深基坑支护预应力锚索同步钻进、跟锚、注浆扩大头锚固施工工法

深基坑支护预应力锚索同步钻进、跟锚、注浆扩大头锚固施工工法1.前言中“支护桩+预应力锚索”作为支护形式之一，因其施工简单、经济等特点已被广泛采用。度→逐节退出拆卸钻杆→下放预应力锚索→第一次常压注浆→间歇养护→第二次高压注浆序逐步操作完成，而且注浆在一次注浆完成后需要间歇46小时，待浆体初凝后再进行第二次注浆，从而导致施工时间相对较长。自2016年94#-1地块基坑支施工成本，取得了显著的社会效益和经济效益。2.工法特点2.0.1施工速度快分之一以上，具有施工效率高、施工速度快等特点。2.0.2锚固效果强力（水泥浆旋喷压力值25～30MPa），将此段孔径扩大（直径达450mm），水泥浆与土结合2.172.0.3施工成本低-1-量，施工成本大大降低。3.适用范围3.0.1本工法仅适用于粉土、粉质粘性土等原状土层的锚索施工，成孔直径150～600mm（包括锚固“扩大头”段）。3.0.2对砂层、卵石层、风化岩层等地层无法满足施工，不建议采用本技术。4.工艺原理满足设计直径，直至旋喷钻头拔出钻孔。其施工过程主要包括预应力锚索钻进、同步跟锚、扩大头锚索注浆等关键技术。4.1预应力锚索钻进原理注入高压水对钻进土体进行高压旋喷切割，以实现钻进成孔。4.1.1锚固钻机4.1.1-1固钻机见图4.1.1-1。表4.1.1-1钻机型号及参数表型号电机功率(Kw)扭矩(N·m)动力提升速度(m/min)加压速度(m/min)钻孔深度(m)钻孔倾角(°)MDL-135D5568000～2.80～1.41000～90-2-图4.1.1-1液压履带式多功能深基坑锚固钻机（MDL-135D型）4.1.2钻具由1.钻杆、2.垫板顶推环、3.平面轴承、4.圆盘钢垫板、5.钻头等五部分组成，具体结构示意图见4.1.2-1。的功能和作用，具体连接实物图见4.1.2-2。图4.1.2-1钻具整体结构示意图图4.1.2-2钻具整体结构连接实物图1用于连接高压注浆（水）管，见图4.1.2-3。-3-图4.1.2-3高压注浆（水）管接驳口2垫板顶推环：起到顶推轴承和圆盘钢垫板的作用，两端分别与钻杆和钻头通过螺纹丝扣紧密牢固连接成固定部分，顶推环厚70mm、直径80mm、环壁厚20mm，见图4.1.2-4。图4.1.2-4喷嘴钻头、顶推环、钻杆组合钻具结构3平面轴承：起到防止和消除钻进过程中垫板顶推环与圆盘钢垫板接触面之间因摩擦接套入钻头，顶到垫板顶推环前端（图4.1.2-2）。4圆盘钢垫板：起到携带锚索与钻杆同步钻进的作用，圆盘钢垫板直接套入钻头，顶到平面轴承前端（图4.1.2-2）。5钻头：为自带喷嘴口的无翼钻头，亦通常的高压旋喷钻头，钻头长度约230mm、直径40mm，双向设置出浆（水）喷嘴，用于喷射水泥浆液或清水（图4.1.2-4）。4.1.3高压旋喷注浆泵采用高压旋喷注浆泵通过输送管连接至锚固钻机，注浆泵设备型号及参数见表4.1.3-1，高压旋喷泵可喷清水或喷水泥浆，具体见图4.1.3-1。表4.1.3-1高压旋喷注浆泵型号及参数表型号功率(KW)最大压力(MPa)流量(L/min)XPB-90D9050116-4-图4.1.3-1高压旋喷注浆泵（XPB-90D型）4.2钻进同步跟锚原理索的圆盘钢垫板依次顶推作用将锚索实现同步携带跟进。钻进前，对钻进用的组合钻具进行安装，其安装次序和钻进方向见图4.2-1。图4.2-1钻杆、顶推环、平面轴承、圆盘钢垫板之间依次沿箭头方向顶推4.2.1垫板顶推环钻杆与钢垫板固定的锚索同步钻进、下锚。4.2.2平面轴承-5-顶推环与圆盘钢垫板接触面进行隔离，会发生锚索缠绕钻杆的情况进而导致无法继续施工。平面轴承外环直径65mm、内环直径45mm、环壁厚10mm、厚15mm。平面轴承实物见图4.2.2-1。图4.2.2-1平面轴承平面、剖面图4.2.3圆盘钢垫板115mm同，一般为150mm。在钢垫板中心设置直径50mm预留孔，便于套入钻头。圆盘钢垫板实物4.2.3-1。图4.2.3-1圆盘钢垫板2孔径20mm，用于穿越锚索，为实现同步跟锚钻进并防止锚索滑脱，在其端部采用焊接方式能同步跟进并在退钻过程中两者不会被携带出。圆盘钢垫板与锚索连接见图4.2.3-2。-6-图4.2.3-2锚索与钢垫板连接4.3锚索注浆扩大头形成原理段高压注浆压力值为水泥浆，起到全部钻杆退出。5.施工工艺流程和操作要点5.1施工工艺流程本工法施工工艺流程如图5-1。-7-图5-1预应力锚索同步钻进、下锚、注浆扩大头锚固施工工艺流程图5.2工序操作原理本工法工序操作原理见图5.2-1。1锚索高压旋喷注清孔开孔钻进2锚索清水旋喷同步跟锚钻进-8-3清水跟锚钻进至设计孔深4形成扩大头5自由段换常压注水泥浆至钻杆完全退出6钻杆完全退出停止注浆施工结束图5.2-1工序操作原理图5.3工序操作要点5.3.1钻机就位1钻机就位前需将场地进行平整、压实，以确保行走和施工安全，开挖集水沟收集成孔过程中产生的泥浆水，以防其四处溢流。-9-2场地等条件满足要求后钻机就位，根据锚索孔位调整机身高度及倾角，反复测试无误后开始钻进施工。5.3.2预应力锚索制作1锚索截断时至少预留800mm长钢绞线，以备后期张拉2锚索穿过圆盘钢垫板焊接固定螺帽时采用电弧焊，为确保焊接质量及避免焊接时对502160～200A焊渣应及时敲掉处理。3制作好的预应力锚索整齐排列摆放，避免堆叠，以便于取用。预应力锚索制作及堆放见图5.3.2-1、5.3.2-2。图5.3.2-1预应力锚索现场加工制作图5.3.2-2预应力锚索现场堆放5.3.3高压旋喷清水同步跟锚开孔1开孔前需对同步跟锚的组合钻具进行安装，先将顶推环端部与钻头尾部通过螺纹丝体系。-10-2将平面轴承直接套入钻头，活动顶推在顶推环的前端。3将携带锚索的圆盘钢垫板直接套入钻头，活动顶推在之前套入的平面轴承前端，此时，平面轴承与携带锚索的圆盘钢垫板形成独立体系，该体系最后将留在孔内。具体安装顺序见图5.3.3-1、5.3.3-2、5.3.3-3。图5.3.3-1钻杆、顶推环、钻头固定组合连接图5.3.3-2钻杆、顶推环、钻头固定组合前端套入平面轴承图5.3.3-3钻杆、顶推环、钻头、平面轴承前端套入携锚索的圆盘钢垫板5.3.4高压旋喷清水钻进至设计孔深1钻进时采用清水辅助旋喷钻进，清水通过高压变频注浆泵加压后经高压输送胶管输水压控制在15MPa，转速控制在20r/min，钻进速度控制在0.3m/min，水流量控制在30～60L/min，钻进至设计孔深后停钻。-11-2钻进过程中保持好钻进角度并控制好钻进速度，同时观察锚索跟进情况，如遇锚索部退出，更换平面轴承后重新钻进。清水钻进见图5.3.4-1、5.3.4-2。图5.3.4-1清水开孔图5.3.4-2携钢绞线清水同步钻进5.3.5锚固段退钻高压旋喷同步注水泥浆1钻孔清水钻至设计孔深后停止钻进，反转钻杆逐节退出并拆卸钻杆。2反转退钻的同时，关闭清水改换水泥浆，水泥浆通过高压变频注浆泵加压后经同一条高压输送胶管输送至履带旋喷钻机，在锚固段实现边退出拆卸钻杆边进行高压旋喷注浆。5.3.5-1。-12-图5.3.5-1锚固段高压旋喷注水泥浆3水泥浆配制1）水泥浆在后台配制，采用P.O42.5R早强型普通硅酸盐水泥，见图5.3.5-2。2）制备水泥浆时，严格控制水灰比，水灰比为1:0.7，水泥浆采用高速搅浆机制浆，搅拌时间不小于30S，见图5.3.5-3。3）水泥浆拌好在放置到储浆桶前过筛，防止杂物进入浆管堵塞喷嘴；为使水泥浆不发生离析，储浆桶内设慢速搅动装置，且水泥浆液存置不得超过4h，否则作为废浆处理。图5.3.5-2水泥浆制作后台图5.3.5-3水泥搅拌制浆-13-4旋喷水泥浆喷浆压力控制在超高压25～30MPa，以达到旋喷时更强的切割、注浆效控制在15r/min，退钻速度控制在0.25m/min，水泥浆流量控制在50～70L/min，以依靠高5.3.5-4、图5.3.5-5。图5.3.5-3完成注浆的预应力锚图5.3.5-4扩大头锚固段示意图图5.3.5-5扩大头锚固段实际开挖现场5.3.6自由段常压注水泥浆1退钻至锚固段与自由段界面位置时，改换常压1.0～1.2MPa进行补浆，退钻速度控0.5m/min，直至钻杆完全退出，严禁喷水以免稀释浆液。-14-2注浆过程中泛出的浆液应及时处理，避免凝固后再处理而发生额外费用，待钻杆完全退出后停止注浆，至此完成该条锚索施工。5.3.7张拉锁定待锚固段浆体强度达到设计强度的75%后进行预应力张拉锁定工作，张拉到设计值的110～115%后锁定荷载。具体张拉、锁定见图5.3.7-1。图5.3.7-1预应力锚索张拉锁定6.材料与设备6.1材料本工法所使用材料主要为：预应力钢绞线、圆盘钢垫板、平面轴承、PVC管、水泥等。检查报告，现场质检员按要求进行外观检查。原材按要求进行见证取样送检，送检合格后方可使用。本工法所需主要材料见表6.1-1。表6.1-1主要材料表序号名称规格备注1预应力钢绞线1860MPa，φs15.22圆盘钢垫板直径150mm，厚15mm3平面轴承外径65mm，内径45mm,厚15mm4PVC管φ20用于自由段钢绞线包裹5水泥P.O42.5R早强型水泥6.2设备本工法现场施工所用具体施工机械、设备配置见表6.2-1。-15-表6.2-1施工机械、设备配置表序号机械设备名称型号规格额定功率(kw)用途一、主要机械设备、大型工具、生产工艺设备1液压履带式多功能深基坑锚固钻机MDL-135D55锚索成孔2高压旋喷注浆泵XPB-90D90锚索喷浆(水)3搅浆机JW9003拌制水泥浆二、辅助设备3电焊机WS300/钢绞线与圆盘垫板焊接固定4砂轮切割机HQP-1502.2钢绞线下料截断三、测量仪器5全站仪NTS-312L/钻孔孔位定位6卷尺5m/钻孔孔位定位7.质量控制7.1质量控制依据7.1.1合同文件；7.1.2设计图纸及技术要求；7.1.3《建筑工程施工质量验收统一标准》(GB50300-2013)；7.1.4《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB50086-2015)；7.1.5《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)。7.1.6《岩土锚杆(索)技术规程》(CECS22-2005)。7.2关键部位、关键工序的质量检验标准关键部位、关键工序的质量检验标准见表7.2-1。表7.2-1关键部位、关键工序的质量检验标准项目序号检查项目允许偏差或允许值检查方法1锚索杆体长度（mm）+100-30尺量

主控项目2锚索拉力设计值设计要求现场抗拔试验一般1锚索位置（mm）±50尺量-16-2钻孔倾斜度（°）±3测斜仪3自由段的套管长度（mm）±50尺量4浆体强度设计要求试样送检5注浆量大于理论注浆量检查计量数据7.3质量控制措施7.3.1锚索制作1所有材料选用正规厂家品牌，要求厂家重信誉、守信用，并具有出厂合格证。2对进场钢绞线进行外观检查并见证送检，检验合格后方可使用。3钢绞线按设计长度下料时，预留足够的张拉长度；钢绞线原材截断时，用切割机进行截断，不得使用电焊机烧断。4钢绞线穿过圆盘钢垫板，其端头与螺帽焊接固定时满焊焊接，防止焊接不牢导致脱落；合理控制焊接电流大小，防止焊伤钢绞线和螺帽。5在锚索自由段套装PVC管隔离前对自由段钢绞线进行防腐处理，刷防锈漆或涂抹黄自由段。6妥善存放未使用的锚索成品，并做好保护、遮盖、防锈等措施，防止损坏、玷污和锈蚀。7.3.2锚索跟锚钻进1由专业测量人员负责锚索的定位、放线等工作。2开孔前用相关测量工具对孔位、倾角等进行检查校核，发现偏差及时进行调整。3跟锚钻进时，严格控制钻进速度和喷水压力，以保证成孔质量。7.3.3锚索退钻注浆1水泥浆制备严格控制水灰比，根据施工需求合理制备水泥浆液量，随制随用。2退钻旋喷注浆时，严格控制退钻速度和旋喷压力，以保证注浆质量。3注浆结束钻杆全部退出前，孔口返出的泥浆水全部变为水泥浆液后，方可停止注水泥浆并将钻杆全部退出。4锚索施工结束后，及时对孔口进行封堵，防止水泥浆液从孔口流失。7.3.4试验锚索检测-17-符合设计和规范要求后再进行正式施工作业。8.安全措施8.1安全总则8.1.1施工安全符合国家现行标准《建筑施工安全检查标准》（JGJ59-2011）的有关规定。8.1.2符合《建筑深基坑工程施工安全技术规范》（JGJ311-2013）的有关规定。8.1.3施工临时用电符合《施工现场临时用电安全技术规范》（JGJ46-2005）的有关规定。8.1.4施工机械的使用符合《建筑机械使用安全技术规程》（JGJ33-2012）的有关规8.1.5作业人员经过岗前安全教育培训和安全技术交底，熟悉工作内容及工作环境，掌握工种安全操作规程和注意事项，经考核合格后方进场作业。8.2安全操作要点8.2.1临时用电1现场临时用电采用“三级配电、两级保护”的TN-S三相五线接零保护系统。2严禁使用老化、破损或有接头漏电的电线。3现场临时用电由专业电工操作，电工持证上岗，每天对电箱和用电机具设备进行巡查，如实记录巡查情况，巡查无异常后方可施工。4所有电箱上锁，避免非电工人员私拉乱接电线。8.2.2施工过程1进场作业人员必须正确佩戴安全帽、着工服和反光衣、穿劳保鞋等个人安全防护用品，严禁赤膊赤脚和酒后作业。2特殊工种及机械操作人员持证上岗。3锚索制作过程中的焊接作业，选用安全性更好的直流焊机，焊工作业时佩戴护目镜和防护手套，执行动火审批制度，焊接作业区配备灭火器等消防器材。4钢绞线截断切割作业前，检查砂轮切割机砂轮片的安装牢固情况，防护罩的完好情况；切割作业时，操作人员与砂轮切割机保持一定安全距离。5机具设备每天在开机运行前对其进行安全检查，确认各部件、安全防护装置等各方面均完好无异常后投入使用。-18-6锚固钻机移机行走前，对行走路线场地进行平整压实；移机时驾驶操作人员必须注意观察钻机周围是否有人或其他障碍，缓慢起步。7钻进、跟锚、注浆作业时将锚固钻机四个支腿完全伸展打开，支腿下垫放枕木，确保钻机稳固。8进场钢绞线等原材料进场吊装卸货时安排专人指挥，并做好安全警戒。9现场施工作业区张贴悬挂安全警示标志。10暴雨、大风等恶劣天气停止施工作业。9.环保措施9.1环保总则9.1.1施工过程符合国家、省、市现行环境保护标准和管理规定。避免污染空气、水体、土壤等自然环境，避免光污染、噪声污染等影响居民生活的污染行为。9.1.2加强宣传教育，提高施工人员环保意识，加强环保管理力度，落实环保措施。9.1.3场内布置“三齐”、“四清”、“四不见”，即：工具堆放一头齐，各类周转当日作业当日清，机械台面刷洗清；不见零散材料、构件、工具，不见杂物、烟头、纸屑，不见剩灰浆、废料，不见电线随地走。9.2环保控制要点9.2.1噪声控制112时至下午2时，晚上11时至第二天早上7时）进行产生噪音的施工作业。2选用低噪声或备有消声降噪装置的机具设备。3对于无法避免的施工噪声，采取隔音、吸声等有效降噪措施，将噪声控制在《建筑施工场界噪声限值》（GB12523-2011）所规定的限值范围内。9.2.2水土污染防治1钻孔作业区设置截排水沟、沉淀池，对成孔过程中产生的废水浆体等集中汇聚，经2对现场柴油集中保管，油库做好防渗、污、冒、漏处理。3对现场所使用的各种易对大地产生污染的液体采取隔离措施，在使用、储藏时防止污染水源、渗入大地对环境产生污染。-19-9.2.3空气污染防治1严格按照扬尘防治6个“100%”要求做好相关工作，钻孔作业区及水泥浆制作后台等易起尘区域设置雾炮设备，采用湿法作业；对现场裸露土体进行防尘覆盖。2注浆用水泥在室外存放时进行严密遮盖，防止扬尘。3现场设置车辆冲洗台，所有车辆必须冲洗干净后方可离场上路行驶，装运材料、机械设备的运输车辆，采取遮盖措施，保证行驶途中不污染道路和环境。9.2.4固体废弃物处理1场内设置垃圾桶用于废弃物弃置并及时清理，做到场容整洁。2固体废弃物不得在现场焚烧或填埋。9.2.5节能减排1建立机械设备管理制度，开展用电、用油计量，完善设备档案，及时做好维修保养工作，使机械设备保持低耗、高效的状态。2选择功率与负载相匹配的施工机械设备，避免大功率施工机械设备低负载长时间运10.效益分析10.1社会效益一致好评，取得了显著的社会效益。10.2经济效益计参数见表10.2-1，竖向分布情况见典型剖面图10.2-1，以表、图为例，对两种施工方式进行对比分析。表10.2-1锚索设计参数表锚索类别锚索规格排数(由上至下)总长度(m)自由段长度（m）锚固段长度（m）设计锚固力(KN)设计抗拔力(KN)普通锚索5φs15.2第一排301614500510旋喷锚索7φs15.2第二排27151212801305-20-锚索类别锚索规格排数(由上至下)总长度(m)自由段长度（m）锚固段长度（m）设计锚固力(KN)设计抗拔力(KN)7φs15.2第三排251312128013057φs15.2第四排231112128013057φs15.2第五排20812128013057φs15.2第六排1861212801305图10.2-1锚索设计剖面图10.2.1费用估算1．采用“旋喷锚索”费用估算7束φs15.215m，锚固段束旋喷锚索综合单价为：304.4727m旋喷锚索单根费用为：304.47元/m×27m＝8220.692．采用“普通锚索”费用估算5束φs15.216m，锚固段束普通锚索综合单价为：214.9230m普-21-通锚索单根费用为：214.92元/m×30m＝6447.6010.2.2工期估算1．采用“旋喷锚索”工期估算根据此工法前述工序操作要点：清水开孔钻进速度控制在0.3m/min，锚固段高压注浆退钻速度控制在0.25m/min、自由段常压注浆退钻速度控制在0.5m/min等技术指标要求，27m旋喷锚索所需总时间约为：27m÷(0.3m/min)＋12m÷(0.25m/min)＋15m÷(0.5m/min)＋12min＝180min2．采用“普通锚索”工期估算普通锚索施工钻进速度为0.3m/min，退钻速度为2m/min(直接退钻卸钻杆)，锚索下放约虑接、卸钻杆等工序搭接时间，施工30m普通锚索所需总时间约为：30m÷(0.3m/min)＋30m÷(2m/min)＋13min＋7min＋30min＋240min＋20min＝425min10.2.3效益比较1．费用比较束旋喷锚索每米综合单价为304.47元束普通锚索每米综合单价为214.92元，仅从综合单价对比，旋喷锚索费用要稍高于普通锚索，但普通锚索无论142根，总费用为8220.69元/根×142根＝1167337.98元，如将第二排旋喷锚索设计成普2.56根×2.56≈364根，总费用为6447.60元/根×364根＝2346926.40元，与旋喷锚索相比总费用增加2346926.40元－1167337.98元＝1179588.42费用要远低于普通锚索。2.工期比较通过上述对两种施工方式的工期估算结果，单根锚索施工所需时间，采用“旋喷锚索”施工技术可节约425min－180min＝245min。考虑到普通锚索施工在注浆和间歇养护期间，的1.5倍，对缩短整体工期的作用非常显著。-22-11.应用实例11.1西安国际文化中心土方开挖及基坑支护工程11.1.1工程简介长度为283.9m，东西向长度为101.6m，基坑底周长727.0m，开挖深度22.8～27.3m。该项目共分为四个区域（见图11.1.1-1所示），分阶段施工，合同整体总工期610区采用内支撑支护形式。三区

一区四区二区图11.1.1-1项目总平面及分区图11.1.2预应力旋喷锚索设计