预应力抗浮锚杆在某地下室工程中的应用
时间：2023-06-11 11:20:16 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
罗良朴 杜忠明 高超 李苍宇 曾礼江
近年来，建筑物地下结构深度增加，地下水浮力问题愈发突出。该问题会引起地下室底板隆起开裂、建筑结构上浮、地下室桩体断裂等风险。预应力抗浮锚杆是地下室建筑常用的抗浮工具，具有布置方法灵活、造价低、对各类地质条件的适应能力强等技术优势，所以被广泛运用在各类地下室项目中。冀智、许宁等人在《预应力抗浮锚杆施工技术创新与应用》[1]中提出应用二次高压注浆、综合防水工艺融合后的新型预应力抗浮锚杆施工方案，促进了预应力抗浮锚杆施工技术的创新。本文以地下室工程项目为依托，针对地下室预应力抗浮锚杆施工中的实际问题，分别从地下室渗水处理、抗浮锚杆拉拔试验入手，对预应力抗浮锚杆施工方法进行创新，明确了提升地下室抗浮锚杆耐久性、抗浮能力的具体方法。
某建筑项目，地下室基础采用筏板基础，筏板局部加厚或设置下柱墩，要求处理后地基承载力特征值不小于160KPa、主楼地基承载力特征值大于220KPa。该项目的地下室工程中，地基开挖后的地质条件为素填土，支护结构设计年限为50年，支护结构工程安全等级为二级。另外，受地下水影响，施工期间的地下水浮力会直接影响地下工程建设质量，引起开裂、地基不稳等质量通病，因此采用抗浮锚杆作为地下室工程的重要结构。凭借抗浮锚杆较强的抗浮能力，该地下室工程顺利完工，整体质量良好。
地下室工程中，根据是否对锚杆杆体施加预应力可将抗浮锚杆分为“非预应力抗浮锚杆”“预应力抗浮锚杆”两种。预应力锚杆的作用原理是将锚杆锚固在地下室各区域，然后对自由段施加预应力，让地下室地层结构、锚固体能够产生摩阻力，使整个锚固结构处于良好的受力状态，以此控制锚头部位的变形量[2]。
应用预应力抗浮锚杆技术时，预应力抗浮锚杆的本质是利用锚杆在地下室内施加荷载。所以在地下室工程建设中，应结合实际情况，科学地计算锚杆需施加的预应力，通常情况下，抗浮锚杆初始预应力取值为锚杆拉力设计值的1倍、0.75倍。地下室工程中，地基以下为红黏土、石灰岩，为有效控制地下室施工中锚杆的位移量，预防地下室地板开裂，可以采用预应力抗浮锚杆有效应对。
3.1 预应力抗浮锚杆施工设计
地下室工程中抗浮锚杆设计为“永久性预应力抗浮锚杆”，锚杆在地下室基础底板下土层结构中的直径、长度分别为180mm、14m（且入石灰岩有效长度不小于2m）。施工期间，锚杆有效长度中应布设1个承载体，每个承载力由预应力螺纹钢张拉，钢绞线规格为1根Φ32（770MPa）预应力螺纹钢。地下室钢筋混凝土底板通过两套配套钢垫板及配套高强螺母与预应力抗浮锚杆连接为整体，确保地下室锚杆的抗浮效果，避免地下水回升对地下室结构产生的破坏力[3]。在此基础上，相关人员还应通过抗浮锚杆拉拔试验，明确地下室工程中锚杆设计承载力，具体设计参数如表1所示。
表1 地下室工程中预应力抗浮锚杆设计参数
3.2 抗浮锚杆拉拔试验
抗浮锚杆拉拔试验是计算地下室锚杆极限承载力的重要手段，相关人员可结合项目的地质条件、技术水平制定试验方案，计算锚杆荷载设计参数，基本思路如下：
（1）选择4根预应力抗浮锚杆作为基坑试验锚杆，所用锚杆设计参数、材料、规格大小应与地下室工程所用的预应力抗浮锚杆保持一致。
（2）按照地下室施工设计方案，施工前做好地质钻机、套管护壁钻机等施工准备，成孔后布设试验锚杆，调整地下室预应力抗浮锚杆施工方案。需要注意的是，锚杆试验需要在地下室土层内锚固段浆液强度符合设计值后进行[4]。
（3）试验过程中，锚杆加力总量为0.8fptk。加载值应符合预应力抗浮锚杆的设计荷载，初始加载值约为0.1Afptk，之后的加载值可调整为1/10～1/15Afptk，直至加载总力超过0.8fptk。试验结束后，详细记录注浆压力、锚杆参数、试验荷载等数据信息，绘制P-S曲线，评估现有施工方案的可靠性。
3.3 施工前准备
在预应力抗浮锚杆施工中，为避免施工期间地下水排出后浸泡基槽、扰动地基土层，相关人员在应用预应力抗浮锚杆时，应在地下室区域布设0.5m左右的土方，将预应力抗浮锚杆施工作业面设置在地下室绝对标高的20～25m处。钻孔所需的设备、材料应集中放置，便于后期运输和存放。各组钻机、泥浆泵需布设在地下室基坑底工作面的不同区域，二次注浆泵应放置在基坑底部。另外，基坑排水是地下室工程应用预应力抗浮锚杆时的重要环节，且钻机的用水量较大，对此，相关人员可在无锚杆区域开挖集水坑、小泥浆池，使用后现场处理即可。
4.1 基本施工方案
地下室工程中预应力抗浮锚杆的施工流程包括：钻机就位→钻孔→锚杆施工→注浆拔管→二次注浆→张拉→封锚等内容。施工人员在放线定位后，应提前清理地下室锚固区域，并在钢绞线放料环节将油污去除，避免影响注浆体的黏结。为确保预应力抗浮锚杆注浆施工质量，施工人员应在注浆浆液强度达到5MPa后，及时进行二次高压注浆，注浆管压力不得小于5Mpa。正式施工前，施工人员还应通过放线定位的方式，确定预应力抗浮锚杆的位置，然后进行钻孔[5]。
4.2 预应力抗浮锚杆施工工艺
4.2.1 锚孔钻进
安装锚孔钻机，调平后进行钻孔。钻孔孔径为18cm，孔径偏差应小于2cm，深度偏差应不大于设计值的1%。若地下室地层为黏性土，钻头可选择180mm的前导式三翼钻头，钻进方法采用正循环清水钻进法。锚孔钻进过程中，施工人员应提前检查钻头规格尺寸，使其尺寸符合钻孔孔径的根本要求，钻入后注意把握锚孔中心度，预防锚孔偏移风险。预应力抗浮锚杆的锚孔成型后，将空压机的洗孔管放置在锚孔内，自上而下冲洗后，自下而上反复冲洗，直到锚孔中的泥浆比重不高于1，沉渣小于300mm。洗孔结束后注意保护孔口，避免施工期间泥浆流入锚孔。
4.2.2 预应力螺纹钢施工
地下室工程中预应力抗浮锚杆施工中，地下室锚杆可采用直径为32mm的预应力螺纹钢筋。螺纹钢抗浮锚杆多用于地下室防水区域基础工程中，施工过程中应确保钢筋规格符合地下室施工设计要求。比如，钢筋每米弯曲度小于4mm，总弯曲度小于钢筋总长度的0.4%。绑扎地下室墙体结构的预应力螺纹钢筋时，需将直螺纹套筒接头和钢筋绑扎连接。基本的施工顺序为弹线→绑扎竖向筋→绑扎水平筋→加拉钩套塑料垫块→检查基础墙柱体插筋等。墙筋上口处应布设由钢筋焊接而成的墙筋梯形架，便于施工人员核查墙竖筋的间距，确保墙竖筋平直度。
4.2.3 注浆
配制预应力抗浮锚杆施工期间所需的浆液时，水灰比应为0.4～0.5，所用水泥为P.C32.5级水泥。注浆前，施工人员应均匀地搅拌水泥浆液，然后利用注浆泵将清水输送到锚孔口，疏通内部管路后注浆。注浆前应禁止拔出注浆管，以免影响抗浮锚杆底部注浆的密实度。注浆所用的工艺为“水下混凝土灌注法”，锚孔内浆液满孔、充盈系数超过1.2时停止注浆。注浆期间，施工人员应连续进行注浆作业，边注浆边提升注浆管，提升高度需低于锚孔内的水泥浆面。
首次注浆后注浆体初凝强度为5MPa后进行二次高压注浆。注浆所用的原料为纯水泥浆，必要时可加入具有膨胀、早强作用的外掺剂。对于地下室锚固段，注浆方法可采用“锚孔底返浆法”，施工人员可直接将注浆管插入距离锚孔底部约50cm的区域，然后启动压浆泵，将水泥砂浆转入锚孔底。注浆后，水泥浆液会从锚孔底部向上填充，将锚孔内的空气排出，并直接从孔眼处挤出首次的注浆体。水泥浆液初凝后进行补浆，直到锚孔中的水泥浆液饱满充实。需要注意的是，施工期间制作预应力抗浮锚杆的试块时，还应每20根锚杆制作3组试块，试块规格为70.7mm×70.7mm×70.7mm，抗压强度取值为28d。
4.2.4 张拉及锁定
清理预应力抗浮锚杆的顶部，然后在锚杆强度达到设计值的100%后进行张拉锁定。张拉方法为“二次张拉法”，首次张拉时可用单锚机施加约10%～20%的张拉值，张拉期间应将钢绞线拉紧，稳固成压板、锚座。第二次张拉后用8束钢绞线同步进行全锚锁定，具体张拉步骤包括：安装桩头装置→一次预拉→调整锚杆顶端→二次张拉→锁定封锚。张拉期间，施工人员每分钟的升荷速率应小于设计应力的10%，卸荷速率应小于设计应力的20%。
穿锚时，施工人员需要提前将钢绞线的PVC套管剥除，然后用棉纱清洁钢绞线上的油污，理出钢绞线的中心后将其穿入锚板，分别按照下、中、上进行张拉。每根锚索首次张拉完毕后，施工人员才能进行二次张拉，每次张拉荷载约为地下室锚索设计拉力的0.25、0.5、0.75、1、1.5倍，张拉到最后一级荷载后，还应稳固10～20min，其他荷载等级应稳固5min。张拉稳固时，施工人员应分别记录每根、每一级钢绞线的伸长，确定锚杆预应力不减少时锁定、封锚。封锚的方法是用砂轮切割机将剩余的钢绞线切除，然后用φ180×16配套钢垫板将锚头封闭。
4.3 常见问题及处理方法
4.3.1 施工问题分析及处理
地下室工程的首批预应力锚杆施工结束后，地下室基础垫层尚未开工，且地下室基坑内存在地下水，基坑降水措施的应用效果不明显。之后，施工人员现场随机查验预应力抗浮锚杆，发现地下室锚固自由段的护套管内油脂不密实，使得锚杆、孔壁之间含有较多泥浆，护套管倒向孔壁，水泥浆保护层厚度无法满足地下室结构的设计要求。长此以往，会导致地下室预应力抗浮锚杆的耐久性、抗浮能力减弱。
对此，施工人员还应通过以下工作，完善地下室预应力抗浮锚杆施工设计，增强锚杆的抗浮性能：
（1）针对地下室工程进行降水设计时，应提前统计各区域抗浮锚杆安装时所需的结构参数，且锚孔深度相应加深，对应至每根锚杆。为保障水位降到预应力底部，还应优化抗浮锚杆施工设计。同时在钻孔环节中，在终孔时，先向孔内加水，随后用压缩空气从孔底将水吹出，反复几次后，清洗干孔壁泥皮，顺利地放入锚杆，并进行注浆作业。
（2）地下室结构中的砾石可在注浆期间加入，锚杆入孔前，施工人员需要检查钢筋结构有无挂套管的区域。注浆管的实际位置应定位在锚杆中心点，且管件不宜过长，需和锚杆平齐。
（3）为避免预应力抗浮锚杆入抗水板段时出现钢筋弯起情况，应及时固定钢筋直线段，避免该区域的钢筋弯起，然后将起弯点位定位在抗水板上层钢筋下约3～5cm处。
4.3.2 渗水问题分析及处理
4.3.2.1 问题分析
地下室工程预应力抗浮锚杆施工锚杆验收试验中，试验锚杆的荷载为锚杆抗拔承载力特征值两倍时，施工人员应现场抽检预应力锚杆。试验过程中发现预应力抗浮锚杆区域存在大面积渗水现象，地下水渗出后集中在地下室中间区域。虽然地下室工程中预应力抗浮锚杆多布设在墩柱处，柱下区域却无渗水问题。施工人员擦干后发现中间区域有一条渗水线，但地下室基层底板下无肉眼可见的裂缝，凿开底板混凝土面层后依然未发现渗水点。
初步判断渗水有以下3种可能性：（1）地下水从地下室底板区域的钢过渡管外侧进入底板，由底板结构上的细小裂缝渗出，钢过渡管渗入底板，通过底板的微裂缝到达板面，渗出原因是钢过渡管上的止水钢板失效。（2）底板下钢过渡管、护套管存在间隙，衔接处的密实度不足，且后期补浆不到位，所以地下水会从二者的接触部位渗出。（3）底板下所用的混凝土浆液不合理，如粉煤灰混凝土的早期强度低，施加预应力后会导致底板内的混凝土面层开裂，继而渗出地下水。处理此类地下室渗水问题时，施工人员应沿渗水线钻孔，并通过压力灌浆的方式将裂缝封闭，然后回填地下室顶板绿化覆土，渗水现象会基本消失。
4.3.2.2 处理方法
对于其他原因造成的地下室渗水问题，施工人员还应进一步优化预应力抗浮锚杆施工工艺，完善锚杆防水措施，做好混凝土结构养护工作。
改进锚杆施工工艺，保障锚杆施工质量。锚杆施工时，运用套筒护壁钻孔，必要时可用预应力螺纹筋替代杆体结构上钢绞线，便于施工期间的固定和对中。由于钢绞线直径小，锈蚀后会存在断裂问题，影响锚杆质量。所以在应用钢绞线时，还应在施工环节做好钢绞线的防腐工作。如按照施工设计方案，在钢绞线的外层防护套管中灌入防腐油脂，并采用专业措施使其留存在护管内。另外，开挖地下室基坑时，不论基坑开挖区域有无地下水涌出，施工人员依然需要进行降水作业，以免在预应力抗浮锚杆施工阶段因地下水位上升而导致锚杆质量受损。
制定锚杆防水措施时，施工人员可在地下室的钢过渡管、底板下的衔接处增设止水装置，如遇水膨胀止水圈，避免地下水渗入。但是在浇筑混凝土前，施工人员还应避免该止水圈遇水。随后在过渡管中心位置布设止水钢板，止水钢板的焊接方法不能是点焊或虚焊，应留有缝隙。连接钢过渡管、护套管时，重点控制二者连接处的密实度，所以在张拉预应力筋后，施工人员应立即补浆，填满空隙，将过渡管内壁的渗水通道堵住。
通过科学、完整的养护方案，预防底板裂缝。在此基础上，施工人员需要合理的推迟预应力锚杆张拉时间，确保底板处的混凝土强度符合设计值。
本文结合某建筑项目，分别从对抗拉拔试验、施工前准备、施工设计等方面，对地下室预应力锚杆施工技术展开分析，明确了预应力锚杆施工中注浆、张拉和锁定、预应力螺纹钢施工、锚孔钻进的工艺要点。随后从3个角度出发，分析应用预应力锚杆施工技术时，地下室渗水问题的原因，并提出了通过加设止水装置、加强钢绞线外层防护等地下室预应力锚杆渗水问题的处理方法。但是为突出预应力抗浮锚杆的根本优势，提升我国地下室工程的建设质量，相关人员还应坚持“具体问题具体分析”的原则，灵活制定预应力锚杆施工技术方案，减少地下室建设、后期使用阶段的安全或质量风险。
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