拉力分散型锚杆在明挖隧道.

拉力分散型锚杆在明挖隧道

基坑围护结构中应用

张明聚叶新丰谢小春司峰军

(北京工业大学北京 100000)

摘要：针对海南东环铁路美兰机场隧道工程, 提出以拉力分散型锚杆代替钢支撑的支护方案。通过拉力分散型锚杆设计和施工组织, 以及现场监测, 及时掌握预应力锚杆轴力变化及对基坑支护结构和施工安全的影响。通过锚杆加卸载试验以及监测数据表明, 拉力分散型锚杆对增强工程安全可靠性有显而易见的效果。

关键词：明挖基坑；拉力分散型锚杆；施工监测；

中图分类号:U455.46 文献标识码:B 文章编号1009- 4539 ( 2010) :增- 0016- 05 作者简介：张明聚(1962–)，男，教授，博士生导师，主要从事城市地下工程方面的教学、科研和技术开发。E-mail:zhangmj@。

0 引言

岩土锚固的基本原理是依靠锚杆周围地层的抗剪强度来传递结构物的拉力或保持地层开挖面自身的稳定。随着锚固技术的不断发展,各种类型的锚杆也应用于工程建设中。划分锚杆类别的形式有很多,根据锚杆锚固体锚固形式分可分为单孔单一锚固和单孔复合锚固,其中单孔复合锚固主要指荷载分散型锚杆。荷载分散型锚杆是将施加的预应力分散在整个锚固段上,使应力变分散、减小,从而确保锚固体不受破坏。这类锚杆形式多样,包括拉力分散型、压力分散型、拉压分散型和剪力型锚杆。

预应力锚杆近些年来被广泛应用于工程实践,如北京地铁5号线雍和宫站深基坑工程,基坑深度达到23m,采用桩锚支护,东西两侧各使用3排和4排锚索支护。此工法的成功应用,为在北京地区地层条件下的深基坑施工中,采用预应力锚杆作为支护技术奠定基础。沈阳市地铁一号线黎明文化宫站、北京城铁13号线东直门站、深圳地铁一期工程少年宫站、深圳地铁水晶岛站、广州轨道交通五号线猎德站均采用了预应力锚杆支护技术。随着预应力锚杆技术的不断改进,拉力分散型锚索也在越来越多的工程中得到应用,本文结合美兰机场隧道试验段, 通过对明挖隧道基坑拉力分散型锚杆基本试验数据,得出拉力分散型锚杆在粘土层和黏质粘土层中的工作状态。再通过处理预应力锚索在施工中遇到问题,改进预应力锚索的施工工艺。最后通过监测分层开挖施工过程中出现的各种工况对锚杆轴力影响, 分析得出在基坑开挖过程中,拉力分散型锚杆在支护过程中发挥的作用。

1 工程概况与岩土条件

在美兰机场隧道试验段里程为DK17+000～DK17+290,按明挖顺作法施工,采用钻孔灌注桩+旋喷桩作为围护结构,隧道按最高行车速度250km/h,铁路客运专线双线隧道设计,直墙式明洞衬砌。隧道区域内地下水主要为第四系松散岩类孔隙水,以微承压水为主,部分地段为潜水,随季节变化,微压承压水与潜水可能相互转变,主要附存于砂层中,在黏性土、粉土中含水量较少,另在第三系贝壳碎屑岩中含一定量的孔隙及裂隙水。支撑系统采用两排锚杆和一排钢支撑的形式,基坑上部采用两排锚索主要为了减少土方的开挖和增大施工空间,加快施工

进度。基坑下部采用一排钢支撑支护,主要为了避免基坑下部因水压力较大引起的涌水,如果仍用锚索支护,将因地下水压力过大而难以成孔。试验段里程DK17+000处支护结构剖面图和土层分布如图1所示。岩土工程特性及主要设计参数见表1。

图 1 支护结构剖面图和土层分布

表 1 岩土体物理力学参数

2 锚杆类型选择和设计

2.1 锚杆分类和性能比较

由于锚固技术的不断发展,预应力锚杆的形式多种多样,并且根据各自不同的特性,应用于不同领域。在经济、安全、快捷的设计原则下,预应力锚杆在位移控制严格的基坑,深度大的基坑,钻孔费用高的基坑中有着广泛的应用。预应力锚杆按锚固段受力形式分可基本分为拉力型,压力型,及拉力分散型,压力分散型,拉压分散型等。不同锚杆工作性能比较见表2。由表2可以看出,拉力型和压力型锚杆锚固力比较集中,降低了锚杆体的安全性和杆体材料的使用率,特别是当需要提供较高的锚杆轴力时候,需要锚杆较长,钻孔较深,尤其是锚杆锚固段较长才能提供足够的锚固力,但是当锚固段在超过一定长度以后,锚固力提高有限,因此集中型锚杆在工程中逐步将予以淘汰。单孔复合型锚杆能够提供较大的锚固力,并且能够减少钻孔深度,特别在有临近建筑物基础的环境中锚杆的长度和角度都要受限制,而复合型锚杆在提供同等锚固力条件下能够有效减少锚杆长度,减少因临近建筑基础对杆长的制约。单孔复合型锚杆中的压力分散型锚杆是单孔复合锚固体系中最具有实用价值的,按其结构原理可

设计高承载力锚杆,主要用于永久边坡工程及坝体稳定等抗倾覆的永久结构工程。拉力分散型锚杆也是单孔复合锚固体系中,较为常用的一种,其制作工艺简单,施工方便,可提供较高的承载力,主要用于深基坑开挖时支护结构的临时加固。

表 2 不同锚杆性能比较

2. 2 拉力分散型锚杆结构及参数

根据各类锚杆特性可以看出,结合美兰机场隧道桩锚支护岩土条件,锚杆工作年限将小于2年,属于临时锚杆,从支护力学特点看,可以选择拉力分散型锚杆较为合适。另外,由于在试验段从DK17+000～DK17+290短短290m路程,设计需要就968束锚杆,如果锚杆制作工艺复杂,将影响工期进度。由此选择制作工艺简单,锚固体受荷均匀的拉力分散型锚杆,作为桩锚支护所使用的锚杆。拉力分散型锚杆结构见图2。

2.3 锚杆参数设计

美兰机场隧道试验段(DK17+000～DK17+290)段锚杆。具体设计参数见表3。

表 3 隧道锚杆参数

图 2 拉力分散型锚杆结构

2.3 锚杆参数设计

美兰机场隧道试验段(DK17+000～DK17+290)段锚杆。具体设计参数见表3。

3 锚杆循环加载试验结果和分析

预应力锚杆在工程应用中发生破坏通常有三种形式:第一种是组成锚杆传力体系的钢绞线被拉断;第二种是钢绞线与锚固段砂浆的握裹力不够,导致锚杆钢绞线从锚固段砂浆中拔出;第三种破坏是锚杆的由钢绞线和砂浆组成的锚固体由于孔壁岩层间的粘接摩阻力不够,导致锚固体从锚杆孔中被拔出。前两种破坏形式,可以通过计算和构造规定避免发生,而第三