可回收锚杆技术发展与展望

可回收锚杆技术发展与展望

0国内外可回收锚杆技术的应用锚杆是岩石工程中最常用的元件之一。近些年来随着大规模工程建设，国内每年都会新增数千个基坑，新增总长度超过10×10可回收锚杆技术便应运而出:使用过后锚杆筋体被拆除并回收，地下仅留下固结体及承压件等少量无害遗留物，较好地解决了上述常规锚杆及内支撑的问题，延续了锚杆支护结构的优势可回收锚杆有两大应用领域，即矿山巷道及基坑，本文以基坑工程领域为主，对国内外可回收锚杆技术进行较为全面的总结、研究与探讨。1可回收锚杆技术内涵首先要解释几个与“可回收锚杆”相关的术语。“可回收锚杆”一词并不准确:(1)没有“不可回收锚杆”，只要肯花钱，没什么锚杆是收不回来的;(2)回收的通常只是锚筋而不是锚杆的全部，地下还遗留有固结体及承压件等锚杆组成部分;(3)可回收锚杆强调的是自行拆除回收，即通过预先设置在锚筋上的特定装置(如自解锁锚具或承载体等)自行使锚筋拆分脱离，不使用钻机套打等强制性拆除手段;(4)从术语命名角度，“可”字是不需要的，如“食盐”一般不需称为“可食盐”，故称为“自拆筋锚杆”要准确得多。同理，各技术标准等文献中可拆芯锚杆、可拆除锚杆、可拆卸锚杆、可拆锚杆、可拆芯式锚杆、可拆型锚杆、主筋可拆除式锚杆等用语似乎都不够准确。但从术语的统一性及稳定性角度，本文支持业界采用“可回收锚杆”作为统一术语。基坑可回收锚杆技术关键在于承压件，承压件是一种受压构件，位于压力型锚杆(及压力分散锚杆的单元锚杆)筋体底端，承受锚筋拉力并将之以压力形式传递给固结体。可回收锚杆的承压件目前有自解锁锚具及带U型槽的承载体两种常用形式，自解锁锚具即为可回收锚杆中位于锚筋底端、可自行解锁与锚筋脱离的锚具;自解锁锚具与锚筋解除力学关联的行为称为解锁。固结体指在锚杆钻孔内包裹在锚筋周边的浆体、树脂、水泥卷及水泥土等粘结材料，主要起锚固作用以获得承载力。国内外在用的及曾用过的可回收锚杆产品按锚固与拆筋机理可分为过载强拉类、端头锚固类、自钻自锁类、锚筋回转类、自拆锚具类及半拆筋类计6大类及若干小类1.1锚筋拉出回收过载强拉类即把锚筋与锚固体之间的锚固力设定为介于锚杆设计承载力与锚筋极限承载力之间、拆筋时采用超过设计承载力的拉力强行将锚筋拉脱的可回收锚杆，简称强拉类，可分为3小类，锚筋材料可为钢筋或钢绞线，工作机理如图1所示。(1)焊接型。锚筋底端与承压板焊接后外敷润滑油脂再外套护套，焊接强度大于锚杆设计工作应力并具有一定的安全系数、小于锚筋抗拉强度;拆筋时，用超过焊接强度的拉力使焊接处剪切破坏(过载)，锚筋拉出回收;(2)挤压套型。调节金属挤压套与锚筋之间的握裹力，使之大于锚杆设计拉力并具有一定的安全系数;拆筋时，用更大的拉力使筋体与挤压套之间产生剪切破坏，锚筋拉出回收;(3)砂浆型。通过调节砂浆强度从而调节砂浆与锚筋粘结强度，使锚筋与砂浆之间粘结力大于锚杆设计拉力并具有一定的安全系数;拆筋时，用更大的拉力使锚筋与砂浆之间产生剪切破坏，锚筋拉出回收。过载强拉类可回收锚杆工艺看起来简单，但技术难度很大，拆筋力很难把控。1.2膨胀壳工作机理端头锚固类指通过锚杆底端与围岩机械摩擦或/及粘结固定以快速获得锚固力的可回收锚杆，简称端锚类，可分为3类，锚筋材料一般为钢管。(1)机械固定类。可分为3小类，工作机理如图2所示:(1)胀壳型。工作时锚杆杆体正向旋转，杆体端头的膨胀壳被楔体涨开与围岩挤压摩擦，锚杆获得锚固力;拆筋时，杆体反向旋转，膨胀壳与楔体脱开，杆体拆除回收。膨胀壳材料可为塑料、钢或复合材料;(2)偏楔型。工作时杆体正向旋转，顶紧偏楔上移，被楔体挤紧与围岩挤压摩擦，锚杆获得锚固力;拆筋时，杆体反向旋转，楔体上移、偏楔下降，两者脱开，杆体拆除回收;(3)倒楔型。工作时活动楔体与夹片共同夹紧锚筋，夹片挤压活动楔块，活动楔块与围岩挤压摩擦，锚杆获得锚固力;拆筋时，杆体向前顶进，带动夹片与活动楔块及杆体脱开，杆体拆除回收。(2)粘结类。可分为2小类，工作机理如图3所示:(1)胀壳粘结型。与胀壳型工作机理基本相同，区别在于膨胀壳外敷涂了树脂以更好地与围岩粘结从而获得更大锚固力，锚筋拆除回收后膨胀壳亦留在孔内;(2)麻花头粘结型:麻花头采用树脂卷或水泥卷粘结锚固，与锚筋螺纹连接，拆筋时锚筋旋转退出，拆除回收，麻花头留在孔内。(3)气囊型。工作机理如图4所示:气囊与锚筋同时插入孔内，充气涨开，与围岩挤压摩擦，锚杆获得锚固力;拆筋时气囊泄气、收缩、与围岩脱开，与锚筋一起拆除回收。气囊可为一个或多个。端锚类可回收锚杆可快速获得承载力，锚筋较短，锚固力较低，通常施加预应力，本质上为拉力型锚杆，对围岩基本质量等级要求较高。1.3钢管钻杆兼锚筋自钻自锁类指钻杆上带有螺纹、自行钻进地层后自锁的可回收锚杆，简称自钻类。以泰安及兰州某产品自钻类可回收锚杆一般采用钢管钻杆兼锚筋，可快速获得锚固力，长度较短，锚固力较低，要求地层较好;用于基坑时常常受到肥槽宽度限制每节钻杆长度较短(一般1～2m)，效率较低。1.4承载体产品筛选锚筋回转类指锚筋底端安装带有U形槽的承载体、锚筋绕其回转180°的压力型可回收锚杆，简称回转类，也称为U型锚。工作机理为:锚筋采用无粘结钢绞线，绕承载体回转180°后形成一对，工作时成对张拉锁定，拆除时夹住其中一端强拉，拆除回收。承载体产品主要分为单向U型、双向U型及合页型等，如图6所示，其中:U形体材料可为铸铁等金属、非金属或复合材料;双向U型以瑞典某产品为代表;合页型材料为金属，置入钻孔前为闭合状态，置入后张开使锚筋容易回转。回转类可回收锚杆为压力型预应力锚索，可获得较大抗拔力，岩层土层均适用，锚筋需成对张拉锁定，锚索越长、钢绞线越粗、设计拉力越大越难回收，拆除后回转侧的锚筋损伤较严重。1.5自动解锁类自解锁类指锚筋上安置了自解锁锚具的压力型可回收锚杆，可分为4中类。1.5.1压力型锚杆工作机理如图7所示:锚筋为无粘结钢筋，承压件带有螺母，锚筋底端带有螺栓，拆筋时锚筋旋转脱开螺母，拉出回收。与端锚类区别为:其螺母承压件不与围岩锚固，是压力型锚杆。钢筋螺栓型工艺简单，锚杆承载力较低。1.5.2独立切割以日本某产品1.5.3锚筋的熔开和回收利用电、电磁、化学药剂等方法在自解锁锚具内加热产生高温或化学反应，将锚筋熔断、与夹片熔开或溶开，之后把锚筋拉出回收。可分为4小类，工作机理如图9所示:(1)热熔材料型，简称热熔型。以苏州某产品1.5.4主要类型锚筋类型自解锁锚具采用楔块、螺纹、插销等机械构件与夹片共同夹紧锚筋，拆筋时通过拉拔、顶推、旋转等动作或复合动作使夹片在剥离器件帮助下脱开锚筋，锚筋拉出回收。这种类型锚筋一般采用无粘结钢铰线，可获得较大承载力，产品最为丰富，按拆筋动作可为分4小类，其中除了辅索拉拔型等少数类型多条锚筋共用一套自解锁装置外，多数类型每条锚筋各配一套。(1)辅索拉拔型;解锁机理为:在一个自解锁锚具内设置不少于3条钢绞线锚筋，其中1条作为辅助回收索不参与工作，其余为工作钢绞线，回收时先拉出辅索，使工作索与锚具解锁，拉出回收。铺索型产品按解锁机理又可分为正楔型、顶楔型及销栓型3种，如图10所示:a．正楔型。以杭州某产品(2)旋转型;可分为旋拉夹片型及旋拉楔片型2种，工作机理如图11所示:a．旋拉夹片型。以厦门某产品(3)顶进型;可分为顶拉中丝型、顶拉夹片型、顶脱夹片型及顶脱楔块型4种，工作机理如图12所示:a．顶进中丝型。以杭州某产品(4)顶进旋转型。以杭州某产品1.6锚杆工程应用情况半拆筋指在拉力型预应力锚杆锚筋自由段与粘结段交界处设置前述拆筋装置，只将自由段锚筋拆除回收，粘结段锚筋仍留置地层内。锚筋自由段材料通常为金属，粘结段可为金属或非金属材料，相应的锚杆类型分为金属型及半金属型。综上所述，可回收锚杆可分类如下表1所示。各类型可回收锚杆工程应用情况大致为:(1)过载强拉类及半拆筋类工程应用很少;(2)端头锚固类主要用于矿山巷道工程，基坑工程几乎未见应用;(3)自钻自锁类主要用于矿山巷道工程，基坑工程中北方较好地层有少量应用案例;(4)回转类中，单向U型是国内基坑工程中应用最早的可回收锚杆，目前仍应用较多;双向U型未收集到国内工程应用案例;合页型工程应用目前很少;(5)自解锁类中:a．钢筋螺栓型工程应用很少;b．自切型未收集到国内工程应用案例;c．熔解类中，热熔型应用广泛，其余3种未收集到国内工程应用案例;d．机械锁类中，除销栓辅索拉拔型工程应用很少外，其余类型应用广泛。热熔型及机械锁类锚具国内外市场有几十个品种、上百个专利，国内近十来年来涌现出十几种回收工艺简单、可靠性高、回收速度快、成本不高的新产品，整体性能及性价比达到了国际先进甚至领先水平，与单向U型锚共同构成了国内基坑可回收锚杆的三驾马车。2可回收锚杆锚杆选型和使用要求国内基坑锚索目前大约95%以上为常规拉力型。相对常规锚索，可回收锚杆具有以下工程特点:(1)工艺复杂。这是必然的，但并没有复杂到需要专业培训的程度，对于绝大多数产品，普通产业工人稍加指导即可操作。(2)造价高。单价通常高20～30%，少数情况下可高出50～60%。但如果与混凝土内支撑相比，在大多数基坑、尤其是大面积基坑工程中仍具有价格优势。(3)作业条件差。(1)通常要在地下室肥槽内作业，空间狭窄。故锚筋应该选用具有轻质高强、柔韧性好便于装卸等特点的钢绞线，并采用相应的夹片式锚具，钢筋难以操作。(2)锚杆需分层拆除，但肥槽很难分层回填到位、给拆筋作业提供相应工作面，一般需要搭设作业平台，比较繁琐。(3)通常有工期限制，总包等施工单位时常不太配合，留给拆筋作业时间通常苛刻。(4)技术要求高。(1)基坑工程会遇到多种地质条件，软土、硬岩、厚砂、岩溶等各种不良地层都有可能，要求可回收锚杆对地层的适应能力要强，哪种地层都要有适用的类型。(2)回收率要求高。基坑采用可回收锚杆的主因目前都是为了满足周边环境要求，如周边有地铁、有主的待建地块等，锚杆如果自拆筋不了，很难再有其他处理措施，故要求锚杆回收率高、回收可靠。(5)容易产生安全风险。拆筋之前应该换撑或分层回填以满足基坑结构安全需求，而拆筋作业时间较短，单根钢绞线常规2～10min(U型锚超过30min)，一排锚索往往一两天就回收完了，于是不少管理人员趋于冒险，会在安全措施不到位的情况下就回收作业，从而给拆筋作业及基坑的安全带来隐患。(6)有时会对周边环境造成不良影响。地下水丰富地层，锚杆拆除有时会因涌水涌泥涌砂而导致水土流失，进而对周边环境造成沉降开裂等不良影响。为适应工程要求，基坑可回收锚杆应具备如下力学特征:(1)承载力为中等。锚杆承载力划分不同等级主要是为了工程应用方便，如何划分没有严格界定，深圳市《岩土锚固技术标准》SJG73—2020(2)为压力型。为了回收，锚筋最好采用无粘结钢绞线，也就选择了压力型锚杆。业界一直以来习惯于拉力型锚杆，但两者有所差别。例如压力型锚筋全长无粘结，张拉时位移比较大，通常会超过200mm，部分可达300mm～400mm，而市场上千斤顶主要适用于拉力型，行程大多不超过200mm，故压力型锚索张拉时要么采用大行程千斤顶，要么需要分次张拉、即前一次锁定后再继续张拉。(3)宜为压力分散型。压力型锚杆分为压力集中型及压力分散型两类，压力集中锚杆对孔底承压件处的注浆质量及岩土体强度要求较高，容易发生固结体局部受压破坏，这是不少工程中压力型锚杆承载力低于拉力型的主要原因。故压力集中型适用于岩层及坚硬土层，而地层较为软弱时则采用压力分散型，但单元锚杆数量并非越多越好，以2～3个为宜，多了反而可能影响注浆质量降低承载力，得不偿失。对于可回收锚杆，压力集中锚杆底端受力大、对锚具产品技术要求高，分散为单元锚杆后对锚具要求降低了，锚具生产加工容易了，锚筋回收率就提高了。但压力分散锚杆的张拉问题比较麻烦:如果只采用一个千斤顶，不管采用整拉整锁法、单拉单锁法还是补偿张拉法等，都难以消除各单元锚杆之间受力严重不均匀现象3主要方面的问题锚杆回收率当然越高越好，最好100%，但可回收锚杆毕竟是岩土工程技术，岩土工程天然的复杂性及不确定性决定了100%不太可能实现，个别回收失败很难避免。回收失败的原因通常有:(1)产品本身问题。(1)拆筋机理或产品设计有缺陷。例如:a.U型锚钢绞线弯曲回转半径较小，拆除时需要的张拉力较大，有时拉不动，力再大就会拉断钢绞线。国内可回收锚杆三驾马车中，U型锚回收率最低，很难高于85%，回收也最为费时;b．某些自解锁锚具机构过于复杂或过于简单，鲁棒性差。(2)产品质量欠佳，例如锚具受力后变形较大甚至损坏，锚筋偏轴，锚具密封不好、漏水等。(2)产品选用不当。影响拆筋回收率的客观因素有:(1)锚杆长度。一般来说，锚杆越长，越难拆筋;(2)设计承载力。承载力及预应力水平越高，越难拆筋;(3)地质条件。地质条件越复杂、越差，越难拆筋;(4)使用时间。使用时间越长，锚具发生锈蚀的概率及锈蚀程度越大，拆筋越难，甚至会被锈死;(5)地层腐蚀性。如果地层有腐蚀性可能会导致锚具腐蚀失效或损坏，难以拆筋;(6)温度。温度过低，如零度以下，可能会影响拆筋。不同类型产品对不同条件的适应能力不同，部分产品夸大了自身的适用范围及回收率，或者因为使用者不了解而选用了不适合的产品，容易造成回收率低下。(3)施工质量欠佳。例如:(1)钢绞线护套破损或接头不好，进浆进水，导致难以拉出或拆筋装置失效。现场组装的自锁类锚杆容易发生这类现象;(2)钢铰线不顺直，摩阻力太大难以从锚具中拉出;(3)注浆质量不好，固结体抗拔力不够，钢绞线拉拔时反力不够，难以拉出;(4)压力分散锚杆采用一个千斤顶张拉时没控制好单元锚杆之间受力平衡，某组受力过大而受损。(4)现场使用或维护不当。例如:(1)锚具或锚筋受到地面动载或超载、新近填土及欠固结土的固结沉降等剪切作用后，如果产生较大变形可能会导致回收失败;(2)肥槽宽度没留足，拆筋设备作业空间不够;(3)锚头、导线、导管等拆筋装置被损坏。从目前工程实际来看，上述其实都不是国内锚杆回收率较低的主要原因，甚至都不是重要原因，基坑肥槽回填过快及为了节省成本而没去回收，甚至应该采用可回收锚杆但根本就没采用，才是。故只有从管理层面入手才能真正提高锚杆回收率，技术层面目前不是主要矛盾。回收失效的锚杆，以及不能自拆筋的常规锚杆，有几个办法可以从地层里强行拆除，如图15所示:(1)地面挖除法。大多采用旋挖机，在地面上找到锚杆对应位置，钻进，遇到锚杆后旋转，将钢绞线缠绕在钻头上，提升，钢绞线在钻头扭剪切拉的复合作用下比较容易被拉断;(2)暗挖隧道法。先挖竖井，再采用矿山法开挖一条隧道，将隧道内锚杆切除;(3)套打锚杆法。分为套打固结体法及套打锚筋法两种，即用钻机环套着固结体或锚筋重新钻孔，解除固结体与地层的粘结或锚筋与固结体的物理关联，之后将锚杆或锚筋拔出。较坚硬地层、钻孔较直且截面形状较规则时适用于套打固结体法，钻孔较直且锚筋不因锈蚀等原因强度受损时适用于套打锚筋法。(4)水力解除法尽管锚索回收失败后有上述补救措施，但实际上很难实施，费用高昂只是一方面，还有其他因素:(1)第1～2种方案通常需要在项目场地外实施，但大多项目很难具备实施条件且很难被政府等相关机构许可;(2)第3～6种方案在场地内实施，一般在地下室与基坑侧壁之间的肥槽内作业，肥槽宽度通常仅1.0m～1.5m，钻机进退钻杆都非常不便，就算能够操作，效率也很低;(3)强拆需要专业队伍及专业设备，如果量太少(例如自回收失败的锚杆只有几条)，没人愿意干;(4)强拆需要较长时间，现场工期很难满足。4中国可以回收率高的优点和劣势4.1产品质量标准(1)缺少关键性技术标准。像其他新技术一样，可回收锚杆推广应用要有技术标准作为支撑，尤其是这类涉及到工程结构安全的技术，缺少了相应的标准作为监管或执行依据，很难得到各地政府工程建设监督机构及监理单位等工程监管方的支持。目前国内相关标准有两类:(1)可回收锚杆专项标准或相关标准，如北京市地方标准《可拆除锚杆技术规程》DB11/T1366—2016及《岩土锚杆(索)技术规程》CECS22:2005等，是工程应用标准，而承压件及自解锁锚具等为产品，在工厂内生产制作，工程应用标准中均缺少对产品质量的检验与评判内容;(2)《预应力筋用锚具、夹具和连接器》GB/T14370—2015及《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程》JGJ85—2010等是锚具产品专项标准，但适用对象为预应力混凝土工程，不太适用于岩土锚杆，标准中规定的锚具主要性能指标，如静载锚固性能(锚具效率系数及锚筋极限抗拉力)、疲劳荷载性能、锚固区传力性能、锚板强度、内缩量、锚口摩阻损失等，几乎都不适用于岩土锚杆，尤其不适用于可回收锚杆。可回收锚杆回收率及产品合格标准这两项最为重要的指标，目前没有任何标准涉及，工程各方及政府监督机构如果连产品是否合格都无法确定，显然不愿放行及大力推广。(2)大多数政府缺少针对可回收锚杆的相关政策及有效监管。分为几种情况:(1)少数城市以不能使用红线外地下空间为由，或抱着多一事不如少一事态度，或对锚杆回收率高度不信任，锚杆不管是否可回收一律禁用;(2)少数城市允许使用可回收锚杆，也有回收率要求，但缺少有效监管;(3)大多数城市不置可否。(3)业界对可回收锚杆技术普遍认知不足。针对岩土工程专业人士调查统计结果表明(4)低价中标。在建筑市场最低价中标的大环境下，可回收锚杆因造价高于常规锚杆而被拒绝已成为常态;就算被采用，采购方也大多倾向于不采用高价优质产品，久而久之形成劣币驱逐良币现象，优质产品被迫降低质量及价格以与劣质产品竞标，市场还未培育成熟就已经开始恶性竞争。(5)有些人，包括技术及管理人员，因为是新技术、不熟悉而本能抵触。(6)市场信誉度不高。总体来说，由于政府监管缺失、业界自律性不强、市场竞争无序、工程造价低廉等原因，尽管国内锚杆回收技术较为先进，但总体回收率很低，远低于国外，行业市场声誉并不是很好，业内外均存在着较大及较多误解。4.2发展尚未成熟(1)市场需求逐渐加大，需要锚杆回收的情况越来越多，如:(1)越来越多城市对红线外用地进行限制;(2)越来越多城市要求地铁沿线及规划市政道路沿线基坑不得采用常规锚杆、允许采用可回收锚杆;(3)开发商连片式的拿地开发，出现了前期地块锚索影响了相邻地块后期开发建设问题。(2)业界意识越来越强，参与及推动力量越来越大:(1)几年前，可回收锚杆技术的主要推动力量还是锚具厂商和从事专业施工的中小企业，近年来越来越多的高校、科研院所、中大型企业、学协会、业界知名权威、各方专家学者等纷纷加入，行业组建了技术与产业联盟，加强了自律和互相监督;(2)各建设、监督、设计、施工、科研等相关单位主动了解、接受甚至去研发，改变了以前仅由厂商研发的单一状态，大大增强了新技术研发及应用能力，一些单位主动在施工常规锚杆时尝试做一部分可回收锚杆以进行技术探索与储备。(3)政府监管越来越到位。在国内，政府层面的有效监管是可回收锚杆行业持续健康发展的前提条件。随着促进地下空间可持续性开发利用越来越成为社会共识，越来越多的地方政府出台了相关政策，加大了监管力度，禁止基坑等工程采用常规锚杆，加强了对锚杆回收技术的引导、支持及推广力度。在政策层面他山之石可以攻玉:近些年来日本、韩国、新加坡、马来西亚等有一项地下空间管理政策，大体为:锚杆等建构筑物出用地红线时，按照占用红线外地下空间的体积及时间征收占地费，两三年内回收则费用有限，永不回收则费用高昂，这导致了这些国家基坑工程均采用可回收锚杆、不采用常规锚杆。这项租地政策国内可以借鉴。(4)可回收锚杆支护技术的优势越来越明显。仍以混凝土支撑作为对比:石子及砂为不可再生资源，大自然中越来越少、政府禁采力度越来越严格，各城市混凝土价格越来越高、供应越来越紧张;支撑拆除后作为建筑垃圾外运价格也越来越高;基坑越来越深，桩基空桩越来越长等，这些因素导致支撑的劣势越来越明显，而可回收锚杆支护在经济、工期、技术、环保等方面的优势越来越大。5可回收锚杆检测措施及应用展望(1)继续研发满足不同环境需求的产品及技术，扩大可回收锚杆在淤泥质土等软土、深厚填土、岩溶等特殊性岩土及不良地层的适用范围。(2)研发及推广进一步提高锚杆回收率的技术，包括产品、工艺及方法等。重点方向有两个:(1)回收自测功能。例如:a．热熔锚，安装后可通电自检，电路接通表示锚杆可正常回收;b．部分旋转类(包括顶进旋转类)锚杆，安装后可旋转自检，自检后反向旋转再恢复正常使用。这种事中检测至关重要，提前发现了哪些锚杆存在着回收障碍，趁着基坑还在开挖、现场具备条件，可采取强拆方法拆除重做，等到回收时再发现就晚了。不建议对U型锚试拉自检，可能会造成锚筋损伤而无法察觉。(2)技术的可靠性。除去管理因素，锚杆能否正常回收主要取决于产品性能及施工质量两方面因素，要从技术层面解决施工质量不佳问题而不是把宝押在施工人员的责任心及操作水平上，例如在软土等不良地层可采用水力扩