摘要:预应力锚索广泛应于在软岩、土体边坡加固及明挖支撑体系等工程中。文章结合沈阳市地铁一号线黎明文化宫车站锚索支撑体系施工实例,分析预应力锚索在地铁车站明挖支撑体系防护中的特点及原理,提出了预应力锚索结构的构造要点,阐述了锚索支护应用的施工技术要点及施工工艺。
关键词:地铁车站明挖 预应力锚索 支撑体系 工作原理 施工工艺
0 前言
随着城市地铁工程的规模化建设和岩土锚固技术的不断发展,预应力锚索支撑体系在地铁车站主体围护结构中得到广泛应用,新技术受地质条件的复杂性、围护结构的强度、整体稳定性和变形的影响较大,因此对施工工艺和技术上对锚固的质量要求高。由于预应力锚索支撑体系具有隐蔽性,且预应力锚索的施工工艺还处于探索中,预应力锚索加固机理、锚固体系与围岩的相互作用有待研究,因此制订合理的施工工艺和施工技术控制手段,有助于提高锚索锚固效果和施工安全。本文以中铁九局施工的沈阳市地铁一号线黎明文化宫车站排桩预应力锚索支撑体系为例(根据工程地质条件,采用粘结式拉力集中型预应力锚索体系),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研究与探讨。
1 支撑体系预应力锚索作用机理分析
预应力粘结式预应力锚索具有结构简单、施工方便的特点。在深基坑开挖支撑防护体系中应用广泛。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。WwW.11665.Com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腰梁及防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
黎明文化宫站为沈阳市地铁一号线终点站,车站里程为dk21+712~dk21+863,主体结构全长150.40m,顶板覆土约3.6m,车站围护结构采用排桩、锚索支撑体系。黎明文化宫站地貌为浑河高漫滩及古河道,自东向西沿轴线穿越浑河冲洪积扇,表层第四系地层广泛发育,沉积韵律较为明显,厚度较大。地层由西向东颗粒逐渐变粗,黏性土层逐渐变薄。地层结构由人工填筑层厚0.50~1.0m、黄褐色粉质黏土最大厚为3.70m,中砂、粗砂、砾砂最大厚为17.50m。
2.2 预应力锚索构造
预应力锚索采用拉力集中型粘结式预应力锚索体系,锚索由锚固段、自由段和紧固头三部分构成,紧固头由腰梁、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(见图1)。
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,在理论计算和经验类比的基础上,确定锚固段长度分别为9.0m和12.0m,自由段长度采用6m。锚索自由段是拉力集中型锚索的满负荷段,通过抗滑力分析确定锚固路径最有效的布置方向为沿水平方向下倾15°~25°之间,锚孔直径为ф150mm。锚索采用高强度低松弛预应力7ф5钢丝组成的直径为15.2mm钢绞线,强度为1860mpa。
2.3 预应力锚索布设及设计参数
地铁站明挖按开挖深度的不同,按高程划分为设置三道和四道锚索两种形式,共计1386根锚索。其中三道锚索形式:在同一纵断面间距3.4m,横向间距2.4m,纵断面共设置3道,每根锚索长为15m,自由段6m,锚固段9m。第一道锚索为2束,预应力为20kn,轴力为32kn;第二道锚索为3束,预应力为80kn,轴力为190kn;第三道锚索为2束,预应力为25kn,轴力为80.6kn。四道锚索形式:在同一纵断面在间距为3.2m,横向间距为2.4m,纵断面共设置4道,每道锚索均为5束,每根锚索长为18m,自由段6m,锚固段12m。第一道锚索预应力为40kn,轴力为67.1kn;第二道锚索预应力为120kn,轴力为224.1kn;第三道锚索预应力为240kn,轴力为521.5kn;第四道锚索预应力为50kn,轴力为99.5kn。具体详见图2。
2.4 围护承载钻孔桩布设
车站开挖深度为11.2~14.2m,排桩采用直径800mm及1000mm、间距为1200mm的旋挖钻孔桩,桩长分别为15.0m和19.0m,桩址分别插入圆砾和砾砂地层中,排桩入土深度分别为6.0m和7.0m,排桩采用c25钢筋混凝土作为围护结构的支撑体系。
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。
3 施工工艺
3.1 锚索施工流程
遵循“分段分层、由上而下、先锚固、后开挖”的原则进行锚索施工及基坑开挖。开挖土方至每道腰梁位置后,进行相对应锚索钻孔、注浆、安装钢腰梁、张拉锚固施工。
3.2 锚索施工工艺流程
预应力锚索施工由锚孔、束体、注浆、腰梁及张拉五个基本组成构件,在锚索支护体系中有机组合成为一体。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,使束体产生预应力与腰梁、钻孔桩连接成整体。
4 施工技术要点
4.1 钻孔
锚索钻孔主要内容有:设备就位、施工放线、钻进、检测、注浆、扫孔和终孔验收等。按设计图对锚固孔位置放样,并安装钻机,施钻过程中,孔口坐标的偏差≤100mm,孔位高程误差±50mm,锚固孔倾角值设定为20°,孔径150mm;对孔位、孔距、偏角进行复查准确后开钻;钻孔过程中要达到“准、平、稳”的要求,确保机钻孔不发生移位和摆动,按孔深对返水量及地质情况做好记录,锚固孔的倾斜率≤3.0%,发现问题及时进行纠偏调整。
针对沈阳市普遍为中粗砂及砾砂的地质条件,个别地段采用套管跟进钻孔,套管孔径为150mm,长度<6m,终孔时钻孔深度不小于设计值,超钻深度控制≤40cm。
4.2 锚索束体制作与安装
预应力锚索是用7ф5钢丝组成的15.2mm钢绞线,下料长度按孔深+腰梁(0.234m)+钢垫板(0.057m)+千斤顶工作长度(0.4m)+0.30m,每股长度偏差控制50mm以内,采用冷切割下料。在锚固段范围内对每孔三束以上的锚索每隔1.0m设一个架线环或中支架,自由段钢绞线外包塑料波纹管。
锚索的安放:针对中粗砂及砾砂的特殊地层,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,并保证自由段波纹管不受损伤。
4.3 注浆锚固
锚索安设完毕,对锚孔及钢绞线验收合格后进行注浆,采用jbw150/40压浆泵,水泥浆水灰比为0.50,强度≥15mpa。施工包括水泥浆制备和注浆两道关键工序。浆体搅拌时间≥2min,制备好在储浆桶中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。针对中粗砂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。锚固段注浆必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。
4.4 腰梁及垫板安装
腰梁为2根i22工字钢通过钢板连接而成,将腰梁与防护桩身贴紧,无法密贴处,采用c20细石混凝土充填,将钢垫块固定于工字钢腰梁上,并保证钢垫块的上表面与锚索垂直。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。
4.5 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ylm15-2、ylm15-3、ylm15-5系列锚具,提供动力来源ybz2-50高压油泵。
锚索张拉:锚索张拉前,应对张拉设备进行标定,注浆体强度通过试验达到≥15mpa,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15%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30%、75%、100%、110%,每级张拉稳定持荷≥5min,并记录钢绞线的伸长量,检测指标合格后及时进行锁定。
对锚索张拉的质量采用控制张拉力和伸长量双项指标控制,锚索拉力用钢弦式锚索应力计测量,对每一级张拉进行钢绞线伸长量的记录,保证理论伸长量和实际伸长量之差≤40mm。张拉锁定经验收合格后,将张拉段多余束体切除。对于钢纹线的松弛、地层土的徐变、伸长量超标等因素造成的预应力损失和质量问题,应校正千斤顶并重新张拉或在张拉后进行补张拉然后锁定。
5 结语
预应力锚索排桩支撑体系、路基加工边坡防护等在工程中得到广泛的应用,设计、施工工艺与实用性技术均逐步趋于完善。工程实践表明,锚索体系的破坏形式不仅与锚固机理有关,同时还受地址状况、结构形式和材料强度等方面的影响,主要有注浆体、岩体、锚索束体、施工控制等综合问题造成局部和整体支护力不足而产生破坏。为保证锚索体系的安全性和有效性,必须从设计与施工两方面着手,合理地选定锚固形式和锚索类型。
参考文献
[1]尤春安.预应力锚索锚固段的应力分布规律及分析[j].岩石力学与工程学报,2005,24(6):925-929.
[2]范宇洁.预应力锚索锚固体的破坏机理和极限承载力研究[j].岩石力学与工程学报,2005,24(15):2765-2769.
