電解原理在盾構區(qū)間錨索拔除中的應用

李棟

摘要：隨著盾構施工技術的日益成熟，盾構區(qū)間施工時經(jīng)常會遇到地下障礙物，而盾構機無法依靠自身刀盤上的刀具切碎障礙物通過時，一般都需要采用預先處理的方法清除障礙物，保證盾構順利通過。預應力錨索由于錨索本身為高強度鋼絞線，使得盾構無法利用開挖刀盤上的刀具將其切斷，所以預應力錨索一直是盾構通過的難題。本文結合工程實踐主要探討電解原理在預應力錨索拔除過程中的應用，旨在為類似工程提供參考。

關鍵詞：電解原理；盾構區(qū)間；錨索拔除；應用

1 工程概況

1.1盾構區(qū)間工程概況

廣佛線二期工程土建施工一標段，包括一個車站一個區(qū)間，即新城東站、新城東站至東平站區(qū)間。區(qū)間里程范圍為YCK-6-126.197～YCK-4-918.512m，總長約1207.658m，線路埋置深度約現(xiàn)地面下20至30m，左右線間距約15至25m，區(qū)間隧道穿越地層主要為軟土<2-1A>、<2-1B>及砂層<2-2>、<2-3>，局部地段穿越粉質(zhì)粘土層<2-4>，地下水為潛水，水位埋深3.5m左右，區(qū)間采用盾構法施工。

區(qū)間周邊建筑物保利1#地塊基坑采用錨索支護形式，其中AB段部分錨索侵入?yún)^(qū)間右線隧道，根據(jù)現(xiàn)狀分為六個區(qū)段。錨索侵入?yún)^(qū)域有φ500mm、φ300mm、φ150mm3根自來水鋼管，4根10kv高壓電纜橫穿區(qū)間，與高壓電纜溝并行還有通信光纜，5根φ110mm鋼套管套路燈線，平行線路方向有φ1000污水管1根，各管線地面埋深1～2m左右，相互關系具體見圖1。

1.2基坑錨索侵入情況

基坑深度11.2m，錨索侵入?yún)^(qū)域地質(zhì)情況主要為淤泥<2-1A>，粉細砂<2-2>，淤泥質(zhì)土<2-1B>，基坑支護土層錨索鉆孔直徑20cm，采用2*7φ5預應力鋼絞線，錨索設計總長度32m，其中錨固段長27m，打設角度為向下25度，張拉力300KN，達鋼絞線極限破斷拉力的40%，錨索在基坑南側沿東西向水平間距2.4m布置侵入?yún)^(qū)間隧道限界范圍內(nèi)，上下共布置3道。根據(jù)基坑支護圖與現(xiàn)場實際調(diào)查，基坑支護錨索侵入我區(qū)間為三區(qū)、四區(qū)、五區(qū)和六區(qū)，需拔除的錨索與區(qū)間隧道關系見表1。

第二道6根，

第三道5根。

2電力腐蝕法應用

2.1電力腐蝕法原理

電力腐蝕是利用電解原理，通過外接直流電源與需要拔除的兩根錨索連接，兩根錨索作為陰、陽電極，地下水作為電解質(zhì)溶液，形成一個電解池，將電能轉化為化學能的過程。電解池陰極與電源的負極相連，發(fā)生還原反應；陽極與電源的正極相連，發(fā)生氧化反應。

錨索的主要化學元素是Fe，F(xiàn)e作為電極材料屬活性電極，活性電極（金屬電極）作陽極，反應總是金屬電極發(fā)生失電子反應即氧化反應，而活性電極作為陰極時一般不反應。

Fe作為陽極的時候本身參加反應：Fe-2e——Fe2+ 又因為是堿性介質(zhì)，F(xiàn)e2+能和OH-繼續(xù)反應生成Fe（OH）2。由于Fe（OH）2極易被氧化，和氧氣、水繼續(xù)反應最終生成Fe（OH）3，F(xiàn)e（OH）2變成Fe（OH）3的現(xiàn)象就是先變成綠色，最后變成紅色。

鐵做陰極的時候自身不反應，是水電離的氫離子反應：2H++2e——H2

陽極：Fe+2OH- -2e === Fe（OH）2

陰極：2H+ + 2e— === H2

總反應：Fe+2H2O === Fe（OH）2 + H2

如果考慮Fe（OH）2被氧化成Fe（OH）3的話 反應是這樣的：4Fe（OH）2 + O2 + 2H2O === 4Fe（OH）3。

2.2電力腐蝕法試驗

本工程主要針對前期選定第四區(qū)編號為1-11、1-12兩根錨索進行了電力腐蝕試驗。

2.2.1試驗過程

（1）施工部署

通電前需清除錨頭，先去除墊板和錨具，以待消除錨為陽極，以不需要消除錨或第2批次待消除錨為陰極，陽極、陰極間距控制在1.5m～2.5m之間。

除錨裝置接入380V交流電壓，通過除錨電機轉換為低壓直流電，輸出電壓控制在60～70V之間。將直流電源正極連接在1-11、1-12號錨，作為陽極；直流電源負極連接在2-12號錨，作為陰極。

（2）通電施工

直流電源與陽極錨索、地下水、陰極錨索間形成一個天然電解池。通電過程記錄電流數(shù)值，當電流變小，達到最大值的60%左右時，確定錨桿腐蝕已完成。

下圖為通電期間陰、陽兩極錨索間電流及電壓變化曲線圖，圖中電壓變化比較穩(wěn)定，基本在60～70V之間；而電流全程經(jīng)歷了由小變大和由大變小并趁于平穩(wěn)的過程，從圖中可判斷其中的1-12號錨于3月31日完成試驗，1-11號錨4月22日完成試驗，兩錨索電流呈大體相同的變化規(guī)律。

（3）試驗效果檢測

為檢驗試驗效果，2013年4月22日～25日采用旋挖鉆機在隧道范圍內(nèi)進行鉆孔取樣，共鉆3個孔，直徑為?1200mm，在地面以下14.8m處見水泥塊及紅色銹跡（Fe（OH）3），未見鋼絞線，繼續(xù)下鉆至16.8m見少量水泥塊和完整鋼絞線，此為第二排錨索，鉆孔探測后用M5水泥砂漿回填鉆孔。

4月26日使用2臺32t千斤頂從自由端頭將1-12號錨索錨頭部位拔出，拔除長度約3.65m（不計外露0.3m），呈針狀，通過對拔除錨頭部分進行分析，可明顯看出1-12號錨索是通過電流進行腐蝕的，如圖3所示。

從圖片可以看出，錨索處于地下水位以下已被消溶，地下水位以上不消溶。

從拔除錨索可以看出，錨索已基本電蝕完畢，少量殘余鋼絞線不會對盾構機掘進產(chǎn)生影響。試驗過程中扣除中間邊坡塌方3天，1-11號錨索試驗用時43天，1-12號錨索試驗時間為22天，兩根錨清除時間相差約1倍，經(jīng)分析與水泥漿的包裹以及間距的誤差有關系，后期施工應按40～50天考慮。

（4）試驗結論

通過采用電力腐蝕方法對錨索進行拔除施工，從清除的結果可以看出，本項目使用電力除錨工藝是可行的，現(xiàn)有條件下消溶周期為50天。

3結束語

目前電力腐蝕法錨索拔除在項目施工中的應用并不多，它具有：工效高，一臺電力除錨裝置可同時接8～10根錨索，工作面需求簡單，只需找出錨頭即可，無需對工作面進行特殊處理，在通電期間適當調(diào)整電壓的同時向除錨區(qū)深處滴灌低濃度鹽水，可增加導電率，降低電阻，有效提高電熔質(zhì)量及節(jié)省施工周期時間，不過此工藝受地下水特征影響明顯，無地下水或地下水位較低范圍不適用，本工程通過對電力腐蝕工藝的驗證，僅為類似工程提供參考與借鑒。

參考文獻：

[1] 陳饋，洪開榮，吳學松.盾構施工技術[M].北京：人民交通出版社，2009（5）.

[2] 錨索力學參數(shù)拉拔試驗研究[M].重慶交通學院學報，2007（02）.