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(chǎng)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(guò)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(guò)程中，通過(guò)不斷試驗(yàn)、探索，在復(fù)雜的施工環(huán)境中利用重力場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(chǎng)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(lèi)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(jí)為一級(jí)。基坑支護(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(kāi)南北兩側(cè)原有建筑物樁基礎(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)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(duì)錨固的作用

在支護(hù)施工過(guò)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(huì)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(huì)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(guò)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(chǎng)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(chǎng)現(xiàn)有的測(cè)傾儀、電子水平儀等測(cè)量?jī)x器，通過(guò)電子傳感器測(cè)量?jī)A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(chǎng)，電子精密儀器往往不便于現(xiàn)場(chǎng)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(huì)直接增加施工成本，因此在施工過(guò)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(jiàn)[3]。這種組合方式，不僅原理簡(jiǎn)單，而且成本很低；但在角度控制時(shí)由于人為操作誤差，對(duì)角度控制的精確度影響較大，造成的誤差偏大。而重力場(chǎng)作為一種地球上無(wú)處不在的場(chǎng)，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(huì)顯得更加可靠[4]。

4 重力場(chǎng)的特點(diǎn)

地球重力場(chǎng)是指地球表面附近的引力場(chǎng)，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(chǎng)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(duì)精確的水平方向要簡(jiǎn)單很多。因此利用重力場(chǎng)的指向原理，在復(fù)雜的施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行角度測(cè)量、角度控制，操作起來(lái)更為簡(jiǎn)單，也更加可靠[5]。

5 重力場(chǎng)作用下鉆桿角度控制裝置

利用重力場(chǎng)的這一特性，項(xiàng)目人員研究出了重力場(chǎng)作用下鉆桿角度控制系統(tǒng)。該裝置通過(guò)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(guò)程中，刻度盤(pán)隨鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，指針保持豎直朝下，通過(guò)指針讀取刻度盤(pán)的刻度達(dá)到控制鉆桿角度的目的。該角度控制器通過(guò)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(pán)、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(chǎng)使用過(guò)程中的便捷度，且易于操作。

圖2 重力場(chǎng)作用下鉆桿角度控制裝置示意

刻度盤(pán)與常見(jiàn)的量角器相似，不同的是該刻度盤(pán)中間刻度為0°，兩邊最大刻度值為90°，刻度盤(pán)最小刻度為0.1°，此精度可以完全滿(mǎn)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(chǎng)使用過(guò)程中，通過(guò)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(cè)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(chǎng)對(duì)該裝置的影響，特別選用沒(méi)有磁性的銅來(lái)制作指針。指針尖端質(zhì)量較大，末端可自由無(wú)阻轉(zhuǎn)動(dòng)，在使用過(guò)程中底座及刻度盤(pán)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(chǎng)無(wú)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(chǎng)泥水對(duì)其靈敏度產(chǎn)生影響，在刻度盤(pán)與指針上設(shè)置鋼化玻璃罩，保證在長(zhǎng)期使用過(guò)程中具有較好的可靠性（圖4）。

圖4 測(cè)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(guān)察指針指向來(lái)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(cè)角精度。鉆桿進(jìn)尺0.5 m時(shí)，進(jìn)行鉆桿傾角復(fù)測(cè)，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(cè)量精度；角度量測(cè)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(chǎng)的實(shí)用效果

項(xiàng)目利用重力場(chǎng)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(duì)施工人員進(jìn)行簡(jiǎn)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(chǎng)作用下鉆桿角度控制裝置應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

在使用專(zhuān)業(yè)測(cè)角裝置對(duì)該裝置量測(cè)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(chǎng)現(xiàn)有的傾斜角測(cè)量?jī)x器，該裝置操作簡(jiǎn)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(yǔ)

錨索、錨桿施工現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程中經(jīng)過(guò)不斷探索、多次試驗(yàn)，利用重力場(chǎng)的物理特性，研究出重力場(chǎng)作用下鉆桿角度控制裝置。相比傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x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(lèi)似工程積累了經(jīng)驗(yàn)[6]。