葉帥華，吳映坤，黃安平

（蘭州理工大學 西部土木工程防災減災教育部工程研究中心/蘭州理工大學 甘肅省土木工程防災減災重點實驗室，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

隨著城市化進程的加快，城市可用于開發(fā)的土地面積越來越少，因而對于地下空間的開發(fā)愈來愈熱，隨之產(chǎn)生的深基坑數(shù)量眾多。錨索作為一種柔性支護結(jié)構(gòu)，能夠很好的控制深基坑的變形，提高基坑的穩(wěn)定性，所以很多建筑基坑采用錨索支護結(jié)構(gòu)[1-2]。傳統(tǒng)錨索支護的基坑，當基坑回填后，錨索被當成建筑垃圾常埋于地下，造成地下空間的污染，嚴重影響公共設(shè)施以及周圍建筑物的修建，尤其影響城市地鐵和地下商場的建設(shè)。為了滿足城市發(fā)展要求，不得不拆除這些埋于地下的普通錨索，但拆除這些普通錨索將花費巨大的人力和財力，因此研發(fā)可回收錨索非常必要。在國外一些發(fā)達國家，例如美國、德國、奧地利、英國、日本等國家的一些市政當局都要求工程完工后，拆除預埋在地下的錨索[3]。在國內(nèi)深圳等城市建筑基坑也成功應(yīng)用了可回收錨索，取得了不錯的經(jīng)濟效益。若把傳統(tǒng)錨索支護換成可回收錨索支護，會減少建設(shè)成本、節(jié)約資源、減少污染[4]。

目前國內(nèi)研發(fā)的可回收錨索種類眾多，郭彥朋等[5]和張鑫鑫等[6]以文獻綜述的形式介紹了幾種國內(nèi)外研發(fā)的可回收錨索，張浩宇等[7]也介紹了幾種常見的可回收錨索的工作原理，另外，還有兩種國外比較特殊的可回收錨索[8-9]。但絕大多數(shù)可回收錨索適用于軟土地區(qū)的建筑基坑[10-12]，很少用于西北黃土地區(qū)的卵石基坑。在卵石基坑中施工錨索需采用跟管鉆進的施工工藝，因此，可回收錨索的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須要滿足該施工工藝的要求，此外，卵石地層中的錨索孔道較易塌孔，對于可回收錨索的PE塑料管要求較高。

為解決西北黃土地區(qū)常見的卵石基坑中錨索回收的技術(shù)問題，在大量試驗的基礎(chǔ)上，筆者研發(fā)了擠壓錨式可回收錨索[13]。通過在蘭州市某卵石地層深基坑中的試驗，證實了該擠壓錨式可回收錨索能滿足卵石層基坑中的使用要求且能成功回收鋼絞線。本文結(jié)合擠壓錨式可回收錨索在卵石基坑的試驗及長期自動化監(jiān)測結(jié)果，對該技術(shù)進行分析和總結(jié)，可為西北黃土地區(qū)綠色建筑的發(fā)展及城市地鐵建設(shè)提供依據(jù)。

1 擠壓錨式可回收預應(yīng)力錨索

1.1 可回收錨索結(jié)構(gòu)

擠壓錨式可回收錨索屬于壓力型可回收錨索，其結(jié)構(gòu)是由普通鋼絞線、PE塑料管、承載板、擠壓錨、絲錐套、保護套、限位器、螺旋筋等構(gòu)件組成。其中的絲錐套是由高強螺桿加工而成，具有較高的強度及硬度，鋼絞線包裹絲錐套、擠壓錨在擠壓機的作用下壓緊鋼絞線。該結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)鋼絞線、錨具和夾片的回收重復使用，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 擠壓錨式可回收錨索結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure diagram of jacked removable anchor cable

擠壓錨式可回收錨索可根據(jù)地層條件的不同，調(diào)整其承載板的個數(shù)及組裝的前后位置，實現(xiàn)壓力集中型可回收錨索和壓力分散型可回收錨索的轉(zhuǎn)換，使其能夠滿足多種地層條件的使用要求，增強其適應(yīng)性。通過了解和分析目前已研發(fā)的各種可回收錨索結(jié)構(gòu)[5-7]，可以看出，絕大多數(shù)現(xiàn)有的機械式可回收錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計復雜，主要結(jié)構(gòu)采用價格較高的異形夾具，且該夾具的可靠性有待商榷，此外，多數(shù)化學式可回收錨索需外接電源，依靠電源實現(xiàn)鋼絞線的解鎖，該方式無疑增加使用成本，對地下環(huán)境造成一定程度的污染。相比而言，擠壓錨式可回收錨索具有結(jié)構(gòu)簡單、錨固力高、安全性高、回收率高、操作方便、造價低等特點。

1.2 工作原理

普通錨索一般分為自由段和錨固段，自由段用來傳遞土壓力，而錨固段則依靠其與周圍穩(wěn)定地層之間的錨固力（即抗拔力）抵抗土壓力，以維護支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

對于擠壓錨式可回收錨索而言，錨索全長都為自由段，當基坑開挖至錨索設(shè)計標高以下 0.5 m處，在相應(yīng)位置打孔、穿索、注漿及養(yǎng)護后，逆時針旋轉(zhuǎn)鋼絞線，使擠壓錨接觸承載板，張拉鋼絞線，使承載板受壓，并將壓力傳遞給周圍注漿體，壓力再通過注漿體以剪應(yīng)力的形式傳遞給周圍的巖土體中[14]。

1.3 回收原理

不可回收錨索即普通預應(yīng)力錨索，在設(shè)計和施工時，一般不考慮錨索的拆除，這會對后期周圍建筑和地鐵的施工帶來很大的影響，但拆除這些普通錨索的技術(shù)難度很大、成本很高。

對于擠壓錨式可回收錨索，當建筑物主體竣工驗收后，需要回填基坑時，進行錨索回收作業(yè)。若基坑較深，沿豎向設(shè)置多排可回收錨索時，按照和基坑開挖支護工況相反的順序，回填一層，回收一排，直至拆除基坑最上一排可回收錨索。

具體的回收流程是，先回收工作錨和夾片，之后有兩種回收鋼絞線的方法可供選擇。第一種方法是：順時針旋轉(zhuǎn)鋼絞線，讓擠壓錨向里移動直至和限位器接觸，使擠壓錨和承載板空出2～3 cm距離，之后利用單根張拉千斤頂向外拉動鋼絞線使絲錐套從鋼絞線中拔出，接著繼續(xù)張拉鋼絞線使鋼絞線脫離擠壓錨，最后通過人力將鋼絞線從PE塑料管中拉出，完成鋼絞線的回收。第二種方法是：用小型千斤頂先將鋼絞線最中間的直鋼絲從擠壓錨中拔出，之后再繼續(xù)張拉鋼絞線，使鋼絞線剩下的6根鋼絲從擠壓錨中拔出，最后人工將鋼絞線從塑料管中拉出來，就完成了鋼絞線的回收。在回收作業(yè)時，通常采用第一種方法，若第一種方法失效，便采用第二種方法，本次試驗采用第一種回收鋼絞線的方法。

2 試驗方案

2.1 試驗場地

該試驗場地位于蘭州市安寧區(qū)安寧西路南側(cè)，建寧西路北側(cè)，棗林路西側(cè)，街坊路東側(cè)?；訄龅啬媳遍L約240 m，東西寬約130 m?；由疃葹?4.8～15.8 m，基坑安全等級為1級，采用樁錨支護結(jié)構(gòu)，樁徑900 mm，預應(yīng)力錨索采用無水跟管鉆進方式成孔，成孔直徑為150 mm，錨索傾角為15°。

2.2 地質(zhì)水文條件

根據(jù)該項目巖土工程勘察報告，場地內(nèi)地層如下：①雜填土層：厚度0.40～5.00 m。②黃土狀粉土層：埋深0.50～5.00 m，厚度1.00～6.00 m。③卵石層：埋深3.30～6.80 m，勘察厚度16.20～27.10 m（未穿透）。地下水位埋深14.8～17.5 m。各土層力學參數(shù)見表1。本次擠壓錨式可回收預應(yīng)力錨索試驗在卵石地層中進行。

表1 土層參數(shù)Table 1 Parameters of soil

2.3 擠壓錨式可回收錨索參數(shù)

本次試驗選在基坑北側(cè)中部，在距坑頂13.5 m位置沿水平方向設(shè)置6個錨索試驗孔，試驗孔單獨成孔，位于工程錨索孔的旁邊，如圖2所示。其中1號、2號為采用兩次注漿的擠壓錨式可回收錨索，3號、4號為采用一次注漿的擠壓錨式可回收錨索，5號、6號為傳統(tǒng)錨索。6孔錨索均采用 19 m長3S×15.2鋼絞線，錨索設(shè)計鎖定值為230 kN。

圖2 現(xiàn)場試驗Fig. 2 Field test

對于1號、2號、3號、4號擠壓錨式可回收錨索，整根鋼絞線均套PE塑料管。對于5號、6號不可回收錨索，自由段套塑料波紋管，自由段與錨固段相接部位用防水膠帶封住波紋管口，防止水泥漿進入自由段。

2.4 試驗設(shè)備

本次擠壓錨式可回收錨索試驗采用的設(shè)備有：擠壓機、履帶式跟管鉆機、拔管機、泥漿泵、500 kN穿心千斤頂、250 kN單根張拉千斤頂。

2.5 試驗目的

進行本次擠壓錨式可回收錨索在卵石基坑的試驗有以下幾點目的：

（1）通過現(xiàn)場試驗來驗證研發(fā)的擠壓錨式可回收錨索結(jié)構(gòu)的合理性；

（2）通過試驗總結(jié)出擠壓錨式可回收錨索在卵石地層基坑中的施工工藝；

（3）通過試驗確定擠壓錨式可回收錨索在卵石地層基坑中的張拉數(shù)據(jù)及一次和二次注漿對數(shù)據(jù)的影響；

（4）通過自動化監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測擠壓錨式可回收錨索的預應(yīng)力損失情況。

2.6 試驗流程

（1）可回收錨索成孔

可回收預應(yīng)力錨索采用與普通錨索相同的機械成孔，錨孔傾斜角為水平向12°～20°，錨孔成孔直徑為150 mm。因為地層為卵石層，所以錨孔成孔需采用無水根管鉆進施工工藝以防孔內(nèi)坍塌，如圖3（a）所示?？紤]到沉渣的影響，為確保錨索深度，實際鉆孔孔深要大于設(shè)計深度0.50 m。錨孔成孔后必須進行清理孔內(nèi)的沉渣，力求清理干凈。

圖3 可回收錨索試驗流程Fig. 3 Test procedures of removable anchor cable

（2）可回收錨索組裝和安裝

擠壓錨式可回收錨索需在錨孔成孔前組裝完畢，如圖3（b）所示，要求擠壓錨式可回收錨索桿體平直，并嚴格按錨索設(shè)計長度尺寸下料。擠壓錨式可回收錨索放入鉆管前盡可能對管內(nèi)的沉渣清理干凈。擠壓錨式可回收錨索連同注漿管放入鉆管中應(yīng)沿鉆管中心線放入，且注漿管長度和鋼絞線長度一樣長，如圖3（c）所示，而普通錨索無需單獨安裝注漿管。安裝完擠壓錨式可回收錨索后，要及時從卵石層中拔出鉆管，如圖3（d）所示，拔鉆管時要防止擠壓錨式可回收錨索被帶出和PE塑料管被鉆管磨破。

（3）可回收錨索注漿

可回收錨索注漿工藝和普通錨索相同，注漿體應(yīng)嚴格按照設(shè)計要求水灰比為0.50進行配置，水泥選用42.5等級的水泥，等級強度M20，不得隨意變動。注漿時，一次注漿壓力需要達到0.60 MPa，穩(wěn)壓2 min，且直到漿液從孔口溢出為止，否則應(yīng)進行補漿。需要進行二次注漿時，注漿壓力需要大于1.0 MPa以上，最后進行孔口補漿，如圖3（e）所示。注漿后，在漿體強度未達到設(shè)計要求前，錨索不得受到干擾。

（4）可回收錨索張拉

當注漿體強度達到設(shè)計強度的85%后，進行張拉鎖定。錨索張拉前安裝好6個500 kN的振弦式錨索測力計及智能采集站，用于長期監(jiān)測錨索軸力變化，如圖3（g）所示。錨索張拉作業(yè)所采用的千斤頂需提前標定好，正式張拉前先對3根鋼絞線同時進行1～2次預張拉，張拉等級為0.1倍的設(shè)計拉力值。正式張拉采用分級張拉和超張拉，張拉分級系數(shù)為0.25、0.50、0.75、1.0、1.10，每級持荷時間為 2～5 min，最后一級超張拉持荷時間為 10～20 min，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，鎖定鋼絞線，如圖3（f）所示。張拉鎖定后若發(fā)現(xiàn)鎖定值不滿足設(shè)計要求，還需補張拉，直至鎖定值滿足要求[15]。最后將外露鋼絞線全部套PE塑料管，防止銹蝕，且外露鋼絞線在回收前不能切斷，一方面是為了后期回收錨索作業(yè)的方便，另一方面，在基坑服役期間監(jiān)測發(fā)現(xiàn)錨索軸力損失嚴重，需重新對錨索進行補張拉。

（5）可回收錨索回收

回收錨索作業(yè)流程是先回收工作錨及夾片，然后順時針旋轉(zhuǎn)鋼絞線，直至不能旋轉(zhuǎn)，之后采用單根張拉千斤頂，逐根解鎖鋼絞線，最后人工將鋼絞線從塑料管中回收出來，如圖3（h）所示?；厥蘸蟮匿摻g線放置在干燥的倉庫，經(jīng)檢測單位檢測達標后，方可重復使用。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 張拉值與位移值關(guān)系

擠壓錨式可回收錨索在張拉作業(yè)時按照設(shè)計圖紙及施工規(guī)范要求進行分級張拉，張拉值按照1.1倍鎖定值超張拉。6組錨索在張拉過程中張拉值與錨索伸長量關(guān)系如圖4所示。

圖4 張拉值與錨索伸長量關(guān)系Fig. 4 Relationship between tension value and cable elongation

由圖4可知，6束錨索的變形均在彈性變形范圍內(nèi)，其中 1～4號擠壓錨式可回收錨索在分級張拉時，錨索的伸長量基本相同。當張拉值基本相同時，擠壓錨式可回收錨索的伸長量大致是普通錨索的兩倍。主要原因是：1～4號擠壓錨式可回收錨索全長18 m，鋼絞線都是自由段，而5號和6號普通錨索只有8 m鋼絞線是自由段，從錨索張拉時理論伸長量方面考慮，張拉值相同時，錨索自由段越長，伸長量越大[16]。

3.2 補張拉數(shù)據(jù)分析

本試驗中 1～6號錨索都安裝了振弦式錨索測力計，且智能采集箱能時刻傳輸 1～6號錨索的軸力值。張拉完成后通過智能采集箱讀取數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，按照1.1倍的設(shè)計鎖定值超張拉鎖定后，錨索的實際軸力值達不到設(shè)計要求的230 kN，故對1～6號錨索進行補張拉作業(yè)，補張拉數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 錨索補張拉數(shù)據(jù)Table 2 Anchor cable tensioning data

從補張拉數(shù)據(jù)看出，數(shù)據(jù)存在差異性，主要表現(xiàn)在相同的油泵張拉值鎖定后，對于可回收錨索，一次注漿錨索軸力損失值小于二次注漿的錨索軸力損失值，可能是由兩方面的原因造成，一方面是：1號和2號錨索的錨孔坍塌量大于3號和4號錨索的錨孔坍塌量，導致1號和2號錨索的注漿體不完整；另一方面是：1號和2號錨索桿體比3號和4號錨索桿體多一根注漿管，注漿管會占用錨孔的一定體積，導致1號和2號錨索的有效注漿體體積比3號和4號錨索的少，進而導致1號和2號錨索注漿體的直徑減少，從而使錨索的極限抗拔承載力降低。因此，對于卵石地層，一次注漿可完全滿足錨索設(shè)計要求。

此外，擠壓錨式可回收錨索在卵石地層中，若按照 1.6倍設(shè)計鎖定值張拉可滿足錨索設(shè)計鎖定值，這個數(shù)據(jù)可以為后續(xù)在卵石地層中使用擠壓錨式可回收錨索提供指導意見。另外也說明了在卵石地層錨索張拉鎖定中，普通不可回收錨索的張拉損失值大于擠壓錨式可回收錨索的張拉損失值，主要原因是擠壓錨式可回收錨索的自由段比普通錨索的自由段長[17]。

3.3 長期監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

1～6號錨索補張拉后，利用智能采集箱遠程監(jiān)測錨索軸力數(shù)據(jù)變化，監(jiān)測時間為：2020年1月14日—2020年3月20日，共計67 d。由于蘭州市冬季停工和新型冠狀病毒引發(fā)的肺炎疫情影響，導致節(jié)后復工時間有所推遲，試驗場地沒有施工，且基坑深度也沒有增加，所以采集的錨索軸力數(shù)據(jù)無人為干擾因素。

（1）錨索軸力在24 h之內(nèi)的變化分析

由于振弦式錨索測力計不會因為溫度的變化而發(fā)生參數(shù)變化，所以溫度變化對錨索計無影響，只可能對錨索軸力有影響。在2020年2月10日，通過智能采集基站網(wǎng)絡(luò)平臺，每隔2 h采集一次錨索軸力值，氣溫按照錨索軸力采集時間做相應(yīng)記錄。1～6號錨索軸力與起始時刻（0:30）的差值變化和現(xiàn)場溫度在24 h內(nèi)變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 24 h內(nèi)錨索軸力與初始時刻的差值變化Fig. 5 Difference between axial force of the anchor cable and the initial value in 24 hours

（2）錨索軸力損失分析

1～6號錨索補張拉完成后開始對其錨索軸力進行長時間監(jiān)測，所采集的錨索軸力值均來自于每天中午 12點左右智能采集設(shè)備所儲存的數(shù)據(jù)。錨索軸力損失累計量隨時間的變化關(guān)系如圖6所示。

圖6 錨索軸力累計損失隨時間變化關(guān)系Fig. 6 Accumulated loss in axial force of anchor cable with time

由圖5可以看出：1～6號錨索軸力在24 h內(nèi)是連續(xù)變化的，且與溫度變化有關(guān)系。錨索軸力差值的峰值出現(xiàn)在當天氣溫最高時。當氣溫≤0 ℃時，錨索軸力差值均小于 0，且隨時間推移而減??；當氣溫＞0 ℃，升溫至最高溫度時，錨索軸力差值均大于 0，且隨時間推移而增加；錨索軸力在負溫時的變化率小于正溫時的變化率，說明錨索軸力對升溫更敏感；在氣溫變化相同時，5號和6號普通不可回收錨索軸力變化值及變化趨勢比 1～4號擠壓錨式可回收錨索的變化值和變化趨勢更大，說明普通不可回收錨索軸力相比于擠壓錨式可回收錨索對溫度變化更敏感，原因是普通不可回收錨索的自由段長度短于擠壓錨式可回收錨索的。

（2）錨索軸力損失分析

1～6號錨索補張拉完成后開始對其錨索軸力進行長時間監(jiān)測，所采集的錨索軸力值均來自于每天中午 12點左右智能采集設(shè)備所儲存的數(shù)據(jù)。錨索軸力損失累計量隨時間的變化關(guān)系如圖6所示。

從圖6中可以看出：1～6號錨索軸力累計損失值隨時間連續(xù)變化，其中2號、5號和6號錨索軸力累計損失值呈現(xiàn)上升趨勢，剩余3束擠壓錨式可回收錨索軸力累計損失值呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，說明2號、5號和6號錨索的軸力值不斷降低，而1號、3號和4號錨索的軸力值先減小后增大。2號可回收預應(yīng)力錨索的軸力累計損失值變化規(guī)律和其他 3束可回收錨索的變化趨勢相差較大，主要原因是 2號錨索在張拉作業(yè)時發(fā)生了誤操作，使一根鋼絞線提前被解鎖，2號錨索在工作期間實際只有兩根鋼絞線起作用，最終導致2號錨索的軸力累計損失值相對較大。整體而言，錨索軸力主要的損失發(fā)生在補張拉之后的頭幾天[18-19]，擠壓錨式可回收預應(yīng)力錨索軸力累計損失值小于普通錨索軸力累計損失值，且1號擠壓錨式可回收錨索軸力損失經(jīng)長時間變化后基本消失。從最后一天的軸力累計損失值可以看出，6束錨索的軸力累計損失值不大，能滿足基坑穩(wěn)定性要求。

3.4 回收數(shù)據(jù)分析

本次試驗的1～4號可回收錨索均由3根鋼絞線組成，編號為：①、②、③。參與試驗的12根鋼絞線均成功回收出來，回收率為100%，且每根鋼絞線的總回收時間為15 min左右，回收效率較高。除此之外，解鎖每根鋼絞線所需的力也較小，約為40 kN，如表3所示。

表3 錨索回收所需解鎖力Table 3 Required releasing force for removable anchor cable kN

回收后的鋼絞線表面無任何銹跡、無卷曲變形，后期在質(zhì)量檢驗合格的情況下，結(jié)合回收的錨具和夾片可重復使用，回收后的錨具及鋼絞線如圖7所示。

圖7 回收的錨具及鋼絞線Fig. 7 Removable anchors and strands

4 結(jié) 論

采用現(xiàn)場試驗的方法，分析了擠壓錨式可回收錨索的拉拔試驗、自動化監(jiān)測錨索數(shù)據(jù)，總結(jié)出該可回收錨索在西北黃土地區(qū)卵石地層中的施工工藝，主要得到以下結(jié)論：

（1）擠壓錨式可回收錨索在卵石基坑中能成功解鎖并回收鋼絞線，驗證了擠壓錨式可回收錨索結(jié)構(gòu)的合理性。該技術(shù)可以應(yīng)用到實際工程中，為西北地區(qū)常見卵石層基坑應(yīng)用可回收錨索提供一定的方案和技術(shù)支持。

（2）在卵石基坑中運用擠壓錨式可回收錨索，在張拉鎖定過程中可以按照1.6倍的設(shè)計鎖定值進行超張拉鎖定。

（3）從錨索補張拉數(shù)據(jù)可以看出，在卵石基坑中運用擠壓錨式可回收錨索，注漿時只需要一次注漿即可滿足要求，無需二次注漿。

（4）由長期自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，補張拉完成后，該擠壓錨式可回收錨索軸力損失小，工作性能好，能滿足基坑設(shè)計和穩(wěn)定性要求。