管道压浆剂在基坑支护中的应用

2018-04-04侯国忠孟令宁

价值工程 2018年10期

侯国忠孟令宁

摘要：现今使用的水泥浆体系不能完全满足桩锚支护的需要，达不到防止蹿槽和促凝及微膨胀的目的，为了缩短锚索浆体强度达到张拉的要求时间，实现加快土方开挖进度的目的，本文针对这些问题研发了一种新的体系——压浆剂灌浆料体系，实验表明：该浆料具有温度使用范围广、微膨胀、沉降稳定性好、抗压强度高、流变性能好等优良性能。在基坑施工中引进了压浆剂掺入水泥浆，作为锚索注浆浆体材料，平均每道锚索施工至张拉由以前的7d～10d缩短至 4d～5d，能够满足工程实际的需要，压浆剂的应用成果对其他类似工程的设计和施工具有一定的指导作用和借鉴作用。本文介绍了压浆剂的产品特点、使用背景、施工工艺、现场试验、质量控制要点及效益分析。实践证明，在基坑施工中采用压浆剂施工锚索能够确保基坑安全，加快施工速率及综合效益显著。

Abstract： The cement slurry system used today can not fully meet the needs of pile and anchor support， and not achieve the purpose of preventing pockets and promoting coagulation and micro-expansion. In order to shorten the time required to reach the tensile strength of the anchor rope slurry and achieve the goal of accelerating the progress of earthwork excavation， a grouting agent grouting material system is developed. Results show that the slurry has good properties such as wide application range of temperature， slight expansion， good settling stability， high compressive strength and good rheological property. In the foundation pit construction， the cement slurry is introduced into the foundation pit construction used as the grouting material for the anchor cable. The average construction time of each cable is shortened from 7～10 days to 4～5 days， meeting the practical needs of the project. The application of grouting agent has a reference for the design and construction of other similar projects. This paper introduces the product characteristics， application background， construction technology， field test， quality control points and benefit analysis of grouting agent. It is proved that the application of grouting agent can ensure the safety of foundation pit and accelerate the construction rate and comprehensive benefit.

关键词：管道压浆剂；基坑支护；应用

Key words： pipeline grouting agent；foundation pit support；application

中图分类号：TV221.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）10-0108-04

0 引言

作為有效解决城市基础设施建设矛盾的新模式，城市综合管廊建设备受关注。城市市政公用管线是城市正常运行的生命线。随着城市建设的开展，城市基础设施网络化官网体系建设中遇到的问题随之而来，如因管线增容、扩容和维修而反复开挖“拉链路”，严重影响市民交通和安全；架空管线、空中蜘蛛网影响城市市容，且带来很大安全隐患；地下管线安全事故频发，仅媒体报道的地下管线事故平均每天高达5、6起，每年由于路面开挖造成的直接经济损失高达2000亿元。在这种背景下，综合管廊作为有效解决城市基础设施建设矛盾的新模式，逐步得到认可和推广。

管廊的开挖需要安全可靠的支护，基于国内外大量而广泛的锚杆支护技术的应用于研究，锚杆支护的优越性越来越得到认可。锚杆支护当成岩土基础加固的一个主要类型，因为它拥有健康、绿色、环保等好处，在世界岩土加固方面收到了越来越高的待遇。上世纪70年代年，欧洲北威尔士的矿区井下巩固规模中首次运用金属支护岩石之后，上世纪90年代美国的产业里也存在了类似的加固行动。二十世纪中期，在西方发达国家在矿区井下锚杆支护运用赢得广泛好评。

现在，在澳洲以及美国的井底支护里，锚杆支护手段已然运用程度达到了百分之百。我国于1950年左右运用该项工程进行防护，到70年代初还处于雏鸟时期，到了70年代末期才开始主要运用，而后开始向发达国家效仿锚杆支护手段后运用到企业矿井里，20世纪末期又向其他国家效仿运用整体革新的锚杆支护工程，现在已拥有较广泛的支持与称赞。在一部分行业井下的锚杆支护程度依然达到百分之九十往上，一部分煤业已经达到了百分之百，获得了较好的称赞和安全。大陆目前拥有锲缝、倒楔锚杆、金属丝以及金属砂浆锚杆、木质锚杆、竹锚杆、内涨锚杆、管缝锚杆、树脂锚杆、预应力注浆大锚索等十几种方式。

1 工程概况

北京城市副中心行政办公区启动区综合管廊工程（三标段），位于北京市通州区潞城镇政通东路，主管廊全长816m。基坑采用围护桩+锚索支护形式，钻孔灌注桩直径 800mm，间距1.5m，锚索水平布置采用一桩一锚形式，竖向间距为2.4m。下沉节点部位基坑宽55m，采用4道锚索；标准段宽18m，深度为9-12m。施工场区内表层为杂填土，地面4.5m以下为新近沉积层，主要是粉砂。

行政办公区启动区综合管廊工程包括政通西路、勤政西路、勤政东路、政通东路、宋梁路、规划一路、政通北街、勤政街、勤政东街共9条道路下的综合管廊；干线管廊总长约9.8公里，共分七个标段，本工程为第三标段。

2 锚索成孔注浆的施工过程

2.1 定义与原理

①预应力锚索：将较薄弱的岩石以及平台面打洞穿过，将一测固定在比较强的岩石里（内锚头），之后在其他部分自由头（外锚头）进行张拉，对岩石强化压力对稳定性较差的岩体实施加牢，这种方法称预应力锚索，简称锚索。

②预应力工作原理：此类方式是一个将钢绞线埋进石层里的推行预应力的实施模式，并将煤层部分的巩固传导到较厚巩固岩层的重要支护手段。锚索进行加固后，它浓缩的力度将45度承受力进一步传输到支护加固层中，在预应力手段里，围岩出现减少，但是石层将锚索的弹力集中下变为“承载拱”，强化了石层的综合支护能力，提升其水平，而且加强岩层的稳定水平。此类支护可以将结构物以及石层衔接到一块随机影响，可以将石层级变为更强的受力结构，帮助表面层级的巩固，并将层级以及共同活动的围岩媒介结合为共同体，进行进一步加固的煤可以更好地承受负荷出现的综合承载力，并且一部分力的传到层级也比没有经锚固稳定的影响强的多。

上述加固模式通常分为随机可控形单眼多支护防腐型强化力以及一般预应力锚索等几类。此类锚索的运用往往分为加固预备、打洞、锚索形成以及配置、锚墩浇筑（实行锚索加固）、注浆、张拉锁定或封锚等多种操作。

2.2 预应力锚索的特点及应用场合

①特点：预应力锚索支护一般分为自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索（对穿预应力锚索）和普通预应力锚索两种。普通预应力锚索又分为拉力型、压力型、拉压复合型锚索，锚索数量不一。

②应用场合：预应力锚索一般用于深基坑支护中的桩锚结构，与刚性桩结合使用。也经常用于隧道、地下综合管廊、地铁侧壁支护，以及特殊山体护坡中，锚索数量不一，同时也要根据基坑支护工程的勘查报告来确定施工设备与施工工艺，必须严格根据设计进行施工。

3 预应力锚索施工工艺解析

施工工艺流程及操作要点：

施工工艺流程图见图1。

施工操作要点：锚索施工前应完成材料、现场试验、施工设备、测量放线及其它等一系列的施工准备。

3.1 材料

預应力锚索通常实施的钢绞线执行承载力（1860MPa）稳定型较强没有衔接的金属线，它的水平间断应适应GB/T5224-1995以及ASTMA416-98的能力范畴。该种金属丝在传达中必须规避耗费。而且预应力形锚索所实施的没有浇筑锌的金属丝必须运用防腐手段。各个面所说的工具均应有产出标准证书以及合格证明，必须由管理者核算合格后进行运用。所有预应力金属丝都必须有材质部分的质量保证，供应商必须根据管理者的要求GB/T5224-1995的制度，将此类金属丝抽样实施压力承载核算，且必须把核算结果报送到管理者。传达以及储备：在传达过程里避免磨损或日晒、水淹以及化学性破坏干扰。储备期间应叠层配置。单一形打洞多锚头防腐型预应力支护效用标准是：极限拉应力大于等于62kN期间，其具体水平必须和GB/T14370-2000的标准（就是锚固额度ha≥0.95，总应变εapv≥2.8%）相适应，且拥有较强的防腐效用。

水泥施工额值通常高于P.O42.5的一般性硅酸盐类水泥；别种添加剂或是凝固剂必须与施工进程规定相适应，且不得存在对锚索出现破损影响的要素。

3.2 现场试验

锚索相关工作的进行需要依据《规范》SL46-94、DL/T5083-2004的规范开展实际检验，核查有关技术精确性与实验张拉锁定后应力衰变规律，给出超张拉、补偿张拉依据，用以切实符合情况。由正确的实验加上相关工作规范，给张拉设备、仪器实施相应率定，交与监理者检核；依照相关人员引导，对那些效果突出的锚索予以准确实验；将无误的成果上交相关部门审批。

3.3 施工设备

需提前一个月，给相关责任人提供出具备锚固张拉的机器、仪器设备和锚固程序措施的相关工作工艺报告文件，交于相关责任人检核。张拉相关的仪器设备实施规范准则，交由相关责任人检核，且依据标定结果正确实施。

3.4 测量放线

需要使用（拓普康）NET-G3A测量型GPS作导线控制网，由专业水平高的相关测量工程师来进行控制测量。按相关图纸，以GPS设备实施施工测量的放样工作，且需要能力较强的相关技术人员实施，所使用的相关设备应该依照国家规范使用。相关工作事宜需在明了孔位和方向线后，以红油漆于实际地点做出正确喷涂，且对相关工作人员做好相关交底事宜。

3.5 其它

需要向监理人报交正确的预应力锚索安装与制作的相关有效安全规范；建立符合相关工作需要，正确合理的施工排架。排架应安全稳固，由相关单位检核后才能进行使用。

①钻孔：实施相关工作应规范，钻孔设备就位，测量仪测定钻进方向角。端头锚的孔斜误差不大于孔深的2%，对穿锚不得大于1%，且锚索孔开孔偏差限定10cm以内，有相关图纸与厂家产品说明所钻孔的孔径不得小于二者的规定。

②锚索加工：需要于存在防雨设备的加工厂制作相关锚索。依据正确孔深对张拉与设计规范的限度实施下料。进行相关工作时应严格执行有关标准，详细排除钢绞线质量问题。锚索里钢绞线于隔离架中的孔位应正确的和锚索捆扎对应，要实施有效的方式杜绝相关设备生锈，预防锚索在运输途中被损坏。

③注浆配合比：应严格按照相关规定做出符合正确的锚索砂浆配比，在以纯水泥灌注的情况下，需要选择0.4～0.5的水灰比。应正确的一次制作出无粘结锚索的锚固段与自由段。灌浆压力在锚固段应为0.3MPa～0.5MPa，需在0.5MPa的压力下给排气管回浓浆后闭浆，此过程应不超过半小时。限定自由段灌浆压力大于等于0.8MPa。

④张拉锁定：第一就是实施实验束张拉，以两个不同环节分开单股预紧与整束分级张拉，张拉不同环节正确运行时段，都有测量钢绞线的回缩和伸长数据，如所测数据和正确结果存在超过10%或小于5%的误差，则立即停下檢查，直至发现问题所在则继续进行。部分存在补张拉的锚索需于张拉7d之后实施。相关张拉仪器器械需要严格按照相关规范，间隔时间限于半年。未正确实施标准或装机严重的仪器设备，只有再次标定方可使用。

⑤锚头保护：张拉完毕，把相关设备里钢绞线按规定用切割片割除大于50cm的，过程必须正确，切忌发出高温，进而使设备夹片处零件应力坏损，应加油和水解决问题。

4 压浆剂提升浆料强度速率试验研究

压浆料各组分分析及其优越性：

4.1 压浆剂性能

压浆剂具有微膨胀、无收缩、大流动、自密实、极地泌水率、充盈度高、气囊沫层薄直径小、强度高、防锈阻锈、低碱无氧、粘接度高、绿色环保的优良性能。

不含氧化物、氯化物、亚硫酸盐和亚硝酸盐等，对钢筋有害组份，由高性能塑化剂，表面活性剂，硅钙微膨胀剂，水化热抑制剂，迁移型阻锈剂，纳米级矿物硅铝钙铁粉，稳定剂精制而成的压浆剂或与低碱地热硅酸盐水泥等精制复合而成的压浆料。

4.2 水泥成分简单分析

水泥的主要成分有：碳酸钙（CaCO3）、二氧化硅（SiO2）、三氧化二铝（Al2O3）、三氧化二铁（Fe2O3）。

水泥水化反应公式

硅酸盐水泥拌合水后，四种主要熟料矿物与水反应。分述如下：

①硅酸三钙水化。

硅酸三钙在常温下的水化反应生成水化硅酸钙（C-S-H凝胶）和氢氧化钙。

3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+（3-x）Ca（OH）2

②硅酸二钙的水化。

β-C2S的水化与C3S相似，只不过水化速度慢而已。

2CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+（2-x）Ca（OH）2

所形成的水化硅酸钙在C/S和形貌方面与C3S水化生成的没有差异，只是它会产生相对粗大的结晶体，CH生成量不及C3S，我们也将其称为C-S-H凝胶。

③铝酸三钙水化反应。

铝酸三钙在水化过程中会快速放热，在温度和浓度不同的液相CaO中最先生成水化铝酸钙，随着水化过程的进行，这种生成物会逐步转化成水石榴石（C3AH6）。

在石膏的参与下，C3A水化的最终产物与起石膏添加量有密切的联系。最初生成三硫型水化硫铝酸钙就是我们通常所说的钙矾石AFt。如果C3A完全水化前石膏早已消耗殆尽，那么钙矾石就会和C3A相互反应转化成单硫型水化硫铝酸钙（AFm）。

④铁相固溶体的水化。

水泥熟料中铁相固溶体通常用C4AF表示。这种物质的水化作用和C3A有类似之处。它在水化过程中的速率稍稍落后于C3A，就算令其独自水化最终都不会快凝。

4.3 灌浆料优越性能体现

根据上述可看出，水泥在水化反应后生成大量碱性物质，而锚索在这种高碱性溶液中，由于在初始的电化学腐蚀作用下，会形成一层非常密实的膜，这层膜会牢牢吸附在锚索表面，从电化动力学来看，活态变钝态，这层膜就是保护锚索的钝化膜。而压浆剂是种不含氧化物、氯化物、亚硫酸盐和亚硝酸盐等与碱性物质起反应的粉态物质，并且其低碱无氧，对锚索的防锈蚀起到很好的作用。

传统的注浆料是采用水胶比0.45～0.55的水泥浆进行压浆，不但浆体强度缓慢，而且其浆体的充盈度和流动度都不好，在施工过程中容易造成堵管，影响施工进度，水泥浆容易下沉，会出现注浆孔中形成半空状态，这样对基坑的支护安全造成很大隐患。而压浆剂具有微膨胀、无收缩、大流动、充盈度高、强度高的性能，能够和锚索充分的接触，流动性好不会出现堵管现象，大大提高了工作效率，良好的充盈度使孔内浆体饱满，基本无收缩锚固段充实，对改良浆体性能起到很好作用。

水泥浆在拌和生产过程中，会产生水化热，而水泥水化反应是一种放热反应。水泥水化放热的周期很长，但大部分热量是在3天内放出来的，尤其是在水泥浆发生凝结、硬化的初期放出。大多数情况下，硬化水泥浆体和混凝土的早期体积变形，主要源于水泥的水化热升温。而在水泥水化热高峰时期，灌浆料便会产生开裂现象，虽然二次注浆可补偿，但浆体的密实度远不如之前。这个问题，压浆剂中含有水化热抑制剂，可以缓解其水化反应，在早期浆体强度上升的过程抑制其水化热的发生，再加上良好的流动性，压浆剂正好可以达到这种效果，使其浆体密实效果达到最佳，结合强度的提升很好的解决了此问题。

5 灌浆料配合比设计研究

5.1 不同水灰比水泥浆配比研究

原材料与试验

水泥采用普通硅酸盐42.5水泥，经过第三方检测：比表面积404m2/kg，标准稠度用水量28.6，初凝时间255min，终凝时间325min，用饼法测定水泥安定性合格，3d抗折强度6.8MPa，28d抗折强度10.2MPa，3d抗压强度21.8MPa，28d抗压强度44.6MPa。依据GB175-2007《通用硅酸盐水泥》标准，符合P.O42.5水泥的要求。试验用水采用符合饮用水标准的自来水。

因现场实际工期需要，只针对3d和7d进行对比，以此来确定锚索张拉锁定时间。由现场试验可看出，不论标准养护还是同条件养护条件，3d均达不到设计要求张拉强度，7d可达到15MPa以上。

得到结论：水泥浆作为灌浆料达到张拉要求需至少7d以上，根据现场工期要求，时间较长。

5.2 压浆剂不同掺量的配比分析

原材料及试验

水泥亦采用普通硅酸盐42.5水泥，各项检测均符合GB175-2007《通用硅酸盐水泥》标准要求，拌和用水采用符合饮用水标准的自来水，压浆剂采用ANG管道压浆剂，该产品属于浓缩型产品，按照外掺10%～15%的比例与现场所使用的水泥混合均匀后，按0.3～0.35的水料比加水搅拌，其主要适用于预应力后张孔道灌浆，建筑物基坑护坡锚杆孔道灌浆，混凝土浇筑空洞灌浆，盾构结构后灌浆，隧道开挖加固灌浆等。

压浆剂进场后对其进行检测：初凝时间395min，终凝时间440min，出机流动度22s，30min流动度29s，7d抗折强度8.8MPa，28d抗折强度10.9MPa，7d抗压强度42.4MPa，28d抗压强度52.2MPa。从试验结果可以看出，压浆剂早期抗压强度很高，因此将其按照比例掺入水泥浆完全可以提高早期强度，符合施工进度要求。现对压浆剂掺入量定为10%，采用水灰比0.30～0.35对同条件养护情况下不同龄期试块强度进行分析，通过试验可以看出：掺入压浆剂后，在不同的水料比下早期强度非常高，完全满足张拉要求。

根据现场操作观察，采用水泥：压浆剂：水=0.9：0.1：0.33的配合比进行现场施工，经过观察，浆料流动度好，充盈度良好，未出现离析、泌水等现象，完全满足施工及工期需要。

6 小结

通过锚索早强灌浆料施工技术的应用，证明早强灌浆料性能稳定，缩短围护结构及土方开挖工程的时间，为主体结构施工提供条件，提前具备下一步工作条件，减少了占道施工的时间，为相关单位合理安排下一步工作奠定基础。早强灌浆料目前还没有广泛应用，原因之一是其单价明显高于常规的纯水泥浆或砂浆，但在适当的环境中使用能够取得显著综合经济效益和社会效益显著。