早强灌浆料在地铁基坑锚索施工中的应用

[摘要]为了缩短锚索浆体强度达到张拉的要求时间，实现加快土方开挖进度的目的，在地铁基坑施工中引进了早强灌浆料，作为锚索注浆浆体材料，平均每道锚索施工工期由缩短7d～10d缩短至1d～2d，能够满足工程实际的需要，锚索早强灌浆料的应用成果对其他类似工程的设计和施工具有一定的指导作用和借鉴作用。本文介绍了早强灌浆材料的产品特点、使用背景、施工工艺、现场试验、质量控制要点及效益分析。实践证明，在地铁基坑施工中采用早强灌浆料施工锚索能够确保基坑安全，工期及综合效益显著。

[关键词]早强灌浆料锚索应用

[Abstract] in order to shorten the anchor grout strength reaches the tension required time, speed up the progress of implementation of earthwork excavation, in the metro construction in the introduction of the early strength grouting material, as the anchor grouting material, the average of each anchor construction period by shortening the 7d ~ 10d shortened to 1D ~ 2D, need to be able to meet the engineering the actual, anchor early strength grouting material application results have certain guidance and reference for design and construction of other similar projects. This paper introduced the characteristics, early strength grouting material use background, construction technology, field test, quality control points and benefit analysis. Practice has proved, the early strength grouting material construction to ensure the safety of foundation pit anchor in the metro construction, construction period and remarkable comprehensive benefit.

[keyword] early strength grouting material cable application

中图分类号：U231.3文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

1工程概况

北京地铁十号线二期西局站换乘节点部位基坑和丰台站基坑采用围护桩+锚索支护形式，钻孔灌注桩直径1000mm，间距1.5m，锚索水平布置采用一桩一锚形式，竖向间距为3～5.5m。西局站换乘节点部位基坑宽21m，长27.1m，深度为26.9m，采用四道锚索；丰台站基坑宽41m，长226m，深度为21m，标准段设置4道锚索，北端墙部位设置6道锚索。施工场区内表层为杂填土，地面4.5m以下为新近沉积层，主要是、粉砂、圆砾、卵石②、③层；第三层为第四纪沉积层，卵石④层、⑤层、粉质粘土⑤4层、卵石⑦层。地下水位均低于锚索所达到的标高。

锚索已经广泛应用于地铁深基坑支护结构中，其注浆材料主要使用普通水泥浆液或水泥砂浆，在正常施工条件下锚索浆体强度达到张拉要求一般需要7～10d，很难满足基坑土方开挖施工工期要求。为了使得深基坑施工中锚索施工工序和土方开挖施工工序合理衔接，施工时采用ZYG早强灌浆料，平均每道锚索施工工期由缩短7d～10d缩短至1d～2d，实现西局站及丰台站的工期目标，创造了良好的综合效益。

表1西局站换乘节点部位锚索施工参数统计表

预应力锚索工艺原理

预应力锚索是一种把钢绞线埋入岩层内部进行预加应力的施工技术,锚索安设锁紧后,锚索集中应力通过锚索传递到外端垫墩，对岩体表面施加作用力产生加固作用。锚索的作用原理分别从两个方面来模拟，即锚索的轴向变形及灌浆环的剪切特性，锚索轴向变形特性与锚索单元的弹性模量、横截面面积和长度有关，灌浆环的剪切特性即可通过一系列的锚索参数和灌浆体的参数来进行数值描述。灌浆体－岩体界面上的最大剪应力取决于灌浆体的剪切刚度。混凝土的强度等级越高早期弹性模量发展越快,但差异不是很大，随着设计强度的提高,相同龄期混凝土的弹性模量增大,两者成双曲线关系,而混凝土早龄期的轴心抗压强度和弹性模量的变异系数则有减小趋势。

浆体的剪切刚度可以从拉拔试验直接获得。

早强灌浆材料产品特点及适用性分析

根据产品说明，ZYG灌浆料采用硫铝酸盐水泥为基材，并添加多种混凝土外加剂如膨胀剂、早强剂、表面活性剂等制备而成的。主要成分由无水硫铝酸钙、硅酸二钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等矿物组成。主要水化产物有水化硫铝酸钙、铝胶、铁胶和水化硅酸钙凝胶。作为锚索灌浆料，具有很好可灌注性能，搅拌后初始流动速度不低于260mm，30min流动保留值不小于230mm，6小时后强度达到20Mpa，灌注24小时后强度达到40Mpa，28d抗压强度不低于70Mpa。灌浆材料具有很好抗冻性能。在-20℃环境温度下也能正常施工。

与原设计要求使用的灌浆材料（PO42.5普通硅酸盐水泥）相比较，由于ZYG灌浆料的设计强度更高，形成的灌浆体弹性模量在早期发展较快，锚索轴向变形特性得到改良。

为确保与土体的适应性，应按照相关规范要求在现场进行工艺检验。通过拉拔试验，确认ZYG灌浆料施工的锚索满足设计要求。施工工艺简单，施工机械与普通注浆设备相同一般工人都可掌握。

经进场复试，ZYG灌浆料相关指标均符合施工工艺要求。注浆材料强度和时间对比曲线见图1。

4施工工艺流程

4.1施工工艺流程

见图2。

图2 锚索施工工艺流程

4.2 操作要点

（1）施工准备：首先进行人工或雷达探测，确定地下管线的准确位置，防止钻孔过程中破坏管线；同时组织现场操作人员进行技术交底，特别说明该材料早强、速硬的特性对施工的影响；确认浆液搅拌及注浆设备、现场水电运转正常。开挖工作面，土方分层开挖至锚索标高下500mm，平整场地，钻机进场。

（2）测量放线：根据设计锚位位置定出孔位。

（3）钻机就位：基坑第一道锚索钻孔前，必须采用洛阳铲进行人工探孔。探孔后钻机就位。

（4）调钻杆倾角：调整机身，用罗盘测定钻杆角度，满足设计要求。

（5）打开水源、冲击成孔：由于锚杆穿过砂卵石层，因此采用套管跟进的方法钻孔。先启动水泵，注水钻进，并根据地质条件控制钻进速度，接外套管时，要停止供水，把丝扣处泥沙清除干净，抹上少量黄油，要保证接的套管与原有套管在同一轴线上。锚索钻孔直径150mm，钻进过程中随时注意速度、压力及钻杆的平直，直到孔深比设计要求深0.3～0.5m。用水反复冲洗管中泥沙，直到外管管内溢出清水，然后退出内钻杆。当钻杆遇到不明障碍物时，应停止钻孔，等调查清楚后，才可以继续施工。

（5）锚索准备：锚杆体锚固段的钢绞线通过夹紧环和隔离架的交替设置而呈波浪形。对中支架既能使钢绞线分离，使之周边有足够的水泥浆粘附，又能保证所需得保护层厚度不小于20mm，对中支架拟采用工厂预制构件，间距为1.5～2m。将注浆管与锚索一起放入钻机，注浆管从隔离架内通过，端头注浆管内端距孔底100～200mm，保证孔底顺利返浆。

（6）放锚索：

① 放置前应检查钢绞线的对中支架，用扎丝和胶条绑好；

② 自由段套塑料管，套管端用胶布封闭；

③ 杆体的外露部分应等于杆体下料时的张拉段长度，下料长度为锚杆自由段、锚固段及外露长度之和，外露长度须满足台座、腰梁尺寸及张拉作业要求。

（7）锚索早强灌浆料注浆、补浆：

①ZYG灌浆料准备

在每个批次的ZYG灌浆料进场后，首先取出少量灌浆料，直接加水拌合，加水量为灌浆料的13～16%。用砂浆搅拌机搅拌3~4min，用水泥砂浆CA漏斗仪测试初始流动度达到300mm、30min流动度保留值不小于230mm后入进行灌注使用。

每次注浆前，按照锚索工程量计算理论灌浆料使用量，放进搅拌机后添加水，用砂浆搅拌将浆液均匀，随拌随用。为防止锚索孔壁坍塌，应在制备灌浆材料的同时完成锚索的放置。

②一次注浆：由孔底开始注浆，当孔口冒出的水泥浆与新浆相同时，再继续注浆2分钟即可；拔出1～2节套管，在管内注满灌浆料，并在管口加盖高压注浆帽，继续注浆，管内灌浆料在高压作用下，向锚固端土壤扩散，渗透压缩周边土体，稳定2分钟后卸管，再拨出一节套管，并继续上述过程，直至拔管至自由段时停止二步注浆，继续拨管至完成。

③二次劈裂注浆：二次注浆为劈裂注浆，注浆压力一般为2.5～4.0MPa，其目的是再次向锚固区段注浆，浆液在高压下被压入孔内壁的土体中，使锚索能牢固地锚入岩层。压浆管为胶管，在制作钢绞线时绑扎在钢绞线中。施工中为了使二次注浆达到设计的效果，在一次注浆中必须使锚固段注浆饱满。

拔外套管时，要保证拔管器油缸与外套管同心，如不合适，应在液压缸前用方木垫平、垫实，使油缸卡住下一节套管，保证卡住后再慢慢开丝扣。

锚索注浆施工过程中要注意留置试块。视水泥浆的漏浆情况进行多次补浆。

（8）安装钢梁及锚具：

腰梁为2根I45b工字钢通过钢缀板焊接而成，将腰梁与桩身贴紧,无法密贴处,采用C20细石混凝土充填,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。

腰梁安装时先在桩间安装固定三角支架，三角支架数量隔一桩设置一个。钢缀板开圆孔开孔位置准确，孔位误差0～+10mm 。

（9）锚杆预应力张拉与锁定：

锚索张拉前,应对张拉设备进行标定,注浆体强度达到要求后方能组织张拉作业。张拉方式采用整体张拉法，张拉过程由预张拉和正式张拉两部分组成。取设计值的10%进行预张拉，使其各部分接触紧密,锚索束体完全伸直,使预应力钢绞线初始受力趋于一致。张拉过程要分级进行，每级荷载分别为设计值的25%、50%、75%、100%、110%，前四级每级张拉稳定持荷≥6min, 后一级为30分钟，然进行锁定，锁定轴力为锚索轴力设计值的0.8倍，并记录钢绞线的伸长量,检测指标合格后及时进行锁定。

每次加载后观测一定的时间，并记录锚头位移量，绘制P—s曲线，与标准P—s线比较，验证实际伸长值是否大于理论伸长值的80％，小于自由段长度与1/2锚固段长度之和的理论伸长值。

张拉锁定经验收合格后,将用手提砂轮机切除多余钢绞线，外留长度10cm。外露锚具和承压板涂防腐油脂保护。第一次张拉后6～10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。

5 材料与机具设备

5.1 材料

主要材料为ZYG早强灌浆料、钢绞线、钢腰梁、锚具、焊条等。

5.2 机具设备

5.2.1 灌浆料锚索施工所需主要施工机具设备见表2。

表2 主要施工机具设备表

5.2.2测量、计算器具：全站仪、水准仪、钢尺、秒表、压力表、水泥砂浆CA漏斗仪、稠度仪等。

6 施工安全、质量控制要点

（1）采用早强灌浆料施工锚索前，提前对进场材料进行复试和报检，并在现场选取不少于3根锚索进行极限抗拔试验，确定锚索轴向拉力复核设计值后才能全面开工。

（2）锚索工程所用的原材料的品种、规格、质量、组装安放、注浆量、注浆压力和浆体强度必须符合设计要求。锚索锁定后，若发现有明显预应力损失时，应进行补偿张拉。

（3）施工前，先对钢绞线进行试验，测出其弹性模量和截面积，计算其理论伸长值。(锚索理论伸长值=PL／EA，其中：P-张拉力、L-自由段长度、E一钢绞线弹性模量、A一钢绞线截面积)根据预加应力值与伸长值s同步递增，拉力“双校”检验。下锚索前应检查锚索并做隐蔽工程检查记录，下完锚索时应注意锚索的外露部分是否满足张拉要求的长度。

（4）注浆由孔底开始，边注边外拉浆管，并缓缓拔管，直至浆液溢出孔口后停止注浆。注浆后过再补浆一次，若渗浆严重，可补浆2～3次。按照工艺要求，在第一次注浆完成后2～4h内，用高压（3～5Mpa）进行二次高压注浆，注浆材料为早强灌浆料。

（5）锚索质量检查允许偏差如下

（6）由于早强注浆料强度增长较快，注浆系统应确保运转正常，浆管路应畅通，防止注浆不连续造成浆液堵塞设备管道。

（7）各种设备应处于完好状态，张拉设备应经检验可靠，并有防范措施，防止夹具飞出伤人。锚杆外端部的连接应牢靠，以防在张拉时发生脱扣现象。

（8）基坑开挖和盾构接收过程中，根据周围环境条件，应做好监控量测工作，及时分析，采取措施，以控制地面变形、基坑隆起，并确保邻近建（构）筑物和地下管线的安全。

7 现场管理及成本控制

施工现场应严格按照绿色文明施工要求进行管理，特别是材料的标识和保存，防止早强灌浆料被误用到非关键部位，防止由于存放不当造成材料损坏。

细化施工组织，科学管理，把早强灌浆料用在制约工期的关键部位。

为达到经济效益最大化，建议在精确计算土方开挖进度指标后，以每段钢腰梁长度范围内的锚索为一个工期安排单元，使锚索施工进度与土方开挖进度匹配。

利用场地条件，在满足作业条件和安全的前提下，合理划分土方开挖和锚索作业面，避免交叉施工。

8效益分析

通过锚索早强灌浆料施工技术的应用，证明早强灌浆料性能稳定，缩短围护结构及土方开挖工程的时间，为车站主体结构施工提供条件，提前具备下一步工作条件，减少了占道施工的时间，为相关单位合理安排下一步工作奠定基础。现场对基坑监测的数据（包括锚索轴力、地表沉降、桩顶位移和桩体变形）均处于安全范围内，基坑地表沉降范围为+4.42mm～-5.11mm（+值代表隆起，-值代表下沉），基坑处在安全状态。锚索轴力和桩顶位移监测数据汇总见图3。后附砂浆强度检验数据和锚索验收试验报告。

早强灌浆料目前还没有广泛应用，原因之一是其单价明显高于常规的纯水泥浆或砂浆，但在适当的环境中使用能够取得显著综合经济效益和社会效益显著。

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