玄武巖纖維筋錨索施工技術(shù)在工程中的應(yīng)用分析

呂善勇，莊小杰，劉江，陳烈，周剛 (中國(guó)建筑一局（集團(tuán)）有限公司，北京 100161)

1 引言

目前錨索支護(hù)是一種常用的基坑支護(hù)形式，錨索作為深入地層的受拉構(gòu)件，其一端與工程構(gòu)筑物連接，另一端深入地層利用錨固體與土層的粘結(jié)摩擦作用，對(duì)基坑邊坡起到支護(hù)加強(qiáng)的作用。傳統(tǒng)的錨索一般是由鋼材加工而成，但錨索因常年埋入地下，其金屬部分與土壤、地下水等相互作用，易造成環(huán)境污染。玄武巖纖維具有強(qiáng)度高、電絕緣性好、耐腐蝕、易降解等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，由玄武巖纖維為主要材料制成的錨索，可以被地鐵盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)直接破碎，所以玄武巖纖維錨索遺留在地下并不會(huì)影響盾構(gòu)施工。然而玄武巖纖維筋材不能焊接，只能通過(guò)粘結(jié)劑實(shí)現(xiàn)連接，因此現(xiàn)有的金屬材質(zhì)錨索施工結(jié)構(gòu)體系不適用于玄武巖纖維錨索，通過(guò)工程的實(shí)際應(yīng)用來(lái)探索出一套適合玄武巖纖維筋材錨索施工的技術(shù)。

2 工程概況

圖1 玄武巖纖維筋材

圖2 項(xiàng)目效果圖

某功能膜新材料智慧物流園工程位于安徽省合肥市，擬規(guī)劃總用地面積約65382.95m2，總建筑面積 91796.45m2，主要包含地下車(chē)庫(kù)、綜合樓及配套用房、倉(cāng)庫(kù)、廠房、室外輔助工程、變電所供配電及室外電等，計(jì)劃工期693d，工程投資約2.48億元。本工程建場(chǎng)地水文地質(zhì)條件一般，地下水類(lèi)型主要為①層雜填土中的上層滯水、③層中風(fēng)化片麻巖和④層強(qiáng)風(fēng)化片麻巖中的裂隙水。①層雜填土中的上層滯水主要由大氣降水、地表水滲入組成，勘探期間測(cè)得其靜止水位埋深 1.00m～2.40m，水位標(biāo) 高39.46m～42.03m；③層強(qiáng)風(fēng)化片麻巖和④層中風(fēng)化片麻巖中的裂隙水主要由地下徑流滲透補(bǔ)給，其地下水位埋深大，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及施工影響相對(duì)較小。場(chǎng)地地下水位年變化幅度在1.5m左右。本工程基坑深度最深處為11.6m，周邊臨近位置后期擬規(guī)劃地鐵線(xiàn)路，因此錨索施工限制使用，本工程采用玄武巖纖維筋錨索結(jié)合排樁進(jìn)行深基坑支護(hù)施工。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 玄武巖纖維錨索的設(shè)置

在基坑的南側(cè)區(qū)域設(shè)置預(yù)應(yīng)力玄武巖纖維錨索，其中第一層錨索與最頂部?jī)?nèi)支撐豎向距離為7.5m，每根玄武巖纖維錨索總長(zhǎng)30m，橫向間距1.5m，入射角30°，其中錨固段長(zhǎng)18m。第二層錨索與最頂部?jī)?nèi)支撐豎向距離為6m，每根玄武巖纖維錨索總長(zhǎng)30m，橫向間距1.5m，入射角30°。第三層錨索與最頂部?jī)?nèi)支撐豎向距離4m，每根玄武巖纖維錨索總長(zhǎng)30m，橫向間距1.5m，入射角30°。第四層錨索與最頂部?jī)?nèi)支撐豎向距離2m，每根玄武巖纖維錨索總長(zhǎng)為30m，橫向間距1.5m，入射角30°。

3.2 玄武巖纖維錨索的制作

錨索采用φ10mm及以上玄武巖纖維筋材，筋材不得接長(zhǎng)，使用前應(yīng)檢查有無(wú)油污、缺裂等情況。為使錨桿置于鉆孔中心，應(yīng)在錨桿上每隔1500mm設(shè)置定位器一個(gè)，根據(jù)玄武巖纖維筋材直徑和單索玄武巖纖維筋材數(shù)量選用市場(chǎng)用于鋼膠線(xiàn)錨索的成品對(duì)中支架。錨桿端頭預(yù)留1m供安裝錨具，桿體自由段應(yīng)用塑料布或塑料管包扎，錨頭采用φ 50cm鋼管，長(zhǎng)15cm～20cm，一端壓扁。將BFRP筋材集合插入錨頭，注入植筋膠固化24h。使用錨索支架將玄武巖筋材固定住，同時(shí)在中間設(shè)置注漿管，以此完成錨索的制作。

3.3 玄武巖纖維錨索專(zhuān)用錨具的設(shè)計(jì)

新型非金屬錨具包括鋼制套管、錨墊板和鎖定螺母，粘結(jié)式鋼管套管采用無(wú)縫鋼管，鋼管長(zhǎng)度為300mm～400mm，內(nèi) 徑 18mm～20mm，壁 厚4mm～6mm，一端外壁為螺紋段，長(zhǎng)度100mm～150mm，另一端為光圓段。錨墊板是200mm×200mm的方形鋼板，厚度為20mm～30mm，根據(jù)每組錨索的根數(shù)在錨墊板上預(yù)留相對(duì)應(yīng)的預(yù)留孔，預(yù)留孔直徑為30mm。每根與玄武巖纖維錨索粘結(jié)完成后的粘結(jié)式鋼管套管穿過(guò)錨墊板上的預(yù)留孔后，利用千斤頂對(duì)錨索施加預(yù)應(yīng)力，施加完成后通過(guò)鎖定螺母在粘結(jié)式鋼管套管的螺紋段的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鎖定。

3.4 玄武巖纖維專(zhuān)用錨具的試驗(yàn)

按設(shè)計(jì)使用鋼制套管并安裝鎖定螺母，然后進(jìn)行測(cè)試，在滿(mǎn)足玄武巖纖維筋材抗拉強(qiáng)度的前提下，在螺帽受力達(dá)到160kN時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。螺帽和錨具完好且未發(fā)生斷裂則證明滿(mǎn)足錨具設(shè)計(jì)要求。

圖3 玄武巖纖維錨索專(zhuān)用錨具示意圖及實(shí)物圖

玄武巖纖維專(zhuān)用錨具測(cè)試合格后，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行錨索的拉拔試驗(yàn)以檢測(cè)玄武巖纖維錨具的力學(xué)性能，同時(shí)可獲取玄武巖纖維錨索的抗拔極限承載力，驗(yàn)證或修正筋材力學(xué)指標(biāo)。同時(shí)進(jìn)行錨筋錨索的拉拔對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)比玄武巖纖維筋材錨索與普通鋼筋錨索的力學(xué)性能。以地基土、反力梁、錨具為錨索抗拔反力系統(tǒng)，以經(jīng)標(biāo)定過(guò)的油壓千斤頂、手動(dòng)油泵、0.4級(jí)精密壓力表為加載控制系統(tǒng)，以50mm大量程精密百分表配合基準(zhǔn)梁為錨索位移觀測(cè)系統(tǒng)。

圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備安裝示意圖

試驗(yàn)以《高層建筑巖土勘察規(guī)程》（JGJ72-2004）為依據(jù)，以750kN為預(yù)估荷載最大加載量進(jìn)行加載，以測(cè)得抗拔極限承載力，當(dāng)后一級(jí)荷載產(chǎn)生的錨頭位移增量達(dá)到或超過(guò)前一級(jí)荷載產(chǎn)生的位移增量的2倍或錨頭位移持續(xù)增長(zhǎng)、錨索體破壞時(shí)可終止試驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)分別用1根、3根、5根、6根玄武巖纖維筋材錨索進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，拉拔試驗(yàn)結(jié)果表明，單根直徑為14mm的玄武巖纖維筋材錨索的極限抗拔力約155kN；3根直徑為14mm的玄武巖纖維筋材錨索極限抗拔力為530kN；5根直徑為14mm的玄武巖纖維筋材錨索極限抗拔力為 772.6kN；6根直徑為14mm的玄武巖纖維筋材錨索極限抗拔力為849.2kN。若采用玄武巖纖維筋材錨索替代傳統(tǒng)鋼筋錨索，根據(jù)設(shè)計(jì)極限抗拔力按等強(qiáng)度替代，即可計(jì)算采用玄武巖纖維筋材錨索筋材的數(shù)量，現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)證明設(shè)計(jì)的玄武巖纖維錨索專(zhuān)用錨具性能可以滿(mǎn)足實(shí)際工程應(yīng)用。

3.5 玄武巖纖維錨索施工

高壓旋噴清水鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深，鉆進(jìn)時(shí)采用清水輔助，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深后停鉆，鉆進(jìn)過(guò)程中保持好鉆進(jìn)角度和速度，隨時(shí)觀察玄武巖纖維錨索跟進(jìn)情況。錨固段退鉆高壓旋噴同步注水泥漿，待錨固段漿體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉鎖定工作，達(dá)到設(shè)計(jì)值后通過(guò)鎖定螺母在粘結(jié)式鋼管套管的螺紋段的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鎖定。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)鉆孔圖

3.6 玄武巖纖維錨索施工的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)第一層和第三層玄武巖纖維錨索分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以了解其支護(hù)狀況。第一層錨索監(jiān)測(cè)時(shí)間為2019年2月20日至2020年11月16日。第三層錨索監(jiān)測(cè)時(shí)間為2019年2月27日至2020年11月20日。對(duì)玄武巖筋材錨索及其對(duì)比傳統(tǒng)鋼絞線(xiàn)錨索進(jìn)行分析。用origin軟件畫(huà)出玄筋錨索和傳統(tǒng)錨索的應(yīng)力對(duì)比圖，通過(guò)受力情況對(duì)比得出，初期受力階段玄武巖筋材錨索與鋼絞線(xiàn)錨索應(yīng)力情況相似，然后玄武巖筋材錨索突然有下降的應(yīng)力突變，中期受力階段玄武巖筋材錨索情況就與鋼絞線(xiàn)錨索應(yīng)力情況相似，受力基本不變，中后期受力階段不同的是玄筋錨索突然又有下降的應(yīng)力突變后，受力基本不變。最終通過(guò)監(jiān)測(cè)說(shuō)明，在錨索支護(hù)邊坡工程中，隨著基坑開(kāi)挖深度變大，錨索受力也越來(lái)越大，這一點(diǎn)在傳統(tǒng)鋼絞線(xiàn)錨索中主要體現(xiàn)在受力前期，中后期受力基本不變，而對(duì)于玄武巖筋材錨索，忽略其應(yīng)力突降現(xiàn)象，中后期受力也基本不變，這與傳統(tǒng)鋼絞線(xiàn)錨索的受力情況基本一致。

4 質(zhì)量控制措施

①玄武巖纖維鋼絞線(xiàn)按設(shè)計(jì)長(zhǎng)度下料時(shí)，需預(yù)留足夠的張拉長(zhǎng)度。鋼絞線(xiàn)原材截?cái)鄷r(shí)，使用切割機(jī)進(jìn)行，不得使用電焊機(jī)燒斷，妥善存放未使用的玄武巖纖維錨索成品，并做好保護(hù)、遮蓋、防銹等措施，防止損壞、玷污和銹蝕。

②在錨索自由段套裝PVC管隔離前對(duì)自由段鋼絞線(xiàn)進(jìn)行防腐處理，刷防銹漆或涂抹黃油，PVC管兩端做好密封并綁扎牢固，防止泥土粘裹鋼絞線(xiàn)污染自由段錨索及水泥漿體流入自由段。

③鋼制套管的內(nèi)壁需制成粗糙面以增強(qiáng)鋼管錨具與膠結(jié)劑間的摩擦力，然后將鋼制套管錨具的一端設(shè)置為錐形。通過(guò)兩種處理方式可避免錨具與粘結(jié)劑的脫膠現(xiàn)象。

④錨索孔位開(kāi)孔前用相關(guān)測(cè)量工具對(duì)孔位、傾角等進(jìn)行檢查校核，發(fā)現(xiàn)偏差及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，跟錨鉆進(jìn)時(shí)，嚴(yán)格控制鉆進(jìn)速度和噴水壓力，以保證成孔質(zhì)量。

⑤退鉆旋噴注漿時(shí)，嚴(yán)格控制退鉆速度和旋噴壓力，以保證注漿質(zhì)量。注漿結(jié)束鉆桿全部退出前，孔口返出的泥漿水全部變?yōu)樗酀{液后，方可停止注水泥漿，并將鉆桿全部退出。錨索施工結(jié)束后，及時(shí)對(duì)孔口進(jìn)行封堵，防止水泥漿液從孔口流失。

5 實(shí)施效果

玄武巖纖維錨索具有強(qiáng)度高、密度小、耐酸堿腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，因盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)可直接破碎玄武巖筋材，錨索長(zhǎng)期留在土體內(nèi)也基本不影響盾構(gòu)施工，同時(shí)玄武巖纖維復(fù)合筋材耐腐蝕性強(qiáng)，生產(chǎn)過(guò)程中環(huán)境污染小，屬新型綠色環(huán)保材料。通過(guò)鋼管套管與玄武巖纖維錨索的結(jié)合，解決了玄武巖纖維錨索預(yù)應(yīng)力不易鎖定的問(wèn)題，錨固結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，操作方便，解決了玄武巖纖維筋材錨索的施工。

利用本文施工技術(shù)中的新型錨具，可以順利實(shí)現(xiàn)玄武巖纖維錨索預(yù)應(yīng)力的加載和卸除，根據(jù)同等級(jí)替換的原則，可以利用玄武巖纖維錨索替代傳統(tǒng)的鋼絞線(xiàn)錨索，并利用本文的各技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行施工，起到為后續(xù)工程提供參考借鑒的作用。