孟召虎 李舉輝 何 路 李元昊 葉 雷 許 勝 張勤雄

中建三局集團(tuán)有限公司 陜西 西安 710065

錨索、錨桿是深基坑、邊坡等地表工程及隧道、采礦場等地下洞室施工中常用的一種加固支護(hù)方式。在錨索、錨桿施工過程中，錨索、錨桿并不是完全垂直于坡面，不同的錨固傾角，產(chǎn)生的摩擦力作用效果不一樣，同時(shí)錨固角度的不同也影響錨固效果和經(jīng)濟(jì)效果，因此錨固角度的精確控制就成為錨固施工質(zhì)量的重要組成部分。在蘭州市城關(guān)區(qū)清華小學(xué)綜合樓建設(shè)項(xiàng)目的深基坑支護(hù)施工過程中，通過不斷試驗(yàn)、探索，在復(fù)雜的施工環(huán)境中利用重力場，實(shí)現(xiàn)了對錨索傾角的精確控制，從而提高了錨索的施工質(zhì)量和現(xiàn)場施工效率。

1 工程概況

蘭州市城關(guān)區(qū)清華小學(xué)綜合樓建設(shè)項(xiàng)目位于蘭州市城關(guān)區(qū)酒泉路，地處鬧市區(qū)。項(xiàng)目規(guī)劃為1棟綜合性教學(xué)樓，地下3層（含隔震層），地上6層，結(jié)構(gòu)類型為框架結(jié)構(gòu)（圖1）。工程基坑設(shè)計(jì)深度達(dá)－14.85 m，地下水位在－3.0 m處；基坑南北兩側(cè)各為1棟5層建筑物，距離基坑邊緣平均為3 m，東西兩側(cè)均有道路及市政管網(wǎng)，基坑工程側(cè)壁安全等級為一級?；又ёo(hù)由支護(hù)樁加預(yù)應(yīng)力錨索組成，預(yù)應(yīng)力錨索傾角為20°，需避開南北兩側(cè)原有建筑物樁基礎(chǔ)。現(xiàn)場場地極為狹小，施工環(huán)境復(fù)雜，基坑危險(xiǎn)系數(shù)較大。因此基坑支護(hù)質(zhì)量把控尤為重要。

圖1 清華小學(xué)綜合樓效果圖

2 錨索、錨桿水平傾角對錨固的作用

在支護(hù)施工過程中，錨索、錨桿的水平傾角一般控制在15°～25°。錨索、錨桿在土層中隨著水平傾角的增大，水平分力減小，豎向分力增大[1]。水平分力減小就會減弱錨索、錨桿的錨固效果；同時(shí)錨索、錨桿豎向分力的增加也會造成基坑周邊荷載增大，引起周邊土層的沉降或變形。因此，在基坑、護(hù)坡支護(hù)、隧道加固過程中，錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索的水平傾角需考慮多方面因素，如地質(zhì)構(gòu)造、土質(zhì)、周邊地下構(gòu)筑物等。同時(shí)在施工時(shí)，鉆機(jī)鉆桿的角度需精確控制，保證鉆桿水平傾角，從而確保錨索、錨桿的施工質(zhì)量[2]。

3 現(xiàn)有傾角控制方法

在深基坑、護(hù)坡、隧道加固支護(hù)施工時(shí)，現(xiàn)場施工環(huán)境往往較復(fù)雜，施工條件差，便捷可靠的鉆桿傾角控制方法是保證支護(hù)施工質(zhì)量的必要條件。市場現(xiàn)有的測傾儀、電子水平儀等測量儀器，通過電子傳感器測量傾角，極大地提高了錨索、錨桿傾角的精確度。但在惡劣的施工現(xiàn)場，電子精密儀器往往不便于現(xiàn)場施工人員操作；同時(shí)，這些儀器設(shè)備的價(jià)格較高，如果使用，會直接增加施工成本，因此在施工過程中使用靠尺和量角器組合控制鉆桿角度的方法更為常見[3]。這種組合方式，不僅原理簡單，而且成本很低；但在角度控制時(shí)由于人為操作誤差，對角度控制的精確度影響較大，造成的誤差偏大。而重力場作為一種地球上無處不在的場，其重力方向始終是豎直向下的，利用這一特點(diǎn)，進(jìn)行鉆機(jī)鉆桿的角度控制可能會顯得更加可靠[4]。

4 重力場的特點(diǎn)

地球重力場是指地球表面附近的引力場，每一點(diǎn)所受到的重力的大小和方向只與該點(diǎn)的位置相關(guān)。在正常重力場中，地球上任何物體所受的重力方向都是豎直向下的，該方向與水平方向始終垂直。一個(gè)自然下垂物體，靜止時(shí)所指的方向就是豎直的，這比尋找相對精確的水平方向要簡單很多。因此利用重力場的指向原理，在復(fù)雜的施工現(xiàn)場進(jìn)行角度測量、角度控制，操作起來更為簡單，也更加可靠[5]。

5 重力場作用下鉆桿角度控制裝置

利用重力場的這一特性，項(xiàng)目人員研究出了重力場作用下鉆桿角度控制系統(tǒng)。該裝置通過磁吸方式可吸附在鉆機(jī)與鉆桿平行的任何部位，指針靠重力牽引沿鉛垂方向豎直朝下，并與水平向垂直；在鉆桿調(diào)節(jié)角度的過程中，刻度盤隨鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，指針保持豎直朝下，通過指針讀取刻度盤的刻度達(dá)到控制鉆桿角度的目的。該角度控制器通過磁吸方式安裝，可達(dá)到隨用隨裝的效果，同時(shí)依靠物理原理，數(shù)據(jù)可靠、讀數(shù)方便，可有效控制鉆桿鉆孔的角度，極大地提高鉆孔角度的精確度。

該裝置主要由磁吸底座、刻度盤、銅質(zhì)重力指針以及鋼化玻璃罩四部分組成（圖2）。磁吸底座由磁鐵和鋼化玻璃制成，磁鐵的使用可以使該裝置隨時(shí)隨地安裝在鉆機(jī)臂架的任何部位，極大地提高了現(xiàn)場使用過程中的便捷度，且易于操作。

圖2 重力場作用下鉆桿角度控制裝置示意

刻度盤與常見的量角器相似，不同的是該刻度盤中間刻度為0°，兩邊最大刻度值為90°，刻度盤最小刻度為0.1°，此精度可以完全滿足錨索、錨桿的精度要求。當(dāng)鉆機(jī)底座處于水平狀態(tài)時(shí)，指針指向0°刻度，在現(xiàn)場使用過程中，通過磁吸底座將該裝置安裝在與鉆桿平行的鉆機(jī)臂架上，指針?biāo)傅慕嵌龋褪倾@機(jī)鉆桿的水平傾角，然后根據(jù)設(shè)計(jì)的錨索傾角，調(diào)整鉆機(jī)臂架至合適的角度（圖3）。

圖3 測角裝置安裝示意

這套裝置另一個(gè)重要構(gòu)件為銅質(zhì)重力指針。為了避免磁場對該裝置的影響，特別選用沒有磁性的銅來制作指針。指針尖端質(zhì)量較大，末端可自由無阻轉(zhuǎn)動(dòng)，在使用過程中底座及刻度盤隨鉆機(jī)臂架旋轉(zhuǎn)時(shí)，該指針沿重力方向始終豎直向下。而重力場無處不在，不受周邊環(huán)境影響，因此利用其指向，具有較好的可靠性，也較為靈敏。為避免施工現(xiàn)場泥水對其靈敏度產(chǎn)生影響，在刻度盤與指針上設(shè)置鋼化玻璃罩，保證在長期使用過程中具有較好的可靠性（圖4）。

圖4 測角裝置剖面

該裝置處于水平狀態(tài)時(shí)指針指向0°刻度，因此在使用前，可將此裝置調(diào)平，然后觀察指針指向來檢驗(yàn)該裝置是否調(diào)校準(zhǔn)確；在使用時(shí)需將與鉆桿平行的鉆機(jī)臂架翼緣板擦拭干凈，確保底座與臂架能夠嚴(yán)密貼實(shí)，不留夾角，以免影響測角精度。鉆桿進(jìn)尺0.5 m時(shí)，進(jìn)行鉆桿傾角復(fù)測，若有誤差及時(shí)調(diào)整。同時(shí)使用該裝置時(shí)鉆機(jī)必須處于停機(jī)狀態(tài)，以免轉(zhuǎn)機(jī)抖動(dòng)影響測量精度；角度量測完畢后需及時(shí)拆下該裝置妥善放置，不得將其留置在已經(jīng)啟動(dòng)的鉆機(jī)上，以免損壞。

6 重力場的實(shí)用效果

項(xiàng)目利用重力場作用下鉆桿角度控制裝置進(jìn)行錨索施工角度控制時(shí)，對施工人員進(jìn)行簡單交底，即可使其迅速掌握使用方法，操作也較為便捷（圖5）。

圖5 重力場作用下鉆桿角度控制裝置應(yīng)用現(xiàn)場

在使用專業(yè)測角裝置對該裝置量測的水平傾角進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其誤差為0.1°，因此使用該裝置進(jìn)行錨索、錨桿水平傾角控制，具有良好的精確度，且數(shù)據(jù)可靠。相比市場現(xiàn)有的傾斜角測量儀器，該裝置操作簡單、適應(yīng)性強(qiáng)，在提高施工質(zhì)量的同時(shí)，極大地降低了施工成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)語

錨索、錨桿施工現(xiàn)場的環(huán)境往往較為復(fù)雜，在進(jìn)行鉆桿鉆孔角度控制時(shí)，不僅要考慮其精確度，還要從操作性、可靠度、經(jīng)濟(jì)效益等幾個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。蘭州市城關(guān)區(qū)清華小學(xué)綜合樓建設(shè)項(xiàng)目在深基坑支護(hù)施工過程中經(jīng)過不斷探索、多次試驗(yàn)，利用重力場的物理特性，研究出重力場作用下鉆桿角度控制裝置。相比傳統(tǒng)的測量儀器，該裝置在精確度、操作性、可靠性、經(jīng)濟(jì)效益等方面都有很大的提高，同時(shí)極大地節(jié)省了施工成本，在保證施工質(zhì)量的同時(shí)提高了施工效率，也為類似工程積累了經(jīng)驗(yàn)[6]。