可回收錨桿技術研究現狀與展望

成澤林,周盛全,樂騰勝

(1.安徽理工大學土木建筑學院, 安徽 淮南 232000; 2.安徽省建筑科學研究設計院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室, 合肥 230031)

隨著中國經濟的快速發展,城市地下綜合管廊、地鐵車站等大型地下工程數量急劇增加,城市建設越來越多地向地下擴展。隨之而來的基坑范圍和深度也不斷擴大,深基坑支護技術已成為地下工程建設的難點和熱點。為滿足安全、經濟的施工要求,排樁+內支撐和排樁+錨桿的施工體系被廣泛應用于基坑工程中。兩者各有優劣,相較于錨桿支護,內支撐具有以下缺陷,一是限制施工高度,加大了施工難度,不利于高效施工;二是內支撐主要采用混凝土結構,后期拆除造成資源浪費。樁錨支護雖然能避免內支撐所帶來的劣勢,具有造價低、可為后續的土方開挖及基礎地下室的施工提供更大的空間等優點。但它同樣也有缺點,如,支護工程雖然屬于臨時工程,但是錨桿卻被永久地遺留在地下,為后期地下空間的開發造成阻礙,并且錨桿都為金屬材質,隨著時間推移被不斷的分解,會造成土壤和地下水源的污染。從2005年提出把建設資源節約型、環境友好型社會作為一項戰略任務,到如今把“綠水青山就是金山銀山”的科學論斷作為國策,在眾多綠色發展理念的推動下,研究如何有效利用錨桿技術、減少浪費、綠色發展成為迫在眉睫的問題。可回收錨桿技術的誕生延續了傳統錨桿的優勢,并為上述問題提供了較好的解決方案。該技術最初于20世紀60年代在國外提出,80年代因為其經濟性傳入國內,但由于當時技術不成熟效果較差導致市場認可度低。到21世紀,進入真正大規模開發利用地下空間的時代,隨著土地市場化的發展和更多地方用地政策的出臺,超越用地紅線問題日益被關注,可回收錨桿技術重新得到重視。雖然該技術在中國起步較晚但發展迅速,相關企業由幾家發展到現在幾十上百家,相對國外完成了從落后到追平甚至部分領先的壯舉。

一、可回收錨桿

(一) 可回收錨桿概述

可回收錨桿顧名思義就是錨桿可自行回收,施工完成后錨桿不再被當成一種廢料留在巖土中成為日后土地開發的障礙物,而是在施工完成后將錨桿從巖土中取出,最大程度地減少對土壤的污染。如今國內外主流的可回收錨桿大多只是錨桿可回收,錨固件由于埋藏深回收困難而且體積小對土地開發造成的影響較小而選擇使留在地下,不過隨著可回收錨桿技術的發展,可完全回收錨桿也已陸續亮相。

(二) 可回收錨桿的分類

可回收錨桿技術在國內外歷經半個多世紀的發展,如今種類可謂百花齊放,從施工工藝方面主要可分為機械式、力學式和化學式回收;根據錨桿的回收機理可分為自解鎖類、錨筋回轉類、自鉆自鎖類、半拆筋類、過載強拉類、端頭錨固類,又分別用A、B、C三個等級對錨桿部分的回收程度進行劃分;根據承載形式可分為壓力集中型或壓力分散型;根據錨固漿體形狀可分為直徑形和旋噴擴體型;根據錨固體填充材料還可分為水泥漿型和水泥土型。

二、國外可回收錨桿的發展

早在20世紀60年代,日本和歐洲等發達國家對土地利用率較高,且科技發達、環境保護意識強,所以對錨桿超出用地“紅線”問題比較重視,隨后這些國家先后開發出多種可回收錨桿。

(一) JCE可回收錨索桿

日本國土防災股份有限公司開發的JCE可回收錨桿屬于力學式回收錨桿,具有安裝速度快、工序簡潔、工人勞動強度低、回收率高等優點,但是承載力較小、錨固件不能被回收。該錨桿安裝時并不需要張拉鎖定等施工工序,在錨固件中巧妙設置了一股解鎖鋼絞線,回收時先通過千斤頂對解鎖鋼絞線進行張拉使錨固件“解鎖”,其它鋼絞線便可輕松拔出。

(二) IH可回收錨桿

IH可回收錨桿是由日本飛島建設股份有限公司研發的一種熔斷式錨桿,該錨桿具有成本低、回收速度快且方便、設計靈活等優點。其原理是在錨固端設有電磁線圈加熱裝置,對其通電便可快速完成對鋼絞線的熔斷,進而達到回收的目的,熔斷后不需機械就可將鋼絞線拔出。

(三) DYWIDAG可回收錨桿

DYWIDAG錨桿為熔斷式錨桿由德國DSI公司研制,與日本IH錨桿設計類似,同樣是通過電感應加熱完成對鋼絞線回收,不同的是DYWIDAG可回收錨桿在組裝之前在熔斷處設有斷裂點,通過加熱降低鋼絞線的承載能力而達到回收的目的,回收更為方便快捷。

(四) SBMA可回收錨桿

SBMA錨桿是由英國學者開發屬于U型可回收錨桿,它是將幾股錨桿安裝在一個鉆孔中,可以大幅度提高錨桿的錨固力,回收時通過千斤頂對錨桿施加拉力進而取出。但其缺點較為突出,施工前需要對鋼絞線進行綁扎,特別是對于直徑較大的鋼絞線工作量較大,并且回收時需要借助機械,工序復雜。

(五) 日特可回收錨桿

日特可回收錨桿又稱為自切割可回收錨桿,由日本日特建設公司研發,該錨桿承載力大、結構簡單、安裝回收方便、故障率低、回收率高。其錨固裝置為帶切斷裝置的滑輪,安裝時鋼絞線繞滑輪回轉180°穿出兩端受拉,回收時對錨桿一端施加拉力帶動切斷裝置旋轉切斷鋼絞線進而回收。

(六) 擴大頭可回收錨桿

擴大頭可回收錨桿由瑞典研發,在瑞典、日本應用得到驗證。該錨桿的錨固件是由折疊鋼板組成,安裝時鋼絞線繞過錨固件裝入孔底,因為端部體積較大承載力不再是與巖土之間的摩擦力而是錨固件端承阻力。后期國內對該類型錨桿進行改進,利用高壓旋噴的方式,對錨桿底部一定范圍內進行擴孔以達到提高承載力的目的。

三、國內可回收錨桿的發展

可回收錨桿技術在國內起源于20世紀80年代,最初用于礦山巷道,后面在隧道、邊坡、地下等不同領域得到小規模的應用,特別是在深基坑工程中應用最廣泛,但發展初期回收后錨桿都會有一定的損傷導致無法重復利用。自上世紀末以來,隨著基建行業如火如荼及各種政策的實行,使可回收錨桿技術重新得到重視。在研發方面,1997年冶金部建筑研究院成功研發了采用聚酯纖維錨固件的可回收錨桿,實測回收率高達96 %。2003年總參工程兵科研所也研發出壓力分散性可回收錨桿,現如今研究主力除國家單位外還有更多的民企,如:北京力川、浙江中橋等。在學術領域,自2019年起,每年召開的全國可回收錨桿技術研討會正促進該技術的快速發展,在同一年,全國可回收錨桿技術與產業聯盟在龔曉南院士的牽頭下成立。在技術標準方面,本世紀初可回收錨桿技術被寫入《建地基錨桿設計施工指南》,自此以后該技術被寫入更多技術規程及規范,2020年《可回收錨桿技術規程》通過審查。可以看出,雖然我國起步較晚,但發展速度更快。

(一) 機械式回收錨桿

一是壓力分散型可回收錨桿。該錨桿是由國家總參工程兵科研三所研制,是國內工程應用最早的可回收錨桿,具有承載力大、適應性強、易回收的優點。使用時,將鋼絞線繞錨固件180°回轉并固定,根據施工要求可在錨固段內設置多個錨固件,回收時只需要用千斤頂或卷揚機對鋼絞線一端進行張拉即可取出。后來深圳某公司研發的JL可回收錨桿為該錨桿的升級產品,取長補短克服了普通U型錨桿的缺點,并在多個工程中得到規模性應用。二是LTRA可回收錨桿。LTRA可回收錨桿是由廣州泰基工程公司研發,該錨桿是采用主副錨桿形式,其主錨桿為受力構件,副錨桿為回收錨桿。其傳力路徑為錨頭—主錨桿—錨固件,錨固件由水泥砂漿固定在孔洞內并負責傳力至周圍土層中進而成為一種壓力型錨桿。回收時,通過張拉副錨桿使錨固件失效拔出主錨桿。該錨桿具有回收工序簡潔、回收速度快、回收再利用率高且應用范圍廣等特點。

(二) 力學式回收錨桿

一是直列無極調壓式可回收錨桿。該錨桿是由北京力川地基工程公司研制,該錨桿錨固件為一種無級調壓保險裝置,對錨桿根數沒有限制并且每根鋼絞線獨立工作。安裝時,對保險調壓機設置一個保險壓力值壓緊鋼絞線。回收時,對錨桿施加大于壓力值的拉力便可解除保險抽出錨桿,具有回收方便,對鋼絞線傷害小重復利用率高等優點。二是定閥式可回收錨桿。定閥式可回收錨桿是由武漢武建機械施工公司研發,原理與直列無級調壓式錨桿類似,通過擠壓套固定錨桿。回收時,用千斤頂或絞盤對錨桿施加拉力,錨桿從錨固件中抽出的同時也破壞了與注漿體之間的粘結力,鋼絞線便可輕松拔出。在回收過程中對錨桿的破壞小,回收率再利用率高,有明顯的成本優勢,隨著重復次數的增多成本不斷下降,可以降低項目造價40 %以上。

(三) 化學式回收錨桿

化學式回收是在施工完成后通過在錨固端設置的熔斷或爆破裝置斷開錨桿與錨固件的連接后拔出,包括熱熔材料型、電磁感應型、化學藥劑、爆燃型。在國內,由于工藝較為復雜而且化學藥劑存儲條件嚴格,在實際工程中應用都較少。蘇州能工基礎工程有限責任公司是國內具有代表性的熱熔型錨桿廠商,錨桿被夾片夾緊,回收時對電磁線圈通電加熱,融化熱熔材料便可使夾片脫落取出錨桿。

(四) 其他形式錨桿

一是充氣式可回收錨桿。充氣式錨桿是近幾年新興的可回收錨桿,在錨桿的錨固端設置氣囊,通過對氣囊的充放氣完成錨桿的錨固及回收,可廣泛應用于軟土地基中,具有結構簡單、施工方便快捷、環保無噪音、可實現錨桿的完全回收等優點。但承載力較小、氣囊容易爆破、極限位移較大也是它突出的缺點。二是自鉆自鎖式可回收錨桿。該類錨桿施工時無需打孔,通過鉆機將帶有葉片的錨桿強行鉆入,鉆入過程中通過擠壓土層改善土層的力學特性并快速獲得錨固力,但由于錨桿長度普遍較短所以支護效果一般,且對地層要求較高、效率較低。

四、可回收錨桿技術存在問題及展望

近年來,可回收錨桿技術已成為未來工程建設的必然趨勢,雖然可回收錨桿技術解決了傳統錨桿存在的缺陷,但隨著工程應用其弊端也不斷顯現,當下存在的問題即未來的著力發展方向,對目前可回收錨桿技術存在的問題及未來的展望做以下闡述。一是,大部分錨桿不可完全回收。當下主流的回收錨桿只是對錨桿的回收,錨固件往往被留置在地下,沒有實現真正意義上的可回收。日后需進一步研發類完全可回收錨桿,或對主流錨桿的錨固件改進,在滿足結構強度、耐用性的前提下,采用無污染、可降解材料實現對傳統金屬錨固件的替代。二是,大部分錨桿回收工藝復雜。當前對錨桿的回收普遍需要借助千斤頂或絞盤并存在鋼絞線無法拉出或用力過大拉斷的情況,作業條件差通常在狹長的肥槽內,無論是對工具的挪動還是安裝都費時費力。因此,需要繼續研發高效便捷的可回收錨桿,提高回收再利用率。三是,實際應用率及市場認可度低。專利多而成果轉化率低成為普遍現象,大部分產品止步于專利申請和室內試驗,相關部門應出臺提高成果轉化率的政策,把專利轉變為產品提高實際應用率。而且可回收錨桿成本更高,在競標環節沒有優勢而且產品質量參差不齊導致市場對可回收錨桿認可度低。政府應加強監管,頒布有利于可回收錨桿發展的政策或獎勵措施及可回收錨桿的質量、應用標準,提高產品質量進而達到提高市場認可度的效果。四是,設計計算方法研究不夠完善。理論發展落后于實踐這一直是土木工程有關學科的劣勢,同樣可回收錨桿技術理論研究一直處于滯后的狀態,對錨桿的應力分布情況,錨桿直徑、地層類型等因素對錨固效果的影響沒有準確清晰的認識。應充分利用理論研究、數值模擬、模型試驗等方式,并借鑒動態設計理念形成一套針對可回收錨桿的的設計理念。并且需要加強對特殊情況下的設計研究,比如:高溫、凍土、沖擊荷載、臨近基坑等。