高水頭粉細砂層錨索施工技術研究

衛耀東

摘要：北京地鐵6號線新華大街站施工時基坑主體圍護結構采用鉆孔灌注樁，孔樁中部采用外拉錨索的支護形式，基坑標準段打設4道錨索。第3道錨索穿越高水頭粉細砂層地質，部分錨索施做時出現涌水、涌砂，導致錨索不能施做。本項目經技術創新，采取套管與鉆桿同步鉆進、設計防涌砂裝置、設置孔口吸水快速膨脹材料封堵等技術措施，有效防止了涌水涌砂問題，確保了錨索施工質量及工期。

關鍵詞：錨索施工;高水頭粉細砂層;同步鉆進;防涌砂裝置;孔口封堵

Abstract： During the construction of Xinhua Street Station of Beijing Metro Line 6， the main retaining structure of the foundation pit was constructed with bored piles， the middle part of the bored piles was supported by external anchor cables， and 4 anchor cables were laid in the standard section of the foundation pit. The third anchor cable passed through the high water head silty fine sand layer， and water and sand gushing appeared during the construction of some anchor cables， which made the anchor cable unable to be constructed. Through technological innovation， the project adopted technical measures such as synchronous drilling of casing and drill pipe， design of anti-sand inrush devices， and setting of water absorption and rapid expansion material plugging of orifices， which effectively prevented water and sand gushing， and ensures the construction quality and construction period of anchor cable.

0? 引言

因預應力錨索對土體的加固效果顯著，在深基坑圍護中逐漸和到推廣應用。但現有錨索施工的成熟技術是基于不透水地層（如粘土層），或是低地下水壓力的砂層。采用常規的施工技術進行高水頭透水砂層錨索施工時，出現涌水、涌砂，注漿難等問題。為了提高高水頭砂層錨索成孔質量及效率，探尋錨索成孔新技術，解決高水頭錨索成孔涌水、涌砂難題，確保錨索施工質量，達到設計抗拔力，保證基坑土體及周邊建（構）筑物的安全，具有較強的工程施工意義。

1? 工程簡介

新華大街站是北京地鐵6號線的快慢線中轉換乘車站，遠期與S6換乘，為四線雙層結構形式，車站總長473m，站臺設計寬度為10m。新華大街站的標準段高為17.1m，寬為42.5m，頂板覆土在效站臺中心線處為3.5m。

新華大街站地處通州城區的規劃核心區，明挖法施工主體結構，本車站底板埋深約為22.5m，主體結構的基坑采用ф800mm鉆孔灌注樁作圍護，中心距為1500mm，孔樁深入基坑以下5m。圍護結構不設內支撐，而是在基坑標準段打設4道錨索（d=150mm）的外拉形式，錨索水平間距1500mm。

由地質勘察報告可得，基坑深度內的地質情況如下：房碴①層、粉質粘土填土雜填土①1層、粉土填土①2層、粉土②層、粉細砂④3層、粉細砂⑤層、中粗砂⑤1層及粉質粘土⑥層。

基坑深度范圍內存在2層地下水。其中上層滯水的水位標高在20.2～19.81m，基底以上13.4～14m;下層為承壓水，水頭進入粉細砂④3層，水頭標高16.2m，位于基底以上10.6m。

北運河位于新華大街站北側，與車站呈大體平行關系，兩者相距約200m。河底寬80m，河底標高15.3～15.80m，測量水深3.0～3.5m;對應的水位標高為18.3～18.8m;河底、岸坡無襯砌。

2? 施工存在的問題

2.1 存在的問題及分析

基坑防護的第3排錨索穿越高水頭粉細砂④3層，該層地下水承壓，動水與水源聯系十分復雜。進行基坑第3排初期共15根錨索施工時，發現11根錨索在鉆孔時，或是注漿完成后產生不同程度涌水、涌砂問題。涌水中含泥砂量大，且水流呈噴狀涌出，表明水壓較大。

因涌水、涌砂量較大，地面的沉降監測表明地面沉降值急劇加大，為了確保地面道路、構筑物的安全和減少對上部已施工完成的2排錨索的擾動，只能停止后續錨索的施工。因此，能否完全順利完成車站圍護結構的高水頭粉細砂層第3、4道錨索施工是關系到本項目的基坑開挖節點工期及周邊建（構）筑物安全、道路交通暢通以及居民生活正常進行的關鍵，是本工程的重點與難點。

2.2 各種施工技術措施處理涌水、涌砂問題的評估

2.2.1 井點降低地下水位? 采用井點降水法降低基坑的地下水位后再進行錨索的鉆進成孔。結合其它項目的施工經驗評估后認為：首先過度降水，易引起地表、道路及建筑物沉陷，危及安全;其次地下水承壓，水量較大，且有北運河的持續補給，降水難度大。排除了井點降水方案。

2.2.2 凍結法? 將凍結管打入土體中，通過管內冷媒劑循環流動，使熱量從土層中帶出，從而使土層凍結，凍結后土層具有一定的強度及密實度，能夠承受荷載和起到隔離防水作用，土體的暫時凍結保證了可按常規工藝進行錨索的施工。但存在施工技術復雜，工序多，施工工期長;對土體的凍結造價高;地質條件復雜，存在不確定的因素多，風險大。

2.2.3 套管跟進法? 即利用套管跟進進行錨索砂層施工。此方法雖然操作簡單，成本較低，施工周期短。但在高壓水頭情況下施工的風險大，故不宜采用。

2.2.4 此外還對地層加固法、自進式注漿鉆進錨索法等進行了適用性評估? 但不同的施工方法存在或多或少的不足之處，難以確保本項目錨索順利完成。為此，本項目進行課題研究立項，從施工工藝方面往入手，以解決高水頭粉細砂層錨索成孔難題。

2.3 研究高壓水頭透水砂層錨索施工防涌水涌砂技術

從查閱大量文獻資料的結果看來，目前成熟錨索施工技術及專利基本是基于不透水地層（如粘土層），或是低地下水壓力的透水砂層。成功在高水頭粉細砂層、淤泥質砂層等困難地質條件下完成錨索施工的技術及實例少。為確保第3、4排錨索的順利施工，本項目在借鑒以往類型項目的成功經驗的基礎上，根據本項目具體情況，進行工藝優化、調整和提高。

課題小組還與具有豐富類似地質情況下錨索施工經驗的廣東省基礎工程公司進行技術合作，同時項目部課題人員還發揮創新思維，并在試施工中對出現的問題進行分析、研究，優化技術方案及工藝。最終針對錨索施工涌水、涌砂難題，采取如下三個主要施工技術措施：

①采取外套、內轉桿同步向土層中鉆進，防止水、砂沿套管外側涌出。

②鉆設錨索孔時在孔口處安設防涌砂裝置，進一步阻止涌水、涌砂。

③采取在孔口處設置膨脹止水紗袋，對孔口進行封堵等技術措施，防止水泥漿被高壓地下水擠出。

3? 技術研究成果闡述及實施要點

3.1 成孔工藝的改進

先下外套管后，再安裝內轉管實施鉆進是傳統錨索成孔工藝。實踐表明，采取此工藝在高水頭透水砂層施工時，還是易出現涌水、涌砂現象，導致成孔困難。

本項目改進了成孔技術，采用外套管和內轉管同步鉆進（如圖1、圖2所示）的新工藝。即內轉管鉆頭先行鉆進土體，外套管緊隨其后。

新成孔技術還是采用外套管護壁成孔，但內轉管較外套管超前少許進入土體，內轉管往復轉動鉆進運動對前方及轉管周邊一定范圍內的土體進行擠壓密實，包括外套管外側的土體也產生了擠壓密實效應（如圖3所示），解決了沿外套管外側產生涌水、涌砂的難題。

內轉桿與外套管間的空隙經工藝改進后變成很小（控制在10 mm以內），鉆頭前較大顆粒的砂礫、碎渣無法通過空隙排渣，而是擠入周邊土體中，隨泥漿循環排出的僅是小粒徑的砂礫、碎渣。故新工藝不僅能擠密土體，還能有效減少砂土的流失。

3.2 成孔過程中防涌砂

由于本基坑共設置了4道錨索，越往下施工，水頭壓力就越大，開孔及成孔過程中的涌水涌砂將會更加嚴重，為進一步控制錨索成孔過程中粉細砂流失量，鉆孔時在孔口處安置防涌砂裝置（如圖4、圖5所示）。

根據已施工完成的第2道錨索結果，雖然各孔位水頭壓力不同，但基本水頭壓力較小，產生涌砂、涌水現象的可能性較低，故對于尚未施工的第2道錨索，擬先開孔，再根據成孔情況考慮是否需要裝設防涌砂裝置。第3排、4排錨索均按裝設防涌砂裝置的要求進行前期準備（安設膨脹螺栓）。

防涌砂裝置現場操作步驟及要點如下：

①定位錨索孔位后，將孔位處圍護結構的混凝土面鑿平，根據防涌砂裝置安裝孔的位置，在混凝土面上鉆打6個Φ12mm膨脹螺栓。

②進行將防涌砂裝置底座的試安裝，確認膨脹螺栓定位準確后，拆除底座。

③錨索鉆機鉆進成孔。

④當成孔過程出現較大的流砂、涌水現象時，停止錨索鉆機的鉆進，用油麻繩包裹外套管，安裝防涌砂裝置。為了避免地下水、細砂從防涌砂裝置底板與圍護結構表面之間的空隙涌出，造成水土流失，在二者之間的空隙上加墊無紡布、麻包袋。

⑤錨索鉆機繼續鉆進成孔。

3.3 終孔注漿后防涌砂

錨索成孔時安裝防涌砂裝置主要是與錨索鉆機成孔相配合，控制涌水、涌砂量。但在注漿前需拆除防涌砂裝置，故其不能起到終孔后防涌砂作用。以往類似項目采取留一節外套管在孔內不拔除，以起到平衡孔口水土壓力，防止涌砂的目的，但施工成本高，較少采用;或終孔后對孔口部位采取灌漿封堵方法，但需注入大量化學漿液，且操作工序較復雜，施工成本高，也較少采用。故尋找快速有效、經濟合理的止水技術具有較強的工程意義。

試多次試驗結果，擬采取在孔口部位塞膨脹止水紗袋的技術，具有效果好，簡單易行，成本低待特點。

經過大量止水材料試驗反復對比，選擇某種具有吸水快速膨脹、形狀可任意塑造的材料，加無紡布密封后可做成膨脹止水紗袋。施工時在錨索鉆機的配合下塞入孔口內（如圖6所示）。

4? 結束語

北京地鐵6號線新華大街站圍護結構錨索施工時，因部分錨索從高水頭粉細砂透水地層穿過，施工時大量出現涌水、涌砂等現象，本項目在經驗借鑒的基礎上，采取創新優化。在錨索施工時采取了外套管與內轉桿同步鉆進、孔口安裝防涌砂裝置、注漿后使用膨脹止水紗袋止水等多項新穎、有效的技術措施，順利按預定工期完成新華大街站第3、4道錨索的施工。由于措施得當，有效控制了涌水、涌砂的發生，防止了水土流失及地表沉降，取了良好的社會效益和經濟效益。

參考文獻：

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