海南东环铁路美兰机场隧道总长4600m，采用明挖顺作法施工。为加快施工进度，研究采用预应力锚索与钢支撑联合运用的混合支撑体系。围护结构采用钻孔灌注桩+桩间旋喷止水帷幕的型式，支撑系统采用2排锚索+1排钢支撑的型式。锚索结构采用单孔复合锚体系，即拉力分散型锚索，并采用2次高压劈裂注浆。

 

 

　　(1)锚索设计采用1桩1锚，并根据提供拉力值的不同采用2～3个锚固段。

 

　　(2)同一排相邻锚索倾角分别为10°和15°向下交错布置，以避免群锚效应。

 

　　(3)用土锚代替钢横撑作为侧壁支撑，不但可以大量节省钢材，而且能改善施工条件，提供开阔的施工空间，提高挖土和结构施工的效率和质量。

 

　　(4)锚杆施工机械及设备所需的作业空间小，可为各种地形及场地所选用。

 

　　(5)拉力分散型锚杆黏结力分布均匀，蠕变变形量小，应力峰值可降低2／3以上，地层强度利用率高。

 

　　(6)拉力分散型锚杆抗拔力与锚固长度成比例增长；同等锚固长度。抗拔力可提高30％。

 

　　(7)工程造价节约25％以上。

 

 

　　(1)土层锚杆拉锚式支护结构适用于地质条件较好、有锚固力的地层，且具备设置锚索的地下空间条件。

 

　　(2)需要为土方开挖和主体结构施工提供宽阔的空间和良好的条件、以缩短施工工期情况。

 

　　(3)合理利用土体强度传递与承受支护桩结构的拉力，尽可能减少内支撑用量。

 

　　(4)单束锚固力要求较大，锚固段周边岩土层稳定、完整。

 

 

　　土层锚杆是指由锚头、锚筋和锚固体组成，其外端通过后台(腰梁及围檩或挡土桩身等)和锚头与挡土结构连接，另一端锚固在稳定土体中，形成以围护基坑边坡稳定的受拉构件。土层锚杆的传力过程如下：

 

　　(1)挡土结构将作用其上的、由土压力等侧压力所形成的推力传递给后台(腰梁及围檩或挡土桩身等)。

 

　　(2)经台座将此推力传递给锚头。

 

　　(3)再经锚头的锚具将此推力传递给锚杆自由段中的锚筋，使锚筋受拉。

 

　　(4)锚筋拉力借助于锚筋与锚固体(水泥结石体)之间的握裹力传递给锚固体。

 

　　(5)最后经锚固体的摩阻力将锚杆拉力传递给锚固土层。

 

　　拉力集中型锚杆和拉力分散型锚杆黏结力沿锚固段长度的分布见图1。

 

 

　　4.1施工工艺流程

 

　　土层锚杆施工的工艺流程见图2。

 

　　4.2操作要点

 

　　4.2.1桩体开孔

 

　　锚索孔穿过钻孔灌注桩时与钢筋笼钢筋有冲突，要对钢筋笼主筋位置进行调整和加强，开孔位置与调整过的钢筋笼对应。

 

　　4.2.2土层钻孔

 

　　采用湿作业法即压水钻进、全程套管跟进成孔工艺，钻出的土石用水冲刷出孔，工艺要领如下：

 

　　(1)钻孔前，根据设计要求和土层条件，定出孔位，做出标记。

 

　　(2)作业面场地要平坦、坚实、有排水沟，场地宽度>4m。

 

　　(3)钻机就位后，应保持平稳，导杆或立轴与钴杆倾角一致，并在同一轴线上，钻进方向与护壁桩面垂直，遇有个别灌注桩高低参差不齐时，注意调整锚孔位置，防止相互交错。

 

　　(4)锚杆钻机钻头对准锚位点时，上下、左右角度要反复调整，三0者兼顾，使其符合质量标准要求。

 

　　(5)为防止涌水涌砂现象，孔口采用止水装置。水压力控制在0.15MPa～0.30MPa，注水应保持连续；钻进速度300mm／min～400mm／min为宜。

 

　　(6)每次接钻杆时要上润滑油，先人工认扣，然后用机械上紧；不直接用机械认扣，以免将扣咬坏。

 

　　(7)每节钻杆钻进后在进行接钻前，反复提插内钻杆，并用水冲洗，彻底清孔，至出水清彻后，接下一节钻杆。

 

　　(8)遇有粗砂、砂卵石，在钻杆钻至最后一节时，将内钻杆往下多插一些，以防粗砂、卵石将套管堵塞。

 

　　(9)在钻进过程中，合理掌握钻进参数，合理掌握钻进速度，防止埋钻、卡钻等各种孔内事故。一旦发生孔内事故，应争取一切时间尽快处理，并备齐必要的事故打捞工具。

 

　　(10)钻至规定深度后，彻底清孔，用清水把孔底沉渣冲洗干净。直至孔口清水返出。

 

　　(11)钻机、钻具用完后，及时清洗保养。

 

　　钻孔涌水、涌砂的处理措施：①孔口接长套管；②钻孔时采用泥浆护壁，利用泥浆压力平衡地下水压力；③采用套管超前和钻头跟进的办法；④对于压力特别大的孔口，采用插入小管(小管出水口标高高于锚索孔出水口30cm)，周边堵塞的办法，让孔口只流少量的水不涌砂，适当降低水位。

 

　　4.2.3锚杆杆体的组装与蛋放

 

　　(1)制作锚杆的钢绞线使用前，先进行拉伸破坏试验，检验是否满足设计强度要求。

 

　　(2)钢绞线钢丝要求平直、顺直、除油除锈。插锚索前须对锚固段进行除油脂处理，而自由段必须包裹塑料套管以与浆体隔离，达到“自由”的目的。

 

　　(3)锚索的制作应按设计尺寸下料，断好的钢绞线长度要基本一致，每根钢绞线的下料长度误差不大于50mm。

 

　　(4)按设计要求制作锚杆，钢绞线平直排列，为使锚杆处于钻孔中心，钢绞线沿杆体轴线方向每隔1.0m-1.5m设置一个隔离架(定位器)，注浆管和排气管与杆体绑扎牢固。

 

　　(5)锚索体先制成单元锚索，再由2个或2个以上单元锚索组成复合型锚索。绑好的钢绞线束端部用粗铅丝绑牢，避免参差不齐或散架。

 

　　(6)杆体自由段套装塑料管，锚索自由段长度不同，施工中要区分开，各单元锚索的外漏端用不同颜色的油漆做好标记，在锚索张拉前标记不得损坏，以免弄混；锚索自由端套管注意加以保护，破损后水泥浆进入套管影响自由段长度影响拉力分配，与锚固段连接处用铅丝绑扎，避免自由段管内进浆。

 

　　(7)安放锚杆杆体时，防止杆体扭曲、压弯，注浆管随锚索一同放人钻孔。杆体放入角度与钻孔倾角保持一致，安好后使杆体始终处于钻孔中心。

 

　　(8)锚杆插入孔内的深度不应小于锚索长度的98％，钢绞线的外留量视使用的千斤顶而定，一般从护壁桩表面算起的外留量为1.0m左右。

 

　　(9)若发现孔壁坍塌，应重新透孔、清孔，直至能顺利送人锚杆为止。

 

　　4.2.4注浆与拔管

 

　　注浆采用二次灌浆技术，一次注浆采用常压注浆工艺，二次注浆采用高压劈裂注浆工艺，一次注浆的同时拔出钻机套管。注浆设备有足够的浆液生产能力和所需的额定压力，采用的注浆管能在1h内完成单根锚索的连续注浆。

 

　　4.2.5张拉与锁定

 

　　(1)张拉程序应先分次张拉各单元锚索，以消除在相同荷载作用下因自由段长度不等而引起的弹性伸长差。

 

　　(2)因各单元锚杆自由段长度不等，为保证锚杆在工作荷载状态下受力均等，应按△lNt·l/E·A(Nt为锚杆的极限荷载)对自由段较长的单元锚杆预先进行变形补偿。

 

　　(3)正式张拉前应取0.1～0.2拉力设计值Nt对锚索预张拉1～2次，使锚索完全平直，各部位接触紧密。张拉时先张拉单元锚索，消除在相同荷载作用下因自由段长度不等引起的弹性伸长差，再同时张拉各单元锚索并锁定。

 

　　(4)锚索张拉荷载的分级和位移观测时间见表1。

 

　　(5)拉力分散型锚杆张拉分为3个阶段：初张拉、第一次张拉和第二次张拉(锁定)。

 

　　4.3应急措施及应急物资

 

　　4.3.1应怠措施

 

　　(1)锚索施工过程中出现涌砂的处理措施：①接长套管，钻孔时采用泥浆护壁，利用泥浆压力平衡地下水压力，可有效成孔。②注浆时加大注浆压力，确保水泥浆冲破泥浆层，保证锚索提供设计所要求抗拔力。③从地面和钻孔桩间注浆，在出现涌砂地段注水玻璃水泥双液浆，保证锚索成孔。

 

　　(2)灌注桩间止水帷幕出现漏水、涌砂的措施：①开挖时，先开挖靠近桩两侧的土方，若发现有潺水、漏砂现象，马上回填反压，并注水泥、水玻璃双液浆进行预堵处理。②发现止水帷幕出现漏水涌砂时立即停止坑内作业，并于基坑内以砂袋或土封堵漏水涌砂点。③加强周边地下水位、地表沉降的观测及桩的位移监测，一旦发现监测数据接近警戒值时应立即采取加固、回灌等措施，确保周边建筑物及基坑安全。④立即进行HDI注浆，即桩问间隙注浆，其方法是在漏水涌砂点附近的旋喷桩与钻孔灌注桩间隙打孔注浆，注浆孔距漏水点1m～2m；注浆孔径Ф110mm；注浆终压0.2MPa～0.5MPa；注浆范围在出水点上下各1m～2m范围，浆液凝固时间控制在5s～15s。注浆时采用拔式一次性足量连续快速灌注浆液进行封堵。⑤为保证浆液能快速凝固，提高砂土的强度和防渗性能，及时封堵漏水点，浆液一般采用水泥一水玻璃双液浆。⑥水泥—水玻璃双液浆配合比：水泥：水玻璃：氢氧化钙：磷酸氢二钠=1：0.5：0.1：0.02。水泥采用425或525普通硅酸盐水泥；水玻璃浓度39～42玻美度、模数2.4～3.4，掺入前用清水稀释成25玻美度的最佳浓度。注浆前应进行现场注浆试验，根据注浆试验确定浆液的最佳配合比及注浆终压值。

 

　　(3)基坑围护结构变形过大，基坑有失稳趋势的应急措施：①事先准备好钢支撑，增加钢支撑。②对锚索进行补张拉或增补锚索。③对基坑进行局部或全面回填，赢得时间进行支撑加固。

 

　　(4)基坑隆起的应急措施：①采取分段开挖，分段施工垫层，土方挖到设计标高时，尽量减少暴露时间，尽快浇注砼垫层，加快基础底板的施工进度；要注意做好排水，防止坑内浸水。②严禁在基坑周围搭建临时建筑物，基坑边施工机械超载严格控制在设计允许范围以下，严禁在基坑边堆土、堆料。③基坑开挖至设计标高时，加强基坑底隆起监测。当发现基坑土回弹变形过大，将危及围护结构安全时，一方面应在基坑外卸载；另一方面在基底压重，如堆砂石袋或其他压重材料，或用快凝压力注浆或高压旋喷对基底土体进行加固；周边条件允许时也可以在坑外进行深层降水减压，同时加大基坑内降水力度，但坑内降水深仍应控制在基坑底以下0.5m左右，且不得超过1m。

 

　　4.3.2应急物资

 

 

　　5.1材料

 

　　(1)预应力杆体材料选用钢绞线、高强度钢丝或高强螺纹钢筋。当预应力值较小或锚杆长度小于20m时，预应力筋也可采用Ⅱ级或Ⅲ级钢筋。

 

　　(2)水泥浆体材料：水泥采用普通硅酸盐水泥，必要时采用抗硫酸盐水泥，不使用高铝水泥。细骨料选用粒径小于2mm的中细砂。采用符合要求的水质，不得使用污水，不得使用pH值<4的酸性水。

 

　　(3)塑料套管材料：应具有足够的强度，保证其在加工和安装过程中不致损坏，具有抗水性和化学稳定性，与水泥砂浆和防腐剂接触无不良反应。

 

　　(4)隔离架应由钢、塑料或其他杆体无害的材料制作，不得使用木质隔离架。

 

　　(5)防腐材料：在锚杆服务年限内，应保持其耐久性，在规定的工作温度内或张拉过程中不开裂、变脆或成为流体，不得于相邻材料发生不良反应，应保持其化学稳定性和防水性，不得对锚杆自由段的变形产生任何限制。

 

　　5.2设备

 

　　6质量控制

 

　　6.1保证项目

 

　　(1)锚杆工程所用原材料、钢材、水泥浆、水泥砂浆标号必须符合设计要求。

 

　　(2)锚固体的直径、标高、深度和倾角必须符合设计要求。

 

　　(3)锚杆的组装和安放必须符合《岩土锚杆(索)技术规程》(CECs22：90)的要求。

 

　　(4)锚杆的张拉、锁定和防锈处理必须符合设计和施工规范的要求。

 

　　(5)土层锚杆的试验和监测必须符合设计和施工规范的规定。

 

　　6.2基本项目

 

　　(1)水泥、砂浆及接驳器必须经过试验，并符合设计和施工规范的要求，有合格的试验资料。

 

　　(2)在进行张拉和锁定时，台座的承压面应平整，并与锚杆的轴线方向垂直。

 

　　(3)进行基本试验时，所施加最大试验荷载(Qmax)不应超过钢丝、钢绞线、钢筋强度标准值的0.8倍。

 

　　(4)基本试验所得的总弹性位移应超过自由段理论弹性伸长的80％，且小于自由段长度与1／2锚固段长度之和的理论弹性伸长。

 

　　6.3允许偏差

 

　　(1)钻孔直径150mm，锚索水平、垂直方向的孔距误差不大于100min，钻头直径不小于设计钻孔直径3mm。

 

　　(2)钻孔轴线偏斜率不大于锚索长度的2％。

 

　　(3)锚索钻孔深度不小于设计长度，也不大于设计长度500mm。

 

　　(4)锚固体强度不低于M100。

 

　　(5)灌浆量不小于理论计算量的1.2倍。