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摘要：深基坑支护工程是基础施工所必须的临时结构，安全储备小，具有较大的风险性。本文结合工程实例，介绍了水下锚杆施工技术在深基坑支护工程中的应用，指出了水下锚杆施工必须要解决的问题，并对水下锚杆施工工艺设计及施工技术要点进行了分析，实施结果表明，该施工技术施工效果良好，可供类似工程施工参考借鉴。
关键词：深基坑；支护工程；锚杆；施工技术
随着我国城市化进程的不断推进及国民经济的快速发展，超高层建筑工程项目的建设日益增加，深基坑工程的数量急剧上升。在深基坑工程中，支护工程的施工是重要的内容之一，具有较大的风险性。如何采取先进的施工技术进行深基坑支护工程施工，保证深基坑工程的经济性、安全性及适用性是当前的一个重要课题。对此，笔者结合工程实例，介绍了水下锚杆施工技术在深基坑支护工程中的应用。
1 工程概况
某高层建筑，建筑面积约31.6万m2，地上2栋独立的超高层建筑，均为45层，建筑面积共22万m2，高238m。地下为整体地下层，地下6层、局部7层，建筑面积约9.62万m2，基坑深度为32～42m（塔楼核心筒部位基坑深42m）。本工程基坑南北向长168m，东西向宽98m，其中基坑东侧北段紧邻行政大厦，基坑外轮廓线与东侧既有行政大厦地下室外墙间净距为2.956m。
2 承压水下锚杆相关技术参数与水文地质条件
基坑支护原设计为800mm厚地下连续墙+7排常规预应力锚杆，考虑到基坑东侧北段紧邻的既有建筑行政大厦的不均匀沉降影响，故设计在北侧的半幅基坑内、7排预应力锚杆以下再增设1排钢筋混凝土格构式水平内支撑。施工过程中对支护体系进行优化，将最下面一步水平内支撑体系优化为普通预应力拉力型锚杆。
增加的第8排锚杆分为2种工况，一种是基坑侧有既有建筑，另一种是基坑边无既有建筑。由于第8排锚杆整体均处在承压水头标高以下，故称为“水下锚杆（underwater anchor）”，技术参数如表1所示。地下水状况及水下锚杆区域地质条件分别如表2，3所示。
注：±0.000对应的绝对标高为38.350m
采用同济启明星Qimstar○R基坑支护结构软件FRWS7.2进行验算，在基坑开挖最不利工况下，优化后的基坑支护设计能满足相关规范及安全要求。
3 水下锚杆必须解决的问题
软件验算仅说明上述设计在理论上可行，由于该做法属首次在实际工程中应用，无先例可循，故在实际施工前还必须考虑如何解决下列问题。
1）水下锚杆从孔口、自由段到锚固段均处于承压水层中，特别是当土层为卵砾石夹中细砂时，顺利成孔且保证孔深、孔径是首要任务。
2）锚杆杆体安装入孔后，如何实现孔口的有效封堵，在不影响钢绞线自由段自由滑动能反复多次顺利张拉的前提下，实现孔口密封无渗漏水现象，避免支护体系背后土体流失过多而导致锚杆应力损失或支护侧壁变形过大。
3）虽然锚杆锚固段土层性质为卵砾石（夹中细砂），其极限黏结强度标准值较高，但考虑到锚杆全长均在承压水层以下，在饱和水状态下砂卵石地层中如何实现理想注浆体才是最终达到足够轴力（经计算，行政大厦侧基坑支护验算需锚杆提供1080kN的荷载）的关键。
4）在锚杆张拉时，孔口封堵必然出现裂缝，裂缝如何封堵确保无渗漏。另外，随着时间推移，锚杆应力必然会有损失；当损失过大、需进行补张拉时，如何确保孔口二次裂缝的封堵不渗漏。
4 工艺试验的设计与验证
4.1 工艺流程
施工工艺流程如下：测量、定位→开孔→跟管钻机成孔→提升内管→安装钢绞线→一次注浆→提升外管与二次注浆→孔口补浆→插入封口注浆管及孔口一次封堵→劈裂封口注浆→三次劈裂注浆→养护→张拉→孔口二次封堵。
4.2 工艺试验设计
基坑东侧既有建筑行政大厦的安全为本工程考虑的重点，故工艺试验以在原位进行工况1的验证为目的。工艺试验注浆参数：水灰比0.5～0.55，第1，2次注浆总量1000kg，劈裂注浆时间为二次注浆完成24h后，劈裂注浆压力2～5MPa，劈裂注浆总量2000kg，掺5%双快水泥。承压水下锚杆工艺试验设计如图1所示。
图1 工艺试验设计
4.3 施工过程
1）测量、定位锚杆施工前，准确测量坑内及坑外的水位情况，确保坑内水位在锚杆施工工作面以下。
2）开孔。在地下连续墙施工时预留孔洞（或后期开孔），孔径150mm。
3）跟管钻机成孔。采用双套管跟管钻机成孔，钻头直径135mm，外管直径150mm，内管直径75mm，通过内管合金钻头的旋转和冲击使卵石层松散，高压水通过内管进入，将卵石从外管和内管之间带出，然后外管跟进，达到成孔目的。锚杆总长度22m，钻孔时由11段2m长套管连续跟进，套管间由管端螺纹连接。
4）提升内管。成孔达到设计深度后，外管维持不动，分段拔出内管。拔出过程中，如遇土体回灌进锚杆孔内，需重新打入内管，按成孔工序重新成孔直至满足要求为止。
5）安装钢绞线。第1步先制作锚杆体，钢绞线自由段套聚乙烯防护套，锚索全长顺直。锚索间设置定位器，保证每根钢绞线的相对位置关系。定位器间距在锚固段为1.5m、自由段为2m，均匀布置，以保证多根钢绞线不发生缠绕。钢绞线笼与一次注浆管（兼二次注浆管）、三次劈裂注浆管同时安装至孔底。安装时由多名工人（本工程22m长需8人）同时抬起锚杆体将其送入孔内，最后一段可用锚杆钻机将锚杆体顶进，确保注浆管端部至孔底距离≤200mm。
6）一次注浆。通过一次注浆管进行灌浆，用水泥浆液由内往外置换出孔内的泥水。当水泥浆液从孔口溢出时才能停止注浆。由于地下水位的波动导致注浆液面下降时及时补浆，保证孔内满浆状态。
7）提升外管与二次注浆。一次注浆结束后2～3h，即水泥浆流动性变小后，开始分段拔出外管。随着每拔出一段外管，顺着一次注浆管进行压力注浆，注浆压力为0.5～0.8MPa，每拔出一段外管即进行一次注浆，注浆管拔出长度与钻机外套管拔出量相匹配。每段注浆以能够稳压1min为终止条件，依次循环，直至所有锚固段外管全部拔完为止（即二次注浆仅限锚杆锚固段）。
8）孔口补浆。自由段外管连续拔出，由于外管全部拔出，孔口浆液必定会沉陷，直接从孔口进行补浆。
9）插入封口注浆管及孔口一次封堵。在孔口插入2根短塑料管，伸入支护体背后长1～2m，其中一根为封口注浆管（封口堵漏注浆管伸入段端头封死，在伸入支护体背后的末端0.8m内设置注浆孔，孔间距取200mm，每个注浆截面注浆孔取2个，孔径3mm，沿注浆管螺旋布置，孔位安放图钉并采用工程胶布封闭，随深度加大孔径变大、间距变小，保证注浆孔从底部向孔口方向依次劈开），另一根为排气管。在孔口封堵时，孔内承压水压力较大时，排气管暂作为孔内泄水的引流通道。然后对孔口进行封堵，先用干海带填塞其中2/3孔深，干海带遇水膨胀会逐渐包裹填充满空隙，引流通道外的水流量明显减小。最后用速凝快硬型堵漏材料（水不漏）按1：0.2的质量比调水反复揉捏成团后迅速塞紧剩余的1/3孔口，并用橡皮锤敲击挤压砸实。确认不再漏水后，在孔洞周围外延100mm的范围再刮1层稀浆作为防水，并及时喷雾养护。工艺试验节点设计如图2所示。
图2 工艺试验节点设计
10）劈裂封口注浆在一次封堵完成5～8h后进行，先用高压水劈开封口注浆管端头的图钉孔，然后以0.5～0.8MPa的压力注入双快水泥拌制的净浆。当排气孔流出净浆时，逐步降低注浆压力，并堵住排气孔，待排气孔内双快水泥净浆凝固为止。
11）三次劈裂注浆。二次注浆完成24h后进行三次劈裂注浆，三次劈裂注浆管在锚杆锚固段末端的1/3（本工程为6m）设置注浆孔，孔间距取500mm，每个注浆截面注浆孔取2个，孔径3mm，沿注浆管螺旋布置，孔位安放图钉并采用工程胶布封闭，随深度加大孔径变大、间距变小，保证注浆孔从底部向孔口方向依次劈开。三次劈裂注浆采用水：水泥：压浆剂=150：500：50的素浆，双快水泥掺量为水泥量的5%，以2～5MPa压力能稳压3min为终止条件（本工程三次劈裂注浆量约2000kg）。
12）养护。锚杆养护7d，等待强度达到要求。
13）张拉。采用密封式承压板，使承压面与预埋钢板（如支护体无预埋，则需打磨表面）紧密贴合。张拉前先进行预张拉，并分级加荷，锚杆张拉试验合格后进行锚杆张拉锁定。张拉端保留至少300mm，作为应力损失后补张拉的条件。
14）二次封堵。锚杆张拉后，原孔口封堵通常会产生裂隙，出现细微渗水的情况，可通过密封盒式承压板挤压防水卷材进行封闭，严重时辅以速凝快硬型堵漏材料灌缝处理。
4.4 工艺试验成果验证
按工艺试验参数在现场原位施工1组（3根）锚杆，7d后进行基本试验。试验时，锚杆杆体极限承载力取值1860×140×6÷1000=1562.4kN，试验荷载取值1562.4kN×0.85=1328.04kN。3根锚杆按试验规程分级加载至1328.04kN后均未破坏，基本试验结果如图3所示。
图3 基本试验结果
由图3可知，该组3根锚杆的极限抗拔承载力达到1328kN，锚杆拉拔力满足工程需要（锚杆轴力设计值1080kN），工艺试验表明，该特殊条件下承压水下锚杆施工安全可行，完全可以应用在实际工程中。
5 施工技术要点
1）通过观察坑外水位与实际施工时锚杆孔口位置的高差，提前预判开孔后水压力的大小，制定相应应急措施。由于锚杆全长均位于承压水位以下，在外套管与孔壁间及时填充滤网材料，可涌水但不可大量涌砂。
2）锚杆孔穿越的地层主要为卵砾石和中细砂层，在满水状态下施工扰动相互影响极易发生坍塌或窜浆，导致浆液流失形不成有效注浆体，施工时采用跳孔施工，尽量减少相互间的扰动。
3）一次注浆管（兼作二次注浆）与三次劈裂注浆管均从定位器中心穿过，一次注浆管与定位器临时固定，以能随杆体入孔为宜。但三次劈裂注浆管必须与杆体绑扎牢固，确保深入孔内的深度及位置。
4）由于锚杆孔一直为满水状态，故必须采用导管法灌浆，即顺伸入孔底的一次注浆管进行灌浆，保证浆体密实和深度。
5）由于锚杆锚固段位于承压水下，拔出外管时土体必须向内挤压一次注浆体，故二次注浆必须加压，确保注浆体不被水土挤压失效。
6）在孔口一次封堵时，注浆管和排气管都作为孔内泄水的引流通道。在孔口封堵完成后，引流管外不能有渗漏，引流管内只能流清水，不能有泥砂。劈裂封口注浆后，注浆管及引流管内均不应再有水流出。
7）1080kN量级的锚杆抗拔承载力，在南方区都不多见，而且还位于承压水头以下，最终目标的实现关键在于三次劈裂注浆的效果；施工过程中，劈裂注浆的开塞压力和后续注浆压力一定要有保证，并根据地层实际状况适当调整双快水泥掺量、终止压力和稳压时间。
6 实施效果及验收
现场所有水下锚杆施工完成15d后，分2种工况、按规范数量分别进行验收试验，试验结果如下。
1）工况1（有既有建筑）试验荷载1.4×785kN=1099kN，自由段理论伸长量的80%为26.17mm，试验结果如图4所示。
由上述结果可知，针对2种工况下各进行验收的1组锚杆，其锚杆位移稳定，且在抗拔承载力检测值下测得的弹性位移量大于杆体自由段长度理论弹性伸长量的80%，试验结果均符合基坑安全要求，圆满达到预期目的。
7 结语
综上所述，水下锚杆施工技术在该深基坑支护工程中的应用取得了良好的施工效果，工程的各项监控指标均符合工程的设计要求和规范要求，基坑周围的建筑物未受到影响，达到了预期的目标。该施工技术实用、可靠，可在类似工程中推广应用。
参考文献：
[1]林启猛.水泥搅拌钢管桩与土钉锚杆墙组合支护技术在深基坑施工中的应用[J].江西建材.2015（10）
[2]张卫，陈善民.新型支护技术在深基坑工程中的应用[J].施工技术.2015（01）
论文作者:王华林
论文发表刊物:《基层建设》2016年6期
论文发表时间:2016/7/6
标签：注浆论文; 锚杆论文; 基坑论文; 工程论文; 水下论文; 孔口论文; 锚固论文; 《基层建设》2016年6期论文;