地鐵基坑中錨索方案比選及預(yù)應(yīng)力損失分析

朱 進(jìn)

1 工程概況

1.1 總體工程簡介

北京地鐵某車站位于土城北路與惠新西街十字交叉路口,南接和平西橋站,北接干楊樹站。本車站為5,10號線“十”字形島側(cè)換乘車站,南北向的5號線車站為雙層三跨及雙層五跨框架結(jié)構(gòu)的島式車站,總長200.2 m,寬為 24.7 m及36.9 m;東西向的10號線車站為單層四跨框架結(jié)構(gòu)的側(cè)式車站,總長137.4 m,寬為37.7 m。車站主體結(jié)構(gòu)為明挖法施工。

1.2 明挖基坑工程介紹

本明挖基坑設(shè)計平面結(jié)構(gòu)形式為倒“T”形,5號線基坑開挖深度為18.9 m,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔樁。基坑支撐體系采用鋼支撐(2Ⅰ45b工字鋼)與預(yù)應(yīng)力錨索相結(jié)合方式,即基坑南端支護(hù)采用鋼支撐+兩層預(yù)應(yīng)力錨索,其他基坑段采用三層預(yù)應(yīng)力錨索,錨索采用5股～7股7φ 5鋼絞線,錨索孔徑為200 mm,錨索鎖定拉力取設(shè)計軸力的75%。10號線基坑開挖深度為12.7 m,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔樁。基坑支撐體系采用兩層預(yù)應(yīng)力錨索,錨索采用5股7φ 5鋼絞線,錨索孔徑為200 mm,錨索鎖定拉力取設(shè)計軸力的75%。

明挖基坑范圍內(nèi)工程地質(zhì)為:

①人工填土層:粉土素填土①層,雜填土①1層。②第四紀(jì)全新世沖洪積層:粉土③層,粉質(zhì)黏土③1層,黏土③2層,粉質(zhì)黏土④層,黏土④1層,粉土④2層。③第四紀(jì)晚更新世沖洪積層:粉細(xì)砂⑤2層,粉質(zhì)黏土⑥層,黏土⑥1層,粉土⑥2層,粉細(xì)砂⑦2層,粉質(zhì)黏土⑦4層。

基坑地下水位自上而下分層如下:

1)上層滯水,主要賦存于人工填土底部,含水層主要為粉土③層,局部為粉土填土①層底部,水位標(biāo)高為36.00 m～38.94 m(水位埋深4 m～6.8 m);2)潛水,含水層為粉土④2層,水位標(biāo)高為32.54 m～33.45 m(水位埋深為9.52 m～10.50 m);3)承壓水,含水層為粉土⑥2層及粉細(xì)砂⑦2層,本層承壓水的承壓性較小,水位標(biāo)高為20.84 m～22.30 m(水位埋深為21.50 m～22.40 m)。

2 預(yù)應(yīng)力錨索施工方案的比選

2.1 原設(shè)計錨索施工方案

根據(jù)原設(shè)計,本明挖基坑共設(shè)置2排～3排錨索,原錨索施工方案采用如下措施:

1)采用水灰比為0.45～0.5的純水泥漿,水泥漿中的水泥標(biāo)號為32.5;2)采用二次灌漿法,二次高壓灌漿在錨固段第一次灌漿體強(qiáng)度達(dá)到5 MPa時進(jìn)行,二次注漿壓力控制在2.5 MPa～3.0 MPa。

按上述施工方案,在錨索初期施工時,經(jīng)常出現(xiàn)塌孔甚至無法成孔等現(xiàn)象,存在不足之處主要有以下幾點:

1)本站錨索施工范圍內(nèi)土質(zhì)主要為:粉細(xì)砂、粉質(zhì)砂土,部分地段為淤泥質(zhì)黏土土體的持力層相對較弱,致使成孔困難,并常伴有塌孔現(xiàn)象;

2)鉆孔深度較深,加上鉆機(jī)的桿體自重較大,致使桿體的自身撓度過大;

3)基坑周圍管線較密集,加上以上兩種情況存在,很難保證錨索施工時周圍管線的安全;

4)由于錨索孔在鉆孔時難以鉆成直線,而呈彎曲狀態(tài),早期錨索張拉時,自由段與土體中砂子和石子可能存在一個或者多個接觸點,這種接觸點的存在,將導(dǎo)致摩擦力的產(chǎn)生,從而使錨固力發(fā)生沿程損失。

本明挖基坑錨索張拉的時間定為二次注漿后7 d進(jìn)行張拉。現(xiàn)場隨機(jī)抽取了3根錨索進(jìn)行了基本試驗,根據(jù)錨索破壞標(biāo)準(zhǔn),通過對試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析,其中有2根錨索在施加荷載未到370 kN既已達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)。由此可見采用上述方案施工的錨索,7 d后的錨固體強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計要求。

2.2 預(yù)應(yīng)力錨索施工優(yōu)化方案

1)將原設(shè)計中水泥漿中的水泥標(biāo)號由32.5提高到42.5;2)在拌制的水泥漿中摻入JM-2型早強(qiáng)型減水劑,提高其早期強(qiáng)度;3)將二次注漿壓力由設(shè)計的2.5 MPa～3.0 MPa,改為2.5 MPa～5.0 MPa,漿液在高壓下被壓入孔內(nèi)壁的土體中,使錨索能牢固地錨在土層中,以確保二次注漿后,錨固體直徑增大,提高其抗拔力;4)對鉆機(jī)進(jìn)行改造,減小鉆桿直徑,加大鉆桿鉆頭直徑,減輕鉆桿自重,使孔中心線盡量趨于直線,從而減少了錨固力的沿程損失。

隨后又對現(xiàn)場隨機(jī)抽取了3根錨索進(jìn)行了基本試驗,試驗結(jié)果見圖1。

通過試驗數(shù)據(jù)可以看出,在經(jīng)過以上調(diào)整后,錨索的錨固體早期強(qiáng)度提高很快,7 d內(nèi)即可達(dá)到425 kN,同時采用上述措施施工后的錨索,既縮短了其等效時間,確保了下道工序土方開挖及時,同時又保證了錨索的抗拔力,確保了基坑的安全。

3 預(yù)應(yīng)力損失控制

通過對已施工的錨索監(jiān)測發(fā)現(xiàn),絕大部分錨索都存在不同程度的預(yù)應(yīng)力損失,經(jīng)過對錨索預(yù)應(yīng)力進(jìn)行長期跟蹤監(jiān)控,得出預(yù)應(yīng)力初期變化的時間關(guān)系曲線見圖2。

從圖2看出,錨索鎖定后的15 d左右預(yù)應(yīng)力呈穩(wěn)步下降,所以對預(yù)應(yīng)力損失較大的錨索進(jìn)行補(bǔ)償張拉,一般應(yīng)選在鎖定后的15 d左右。

在錨索施工時,為了減少群錨效應(yīng),調(diào)整相鄰錨索錨固段的空間位置,減小錨索錨固體影響半徑的交叉范圍,達(dá)到減小預(yù)應(yīng)力損失的目的。

我部選了一組5根錨索作為研究對象,其布置方式為長度分別為19.0 m和23.0 m的錨索相鄰交替布置,并對其進(jìn)行非破壞性試驗,試驗結(jié)果及鎖定后48 h監(jiān)測情況見表 1。

表1 錨索試驗結(jié)果及鎖定后48 h監(jiān)測情況表

從表1看出,調(diào)整錨索錨固體空間位置,減小錨索體對應(yīng)力土體影響的半徑,從而減小群錨效應(yīng)。

其次,為了解決張拉時對相鄰錨索預(yù)應(yīng)力的影響問題,增加一套張拉系統(tǒng),選擇有利于減少相鄰錨索預(yù)應(yīng)力損失的張拉順序,兩臺張拉系統(tǒng)同時工作,張拉效率是以前的兩倍,所需人力減半,這樣既保證了錨索質(zhì)量,也提高了工作效率,減少人力資源投入,節(jié)約成本。

4 結(jié)語

為了掌握錨索在實際工作中的受力狀態(tài),并檢驗錨索的施工質(zhì)量,我部在每排錨索中設(shè)置了三個錨索測力計。經(jīng)過長時間的觀測結(jié)果顯示,錨索支撐自施工至今,錨索受力性能良好,蠕變量小,說明本次錨索施工是成功的,錨索支撐施工質(zhì)量達(dá)到了設(shè)計要求,保證了本深基坑工程的穩(wěn)定。

[1] GB 50086-2001,錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 薛偉辰.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[3] 雷建海.深圳地鐵會市區(qū)間深基坑支護(hù)設(shè)計及優(yōu)化[J].巖土工程界,2006(8):27-28.

[4] 項 春.預(yù)應(yīng)力錨索在地鐵明挖支撐體系中的應(yīng)用[J].鐵道建筑,2007(7):45-46.

[5] 文良才.淺談錨索施工在明挖深基坑圍護(hù)中的應(yīng)用[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)(學(xué)術(shù)版),2009(3):68-69.