防止水泥浆渗入。

锚杆对中支架应根据杆材选用，对中支架直径比成孔直径小4-6cm，对中支架安装应牢固不易脱落，以确保注浆时杆材为浆体包裹。

3.2 锚杆注浆

注浆效果直接影响到锚杆的抗拔力。目前设计多采用二次注浆，施工中注浆的控制要点为浆体水灰比，注浆压力，及注浆饱满度。另锚杆设计应避免通过高承压水层、地下水流速较大的土层、地下土洞溶洞较发育的地层，这些情况下注浆难以达到饱满效果，锚杆拉力难以满足设计要求。

3.3 锚杆张拉

锚杆张拉后的杆材松驰、土层徐变均不可避免，两者均会造成锚杆预应力损失。施工中应采取措施使这种损失减为最小，目前最有效的手段为补偿张拉（即重复张拉），补偿张拉选在下一层土方开挖后进行，或发现预应力损失明显较大时进行。另外张拉时严格按设计要求分级张拉，采用跳张法（隔一拉一）等可以不同程度的减小锚杆张拉后的预应力损失。

4. 总结

土层预应力锚杆支护体系经大量的工程实践检验，证明其是安全可靠的，正因为其使用的广泛性，目前市场上催生发展出压力型、剪力型锚杆（本文所涉及为拉力型锚杆），尤其是剪力型锚杆，因其受力均匀的特点，使锚杆设计锚固长度大幅增加，极大地扩展了锚杆的适用范围。施工工艺也多样化，甚至出现了可回收钢绞线锚杆。

总之，只有在实践中不断总结经验，改良工艺，才能使土层锚杆在更广泛的领域发挥作用。