新建杭州东站扩建工程东站站房位于杭州市江干区, 站房建筑共6层, 地下2层和地下3层为杭州地铁东站站, 地下1层为出站层, 地上为站台层和高架层。站房主体建筑东西进深463.45m, 南北面宽143.6m, 站房主体最高点距地面39.6m。站房总建筑面积为155 569m² (地下建筑面积为67 438m², 地上建筑面积为88 131m²) 。工程等级为特级, 耐久年限为100年, 结构安全等级为一级。

本工程在基坑中部有2条铁路线横穿, 将基坑分为2个区块, 因此必须对既有铁路线进行专项防护后才能进行两侧基坑开挖施工, 围护方案采用了SMW工法桩加预应力锚索进行围护, 因此预应力锚索的施工质量成为该基坑围护成败的关键问题。

根据地质勘察报告, 本工程有10个地质层及若干亚层, 各层地基岩土层特征如表1所示。

拟建场地浅层地下水属孔隙性潜水, 主要赋存于表层填土及 (3) ₂~ (3) ₆层粉土、粉砂土中, 由大气降水和地表水径流补给, 地下水位随季节变化, 勘探期间测得钻孔静止水位埋深0.70~2.50m, 相应高程4.220~3.700m。根据区域水文地质资料, 浅层地下水水位年变幅为1.0~2.0m, 多年最高地下水位约埋深0.5~1.0m, 建议抗浮水位取高程5.000m。根据杭州市类似工程经验及场地环境, 地下水流速较小。

本工程基坑临近既有铁路线, 设计采用SMW工法桩结合3道预应力锚索的复合支护形式, 具体要求如下: (1) 第1道预应力锚索长度为19.5m, 锚固段长10.5m, 自由段长9.0m, 成孔直径150mm, 杆芯材料采用3Ø11.1钢绞线, 锁定荷载为70k N, 标高为-4.850m; (2) 第2道预应力锚索采用拉力分散型锚索, 锚固段长10m, 自由段长度分为7.5m和17.5m2种, 成孔直径150mm, 杆芯材料采用4Ø15.2的钢绞线, 锁定荷载为175k N, 设置标高为-7.350m; (3) 第3道预应力锚索长度为15.0m, 锚固段长9.0m, 自由段长6.0m, 成孔直径150mm, 杆芯材料采用3Ø11.1的钢绞线, 锁定荷载为70k N, 设置标高为-9.850m。锚索水平夹角均采用15°和20°2种, 沿水平向间隔2 400mm布置 (见图1) 。

既有铁路线旁的预应力锚索施工需重点控制成孔质量和防止塌孔情况的发生。根据设计, 3道锚索端部距离铁路线中心水平距离分别为9.2, 1.6m和11.3m, 深度分别为8.7, 13.2m和15.2m, 直线距离分别为12.5, 12.9m和17.1m, 而列车运行将造成震动波传递。根据相关文献研究成果, 位于地下2m深处振动加速度值为地表的20%~50%;4m深处为10%~30%, 据此推断, 列车运行振动对成孔的影响应较小。

为检验施工工艺以及施工过程对铁路线和站台等周边环境的影响, 对预应力锚索按照现行JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》进行锚索工艺试验, 并为设计单位提供和验证相应设计参数。

锚索试验场在原位施工, 每种类型锚索施工3根, 分别为19.5m的3根, 27.5m的3根 (拉力分散型锚索) , 15m的3根, 共计9根。试验孔位较第1道锚索略深, 较第2, 3道锚索浅。成孔范围土质为粉砂土, 由于前期地铁施工持续近1年的降水, 既有铁路线下水位已经降至锚索施工作业面以下, 地下水对锚索成孔基本无影响。

锚索工艺试验选址距离铁路线20m处开挖15m×8m×5m的土坑中进行, 锚索钻孔口位于路基填料下的粉土层中。试验锚索位于同一高度上, 水平间距1.2m。

9根锚索工艺试验历时3d, 第1天完成19.5, 27.5m 2组6根锚索的造孔、下锚及第1次注浆, 次日完成长度为15m的3根锚索的造孔、下锚及第1次注浆, 并完成前一日6根锚索的第2次注浆施工。第3天对长度为15m的3根锚索进行了第2次注浆, 至此锚索试验段施工完成。

成孔设备选用XY-1地质钻机, Ø150mm三翼钻头钻进至终孔, 成孔和终孔直径均为150mm。泥浆护壁钻进, 膨润土现场配制泥浆。钻孔完成后立即安放锚索筋。试验锚索规格和构造按设计要求执行, 锚索下端头用铅丝扎结, 每间隔2.0m设置1个隔离支架。布置2根Ø20mm注浆管, 注浆管位于钢绞线中间, 下管口距锚索端头20cm, 上管口与锚索端头同长;其中1根为二次注浆管, 二次注浆管封闭下管口, 自下管口50cm以上起, 每隔1m开1个出浆口, 共开5个出浆口, 并用塑料胶带封闭。锚索自由段套上Ø16塑料波纹管。主筋长度大于设计长度1.5m。主筋置入孔内后, 孔口外留钢绞线长度为1.5m。

注浆材料为纯水泥浆, 配合比为1∶0.55 (质量比) , 在下锚完成后立即进行第1次注浆, 至水泥浆溢出孔口结束, 压力约0.5MPa, 第2次注浆隔日进行, 在注入约100kg水泥后终止, 最大压力约1.0MPa。9根锚杆总计注入水泥4 250kg, 平均水泥用量为22.8kg/m, 水泥注入量较理论值大5%。

试验锚索等强14d后, 对9根锚索进行了抗拔试验。加荷分级及位移测读时间如表2所示。

在每级加荷等级观测时间内, 测量锚头位移量3次, 加载至最大试验荷载后继续观测15min, 然后卸荷至最大试验荷载的0.1倍并测量锚头位移。

终止加载条件:锚头位移不稳定;锚索拉断;后一级荷载产生的锚头位移增量达到或超过上一级荷载位移增量的2倍。

极限承载力取值:取破坏荷载前一级的荷载值, 在最大试验荷载作用下未达到破坏标准时, 取最大荷载值为极限承载力。

抗拔力试验结果如下: (1) 在长度为15m的预应力锚索中, 1~3号锚索极限抗拔力分别为144, 176, 48k N; (2) 在长度为19.5m的预应力锚索中, 7~9号锚索的极限抗拔力分别为144, 160, 192k N; (3) 在长度为27.5m的锚索中, 试验结果如表3所示。

1号锚索和6号锚索的荷载-位移曲线如图2所示。

本次工艺试验选择的成孔方式、机械设备均可靠、高效, 施工过程也未发现塌孔现象, 施工前后坡顶铁路线区域沉降没有明显变化, 差异沉降几乎忽略不计, 成孔施工方案适合本工程地质条件。

抗拔试验结果表明, 锚索间的抗拔力有较大差异, 个别锚索抗拔力明显偏小, 而锚头位移普遍偏大。对比抗拔力与锚索长度, 发现彼此基本无关。由于试验锚杆施工条件完全相同, 因此与地质条件、养护时间、工艺等也基本无关。所有钻孔施工过程均较为正常, 注浆量和压力控制未发现明显偏差。

排除以上施工因素后分析认为, 钢绞线置入钻孔内后, 受重力作用容易挂下后沉在孔壁下侧, 造成钢绞线与水泥浆不能有效握裹, 导致抗拔力出现较大差异。据此, 将支架间距由原设计的2.0m加密至1.0m, 并加大支架直径, 使主筋钢绞线抬高, 增大钢绞线与孔壁下侧的距离, 以保证水泥浆与钢绞线有效握裹, 保证锚索的抗拔力。

根据第1次预应力锚索试验情况, 调整了部分做法和工艺后, 对预应力锚索进行第2次试验, 本次试验针对第1排及第2排锚索, 试验锚索参数与第1次相同。

第2次锚索工艺试验施工时间为2d, 共计完成试验锚索6根, 长度为19.5m的3根, 27.5m的3根。本次试验进行了2个方面改进: (1) 隔离支架加密至1m间距, 锚索下端头用铅丝扎结, 确保钢绞线在注浆后有效握裹于注浆体中; (2) 注浆量适当提高, 第2次注浆在第1次注浆完成24h后进行, 在浆液溢出孔口或注入150kg水泥后终止, 若在2MPa稳定压力下注入2min仍不能满足上述2个条件, 也可终止注浆。

第2次锚索试验采用循环加载进行检测。试验结果表明改进施工工艺和修改设计参数后, 锚索抗拔承载力有显著提高, 1~3号锚索极限抗拔力均>160k N;4~6号锚索极限抗拔力均>350k N。1号锚索和6号锚索的荷载-位移曲线如图3所示。

根据前2次锚索试验情况及设计单位意见, 为更好地验证工艺改进效果, 本工程进行了第3次锚索工艺现场试验, 试验锚索和各项参数同第2次锚索试验。

第3次锚索试验结果表明, 改进工艺后的锚索抗拔力性能稳定, 检测数据高于第2次锚索试验, 最终极限承载力试验结果如下:1, 3号锚索为330k N;2号锚索为300k N;4号锚索为520k N;5号锚索为480k N;6号锚索为400k N。

本工程的既有铁路线旁预应力锚索工艺试验一方面验证了设计效果, 另一方面可以指导后续施工, 工艺试验出现的问题也可在实际施工中予以改进, 避免大面积施工后因工艺问题而出现无法挽回的质量安全问题。通过本次工艺试验和施工方法的改进, 预应力锚索张拉力大大增强, 完全满足设计要求。