高水頭粉細(xì)砂層錨索施工技術(shù)研究

衛(wèi)耀東

摘要：北京地鐵6號(hào)線新華大街站施工時(shí)基坑主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，孔樁中部采用外拉錨索的支護(hù)形式，基坑標(biāo)準(zhǔn)段打設(shè)4道錨索。第3道錨索穿越高水頭粉細(xì)砂層地質(zhì)，部分錨索施做時(shí)出現(xiàn)涌水、涌砂，導(dǎo)致錨索不能施做。本項(xiàng)目經(jīng)技術(shù)創(chuàng)新，采取套管與鉆桿同步鉆進(jìn)、設(shè)計(jì)防涌砂裝置、設(shè)置孔口吸水快速膨脹材料封堵等技術(shù)措施，有效防止了涌水涌砂問(wèn)題，確保了錨索施工質(zhì)量及工期。

關(guān)鍵詞：錨索施工;高水頭粉細(xì)砂層;同步鉆進(jìn);防涌砂裝置;孔口封堵

Abstract： During the construction of Xinhua Street Station of Beijing Metro Line 6， the main retaining structure of the foundation pit was constructed with bored piles， the middle part of the bored piles was supported by external anchor cables， and 4 anchor cables were laid in the standard section of the foundation pit. The third anchor cable passed through the high water head silty fine sand layer， and water and sand gushing appeared during the construction of some anchor cables， which made the anchor cable unable to be constructed. Through technological innovation， the project adopted technical measures such as synchronous drilling of casing and drill pipe， design of anti-sand inrush devices， and setting of water absorption and rapid expansion material plugging of orifices， which effectively prevented water and sand gushing， and ensures the construction quality and construction period of anchor cable.

0? 引言

因預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)土體的加固效果顯著，在深基坑圍護(hù)中逐漸和到推廣應(yīng)用。但現(xiàn)有錨索施工的成熟技術(shù)是基于不透水地層（如粘土層），或是低地下水壓力的砂層。采用常規(guī)的施工技術(shù)進(jìn)行高水頭透水砂層錨索施工時(shí)，出現(xiàn)涌水、涌砂，注漿難等問(wèn)題。為了提高高水頭砂層錨索成孔質(zhì)量及效率，探尋錨索成孔新技術(shù)，解決高水頭錨索成孔涌水、涌砂難題，確保錨索施工質(zhì)量，達(dá)到設(shè)計(jì)抗拔力，保證基坑土體及周邊建（構(gòu)）筑物的安全，具有較強(qiáng)的工程施工意義。

1? 工程簡(jiǎn)介

新華大街站是北京地鐵6號(hào)線的快慢線中轉(zhuǎn)換乘車站，遠(yuǎn)期與S6換乘，為四線雙層結(jié)構(gòu)形式，車站總長(zhǎng)473m，站臺(tái)設(shè)計(jì)寬度為10m。新華大街站的標(biāo)準(zhǔn)段高為17.1m，寬為42.5m，頂板覆土在效站臺(tái)中心線處為3.5m。

新華大街站地處通州城區(qū)的規(guī)劃核心區(qū)，明挖法施工主體結(jié)構(gòu)，本車站底板埋深約為22.5m，主體結(jié)構(gòu)的基坑采用ф800mm鉆孔灌注樁作圍護(hù)，中心距為1500mm，孔樁深入基坑以下5m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)不設(shè)內(nèi)支撐，而是在基坑標(biāo)準(zhǔn)段打設(shè)4道錨索（d=150mm）的外拉形式，錨索水平間距1500mm。

由地質(zhì)勘察報(bào)告可得，基坑深度內(nèi)的地質(zhì)情況如下：房碴①層、粉質(zhì)粘土填土雜填土①1層、粉土填土①2層、粉土②層、粉細(xì)砂④3層、粉細(xì)砂⑤層、中粗砂⑤1層及粉質(zhì)粘土⑥層。

基坑深度范圍內(nèi)存在2層地下水。其中上層滯水的水位標(biāo)高在20.2～19.81m，基底以上13.4～14m;下層為承壓水，水頭進(jìn)入粉細(xì)砂④3層，水頭標(biāo)高16.2m，位于基底以上10.6m。

北運(yùn)河位于新華大街站北側(cè)，與車站呈大體平行關(guān)系，兩者相距約200m。河底寬80m，河底標(biāo)高15.3～15.80m，測(cè)量水深3.0～3.5m;對(duì)應(yīng)的水位標(biāo)高為18.3～18.8m;河底、岸坡無(wú)襯砌。

2? 施工存在的問(wèn)題

2.1 存在的問(wèn)題及分析

基坑防護(hù)的第3排錨索穿越高水頭粉細(xì)砂④3層，該層地下水承壓，動(dòng)水與水源聯(lián)系十分復(fù)雜。進(jìn)行基坑第3排初期共15根錨索施工時(shí)，發(fā)現(xiàn)11根錨索在鉆孔時(shí)，或是注漿完成后產(chǎn)生不同程度涌水、涌砂問(wèn)題。涌水中含泥砂量大，且水流呈噴狀涌出，表明水壓較大。

因涌水、涌砂量較大，地面的沉降監(jiān)測(cè)表明地面沉降值急劇加大，為了確保地面道路、構(gòu)筑物的安全和減少對(duì)上部已施工完成的2排錨索的擾動(dòng)，只能停止后續(xù)錨索的施工。因此，能否完全順利完成車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)的高水頭粉細(xì)砂層第3、4道錨索施工是關(guān)系到本項(xiàng)目的基坑開(kāi)挖節(jié)點(diǎn)工期及周邊建（構(gòu)）筑物安全、道路交通暢通以及居民生活正常進(jìn)行的關(guān)鍵，是本工程的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

2.2 各種施工技術(shù)措施處理涌水、涌砂問(wèn)題的評(píng)估

2.2.1 井點(diǎn)降低地下水位? 采用井點(diǎn)降水法降低基坑的地下水位后再進(jìn)行錨索的鉆進(jìn)成孔。結(jié)合其它項(xiàng)目的施工經(jīng)驗(yàn)評(píng)估后認(rèn)為：首先過(guò)度降水，易引起地表、道路及建筑物沉陷，危及安全;其次地下水承壓，水量較大，且有北運(yùn)河的持續(xù)補(bǔ)給，降水難度大。排除了井點(diǎn)降水方案。

2.2.2 凍結(jié)法? 將凍結(jié)管打入土體中，通過(guò)管內(nèi)冷媒劑循環(huán)流動(dòng)，使熱量從土層中帶出，從而使土層凍結(jié)，凍結(jié)后土層具有一定的強(qiáng)度及密實(shí)度，能夠承受荷載和起到隔離防水作用，土體的暫時(shí)凍結(jié)保證了可按常規(guī)工藝進(jìn)行錨索的施工。但存在施工技術(shù)復(fù)雜，工序多，施工工期長(zhǎng);對(duì)土體的凍結(jié)造價(jià)高;地質(zhì)條件復(fù)雜，存在不確定的因素多，風(fēng)險(xiǎn)大。

2.2.3 套管跟進(jìn)法? 即利用套管跟進(jìn)進(jìn)行錨索砂層施工。此方法雖然操作簡(jiǎn)單，成本較低，施工周期短。但在高壓水頭情況下施工的風(fēng)險(xiǎn)大，故不宜采用。

2.2.4 此外還對(duì)地層加固法、自進(jìn)式注漿鉆進(jìn)錨索法等進(jìn)行了適用性評(píng)估? 但不同的施工方法存在或多或少的不足之處，難以確保本項(xiàng)目錨索順利完成。為此，本項(xiàng)目進(jìn)行課題研究立項(xiàng)，從施工工藝方面往入手，以解決高水頭粉細(xì)砂層錨索成孔難題。

2.3 研究高壓水頭透水砂層錨索施工防涌水涌砂技術(shù)

從查閱大量文獻(xiàn)資料的結(jié)果看來(lái)，目前成熟錨索施工技術(shù)及專利基本是基于不透水地層（如粘土層），或是低地下水壓力的透水砂層。成功在高水頭粉細(xì)砂層、淤泥質(zhì)砂層等困難地質(zhì)條件下完成錨索施工的技術(shù)及實(shí)例少。為確保第3、4排錨索的順利施工，本項(xiàng)目在借鑒以往類型項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)本項(xiàng)目具體情況，進(jìn)行工藝優(yōu)化、調(diào)整和提高。

課題小組還與具有豐富類似地質(zhì)情況下錨索施工經(jīng)驗(yàn)的廣東省基礎(chǔ)工程公司進(jìn)行技術(shù)合作，同時(shí)項(xiàng)目部課題人員還發(fā)揮創(chuàng)新思維，并在試施工中對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析、研究，優(yōu)化技術(shù)方案及工藝。最終針對(duì)錨索施工涌水、涌砂難題，采取如下三個(gè)主要施工技術(shù)措施：

①采取外套、內(nèi)轉(zhuǎn)桿同步向土層中鉆進(jìn)，防止水、砂沿套管外側(cè)涌出。

②鉆設(shè)錨索孔時(shí)在孔口處安設(shè)防涌砂裝置，進(jìn)一步阻止涌水、涌砂。

③采取在孔口處設(shè)置膨脹止水紗袋，對(duì)孔口進(jìn)行封堵等技術(shù)措施，防止水泥漿被高壓地下水?dāng)D出。

3? 技術(shù)研究成果闡述及實(shí)施要點(diǎn)

3.1 成孔工藝的改進(jìn)

先下外套管后，再安裝內(nèi)轉(zhuǎn)管實(shí)施鉆進(jìn)是傳統(tǒng)錨索成孔工藝。實(shí)踐表明，采取此工藝在高水頭透水砂層施工時(shí)，還是易出現(xiàn)涌水、涌砂現(xiàn)象，導(dǎo)致成孔困難。

本項(xiàng)目改進(jìn)了成孔技術(shù)，采用外套管和內(nèi)轉(zhuǎn)管同步鉆進(jìn)（如圖1、圖2所示）的新工藝。即內(nèi)轉(zhuǎn)管鉆頭先行鉆進(jìn)土體，外套管緊隨其后。

新成孔技術(shù)還是采用外套管護(hù)壁成孔，但內(nèi)轉(zhuǎn)管較外套管超前少許進(jìn)入土體，內(nèi)轉(zhuǎn)管往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)鉆進(jìn)運(yùn)動(dòng)對(duì)前方及轉(zhuǎn)管周邊一定范圍內(nèi)的土體進(jìn)行擠壓密實(shí)，包括外套管外側(cè)的土體也產(chǎn)生了擠壓密實(shí)效應(yīng)（如圖3所示），解決了沿外套管外側(cè)產(chǎn)生涌水、涌砂的難題。

內(nèi)轉(zhuǎn)桿與外套管間的空隙經(jīng)工藝改進(jìn)后變成很小（控制在10 mm以內(nèi)），鉆頭前較大顆粒的砂礫、碎渣無(wú)法通過(guò)空隙排渣，而是擠入周邊土體中，隨泥漿循環(huán)排出的僅是小粒徑的砂礫、碎渣。故新工藝不僅能擠密土體，還能有效減少砂土的流失。

3.2 成孔過(guò)程中防涌砂

由于本基坑共設(shè)置了4道錨索，越往下施工，水頭壓力就越大，開(kāi)孔及成孔過(guò)程中的涌水涌砂將會(huì)更加嚴(yán)重，為進(jìn)一步控制錨索成孔過(guò)程中粉細(xì)砂流失量，鉆孔時(shí)在孔口處安置防涌砂裝置（如圖4、圖5所示）。

根據(jù)已施工完成的第2道錨索結(jié)果，雖然各孔位水頭壓力不同，但基本水頭壓力較小，產(chǎn)生涌砂、涌水現(xiàn)象的可能性較低，故對(duì)于尚未施工的第2道錨索，擬先開(kāi)孔，再根據(jù)成孔情況考慮是否需要裝設(shè)防涌砂裝置。第3排、4排錨索均按裝設(shè)防涌砂裝置的要求進(jìn)行前期準(zhǔn)備（安設(shè)膨脹螺栓）。

防涌砂裝置現(xiàn)場(chǎng)操作步驟及要點(diǎn)如下：

①定位錨索孔位后，將孔位處圍護(hù)結(jié)構(gòu)的混凝土面鑿平，根據(jù)防涌砂裝置安裝孔的位置，在混凝土面上鉆打6個(gè)Φ12mm膨脹螺栓。

②進(jìn)行將防涌砂裝置底座的試安裝，確認(rèn)膨脹螺栓定位準(zhǔn)確后，拆除底座。

③錨索鉆機(jī)鉆進(jìn)成孔。

④當(dāng)成孔過(guò)程出現(xiàn)較大的流砂、涌水現(xiàn)象時(shí)，停止錨索鉆機(jī)的鉆進(jìn)，用油麻繩包裹外套管，安裝防涌砂裝置。為了避免地下水、細(xì)砂從防涌砂裝置底板與圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面之間的空隙涌出，造成水土流失，在二者之間的空隙上加墊無(wú)紡布、麻包袋。

⑤錨索鉆機(jī)繼續(xù)鉆進(jìn)成孔。

3.3 終孔注漿后防涌砂

錨索成孔時(shí)安裝防涌砂裝置主要是與錨索鉆機(jī)成孔相配合，控制涌水、涌砂量。但在注漿前需拆除防涌砂裝置，故其不能起到終孔后防涌砂作用。以往類似項(xiàng)目采取留一節(jié)外套管在孔內(nèi)不拔除，以起到平衡孔口水土壓力，防止涌砂的目的，但施工成本高，較少采用;或終孔后對(duì)孔口部位采取灌漿封堵方法，但需注入大量化學(xué)漿液，且操作工序較復(fù)雜，施工成本高，也較少采用。故尋找快速有效、經(jīng)濟(jì)合理的止水技術(shù)具有較強(qiáng)的工程意義。

試多次試驗(yàn)結(jié)果，擬采取在孔口部位塞膨脹止水紗袋的技術(shù)，具有效果好，簡(jiǎn)單易行，成本低待特點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)大量止水材料試驗(yàn)反復(fù)對(duì)比，選擇某種具有吸水快速膨脹、形狀可任意塑造的材料，加無(wú)紡布密封后可做成膨脹止水紗袋。施工時(shí)在錨索鉆機(jī)的配合下塞入孔口內(nèi)（如圖6所示）。

4? 結(jié)束語(yǔ)

北京地鐵6號(hào)線新華大街站圍護(hù)結(jié)構(gòu)錨索施工時(shí)，因部分錨索從高水頭粉細(xì)砂透水地層穿過(guò)，施工時(shí)大量出現(xiàn)涌水、涌砂等現(xiàn)象，本項(xiàng)目在經(jīng)驗(yàn)借鑒的基礎(chǔ)上，采取創(chuàng)新優(yōu)化。在錨索施工時(shí)采取了外套管與內(nèi)轉(zhuǎn)桿同步鉆進(jìn)、孔口安裝防涌砂裝置、注漿后使用膨脹止水紗袋止水等多項(xiàng)新穎、有效的技術(shù)措施，順利按預(yù)定工期完成新華大街站第3、4道錨索的施工。由于措施得當(dāng)，有效控制了涌水、涌砂的發(fā)生，防止了水土流失及地表沉降，取了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]陶芳良.試述富水砂層錨索微擾動(dòng)施工技術(shù)措施及控制要點(diǎn)[J].廣東水利水電，2010（6）.

[2]歐陽(yáng)麟樺，趙健，王俊.高水頭條件下深大型基坑預(yù)應(yīng)力錨索成孔方法及分析[J].水利工程，2012（8）.

[3]陳懷玉.布袋充漿式止?jié){環(huán)在果多電站錨索施工中的應(yīng)用[J].四川水利，2015（5）.