新型挤土法施工抗浮锚杆工艺研究

2015-02-23涂爱华

西部探矿工程 2015年8期

关键词：土法抗浮成孔

涂爱华

（鄂西北工程勘察总公司，湖北襄阳441003）

新型挤土法施工抗浮锚杆工艺研究

涂爱华*

（鄂西北工程勘察总公司，湖北襄阳441003）

抗浮锚杆采用传统的钻进工艺，不能有效地解决砂砾石层塌孔问题。新型的挤土法成孔工艺是利用大扭矩设备的钻杆，将土层挤入四周孔壁，钻进过程中提下钻都注入水泥浆，质量可靠，效率较高，施工工艺优于常规的全面破碎循环钻进或取土法钻进。

抗浮锚杆；挤土法成孔；喷粉桩机

随着城市人口快速增加、土地资源日益匮乏，合理有效地开发利用城市地下空间资源，是解决城市人口、资源、环境三大危机的重要措施，是实现城市可持续发展的重要途径。

中国改革开放30年来，城市建设加速发展，地下空间的应用越来越广泛，出现了大量的地下广场、高层建筑地下室、地铁等，如何解决地下室的抗浮问题已经成为结构工程师面临的难题。

目前地下室的抗浮措施有压重抗浮、降排截水抗浮、抗浮桩、抗浮锚杆等四种，各种技术都有优缺点，但从工程实践来看，抗浮锚杆技术是比较经济合理的方法。由于抗浮锚杆间距小，底板所需要平衡的弯矩和剪力也小，地下室底板厚度薄，梁板配筋较小。抗浮锚杆数量较大，即使其中一根或几根发生破坏，也不会产生整体抗浮失效。

1 锚杆成孔工艺研究

目前国内的抗浮锚杆成孔工艺主要是通过钻头破碎地层，泥浆或高压气体将岩粉带出孔内，综合其钻进循环方式有如下几种：

地质钻机泥浆护壁成孔：利用地质钻机带动三翼钻头或环形合金钻头破碎地层，通过泵送人工配置的优质泥浆，利用组合的正反循环系统，将破碎的小颗粒带出孔底；同时泥浆可以有效地稳定砂卵石层的孔壁。成孔注浆前要对孔内的浓泥浆采用清水洗孔，容易造成孔内塌孔，影响钢筋下放和成孔质量。

潜孔锤钻机成孔：利用潜孔锤锚杆钻机，配合空压机产生的高压空气进行排渣，套管在下钢筋束及灌浆管后用SH-30型拔管机或液压拔管器拔出。在岩石地区一般潜孔锤都是干作业以高压空气作为动力，有时泵送泡沫溶剂增加清渣效率，成孔效率较高。在松散的土层中采用湿作业成孔，效率明显较低，卵砾复杂地层中容易造成孔内坍塌和卡钻事故，采用潜孔锤施工优势不明显。

螺旋钻干取土成孔：施工时长螺旋钻杆直接钻孔出土，这种方法把成孔过程中的钻进、出渣、清孔等工序一次完成，钻孔取出的土用挖机装运。施工可采用专用的锚杆钻机，主要适用于粘性土和砂土等地层，成孔后孔壁稳定、不易塌孔的情况，如遇地下水则干钻不能成孔，要配合套管钻进，工效较低。近年来有单位公开了一种实用新型的抗浮锚杆成孔工艺，是利用长螺旋钻机代替传统的液压锚杆钻机或回转钻机进行抗浮锚杆施工，将长螺旋钻机经过改造，使其能够进行小孔径的钻孔施工。还有单位采用SJB-1型水泥搅拌桩机，加工专用的螺旋真空钻杆，干取土成孔，在粘性土中较为适宜，但在含水的粉土层中存在塌孔，在砂卵石层中不适用。

2 襄阳市抗浮锚杆利用现状

襄阳市是湖北省省域副中心城市，近年来高层建筑发展迅猛，地下室抗浮问题也引起工程师的广泛关注。目前地下室抗浮措施主要采用抗浮桩，抗浮锚杆施工工艺在襄阳地区尚不成熟，虽然有少量工程应用了抗浮锚杆，但效果一般不理想。

襄阳地区位于汉江冲积平原，覆盖层为第四系河流冲洪积层，上部为粘性土，下部为砂砾石层，富含承压水。襄阳市砾石层一般埋深15m左右，其提供的侧摩阻力较大，这对使用抗浮锚杆较为有利。但在地下水丰富的砂砾石层中锚杆成孔工艺尚未解决，这限制了抗浮锚杆在襄阳市的推广应用。

襄阳市抗浮锚杆一般口径150～250mm，采用常规的地质钻机泥浆护壁成孔工艺，工效太低，质量难以保证，受地下水的影响，造成砂砾石塌孔严重，泥浆一般不能清洗干净而影响侧壁摩擦力，且钻进与注浆时孔口排渣量大，环境污染大。采用潜孔锤风动钻进，砂砾石层中遇地下水易塌孔，采用钢套管跟进时成孔速度慢，造价昂贵。

3 锚杆新型挤土法成孔工艺

通过对襄阳市地质情况和锚杆成孔工艺的研究，发现传统钻进工艺不能有效地解决砂砾石层塌孔问题。因锚杆具有口径小的特点，我们探讨采用一种新型的挤土法成孔工艺，利用大扭矩设备的钻杆将土层挤入四周孔壁，钻进过程中提下钻都注入水泥浆，可在砂卵石层中有效护壁，防止塌孔现象的发生，不需要清孔，保证锚孔质量，这不同于常规的全面破碎循环钻进或取土法钻进，施工过程清洁环保。

为此我们研究了现有的钻探设备，发现工程上常用的喷粉桩机扭矩大，钻杆直径与锚杆口径接近，施工中钻杆直接挤土，效率极高，可以较好地解决钻进问题。一旦新型挤土法工艺试验成功，可以彻底解决复杂地层钻进难题，提高生产效率，为类似工程抗浮锚杆的推广应用提供技术支撑。

4 新型挤土法施工抗浮锚杆应用实例

（1）工程概况。襄阳汉水华城项目占地660亩，由长虹路、建设路、汉江路和人民西路围合而成，总建筑面积124×104㎡，商业面积74×104㎡，项目建成后将成为长虹路和人民路的地标性建筑。本期新建汉水华城6-3#地块还建房项目由两栋33层建筑物及地下车库组成，总建筑面积约62552.44m2。设计建筑物±0.000标高为68.35m，场区整平标高67.00m，建筑物场区下设2层整体式地下室，主楼部分采用桩基础，纯地下室部分采用独立柱基。

由于纯地下室部分荷载小不能满足抗浮要求，设计采用抗浮锚杆。地下室底板底标高-9.35m，从现状地面起算埋深-8.0m。初步设计抗浮锚杆933根，锚杆的抗拔承载力特征值为120kN，锚孔直径150mm，长度14m，间距1.7m×1.7m，主筋采用3∅22Ⅲ级螺纹钢。

（2）工程地质条件。拟建场区地貌单元属汉江一级阶地，分布地层为第四系全新统（Q4al+pl）冲洪积层，上部为粉质粘土，下部为砂、圆砾、卵石层。

①杂填土（Q4ml）：杂色，松散状，稍湿，主要由粘性土、建筑垃圾、砖块、砾石和砂组成，成分不均匀，孔隙度变化大。层厚1.20～2.50m。

②-1粉质粘土（Q4al）：黄褐色，稍湿，硬塑，土质较均匀，见褐色铁锰质浸染，夹灰白色高岭土条带及团块，有弱粘滞感，局部粉粒含量较高。层厚6.10～8.50m。

②-2粉质粘土（Q4al）：黄褐色，稍湿，可塑状，含少量铁锰质氧化物结核及高岭土条带，切面光滑，无摇震反应，干强度及韧性中等，局部粉粒含量较高。层厚2.30～4.80m。

②-3淤泥质粉质粘土（Q4al）：青灰色，湿，软塑-可塑，含有机质，略具臭味，局部粉粒含量较高，偶见薄层粉细砂。层厚0.50～3.20m。

③砾砂（Q4al）：青灰色为主，饱和，松散-稍密，主要矿物成分为石英、云母等，砾石含量约占32%，粒径一般2～20mm，次圆状，中间充填中粗砂。层厚0.80～3.90m。

④圆砾（Q4al+pl）：杂色，饱和，稍密-中密，主要矿物成分为石英、云母等，砾石含量约占55%，粒径一般10～20mm，最大可达80mm，次圆状，中间充填中粗砂。层厚3.50～13.20m，层顶埋深13.60～22.00m，层顶高程44.74～53.26m。

⑤圆砾（Q4al+pl）：杂色，饱和，中密-密实，主要矿物成分为石英、云母等，砾石含量约占70%，粒径一般15～30mm，最大可达80mm，次圆状，中间充填中粗砂，最大揭露厚度17.80m，层顶埋深24.90～31.60m。

（3）水文地质条件。场地地下水类型主要为填土层中的上层滞水，第四系砂砾石层中的孔隙承压水。上层滞水补给来源为大气降水，靠自然蒸发排泄，其水位变化较大，无统一自由水位。孔隙承压水赋存于砂、圆砾和卵石层中，含水层顶板埋藏深度13.00～14.50m，考虑地下水位变幅最高水位达65.00m。

（4）地下室基坑支护及降水情况。根据场区工程地质条件及周边环境、基坑开挖深度不同，基坑设计分别采用桩锚支护和分级放坡+喷锚支护。主楼基坑开挖9.6m，纯地下室部分开挖8.0m，基坑设计管井降水，管井布置于基坑内部。基坑侧壁土层为①杂填土、②-1粉质粘土，底部为②-2粉质粘土、②-3淤泥质粉质粘土、③砾砂、④圆砾。纯地下室部分在基坑底板以下为粉质粘土，5～6m深度见砂及圆砾层，局部含大卵石。

（5）抗浮锚杆基本试验。抗浮锚杆基本试验是进行锚杆成孔试验，选择合适的设备，探索锚杆成孔、注浆、下锚筋工艺，解决易发的塌孔问题。研究合适的锚孔直径，解决砂砾层成孔效率问题，校核本工艺条件下的岩土层侧摩阻力、施工工艺等参数，以指导和优化设计方案。本次锚杆基本试验共布置6根锚杆，其中钢筋锚杆和锚索各3根。

本抗浮锚杆在地下室基坑中施工，基坑开挖至底板标高以下铺设10cm厚的C10素混凝土，周边设置排水沟，保证基坑施工面干燥。施工设备采用PH-5A型喷粉桩机，截面125mm的方形钻杆，钻杆对角线长近190mm，钻头直径比钻杆大约20mm，因此成孔直径近220mm较为合适。施工中对比了螺旋钻头和三翼钻头，发现钻头阻力大，钻进速度慢，砂砾石层中钻头磨损较严重，经过改进在钻头杆体边缘和下端分别焊接了六个炮钎头，钻头方套处焊接比钻杆略大的环形钢筋圈，钻进效率明显提高。刚开始下钻时采用清水钻进，砂砾石层中塌孔严重锚筋无法下到底部，后提下钻都改注水泥浆解决了上述难题。锚杆钢筋由钻机吊放，钻机塔架顶部设置一吊钩，在钻机底部平台上安装一台卷扬机，专门吊放钢筋钢筋，入孔时要保持垂直对准孔位缓慢下放。为防止降水对锚杆质量的影响，锚杆施工时暂停附近降水井3d，注浆水泥掺入早强剂和微膨胀剂。

经过几天的反复摸索试验，最终确定了锚杆的成孔工艺：测量放线→钻机就位→钻进注浆下沉→注浆提升→吊放锚筋→注浆至孔口→二次注浆。

锚杆成孔20d后进行抗拔试验，最大抗拔力为400kN，钢筋锚杆位移不足5mm，锚索位移仅12mm，分析是锚索残余变形的结果，锚杆未进行破坏性试验。设计单位根据基本试验结果，正式方案设计采用抗浮锚索550根，锚索的抗拔承载力特征值为180kN，锚孔直径220mm，长度14m，间距2.1m×2.1m，抗浮锚索采用2束无粘结低松弛∅15.2Ⅱ级1860钢绞线。由于喷粉桩机施工作业面需要2.5m的锚杆间距，较小的间距桩机无法行走，本次采用抗浮锚索方案，今后可以探讨增大锚杆深度以提高抗拔力，加大锚杆间距后采用钢筋锚杆。

（6）锚杆正式施工。锚杆正式施工采用PH-5A型喷粉桩机2台，每天12h作业，一个月完成锚杆施工任务，完成锚杆555根，进尺7770m，期间因雨水影响耽搁五天，施工过程均较正常。抗浮锚杆施工完工后通过抗拔检测全部合格，一次性通过验收。

（7）经济效益分析。本地区采用抗浮锚杆的工程实例不多，主要是在土层及砂层中施工。由于挤土法施工锚杆质量可靠，基本试验的锚杆抗拔力大幅提高，锚杆工作量减少了约40%，经济效益明显。采用普通地质钻机泥浆护壁成孔，在砂砾石复杂地层中施工难度极大，类似工程成桩效率每天仅2～3根桩。地质钻机施工钻进速度慢，拆卸钻杆麻烦，下锚筋需专门配备机械人员，泥浆护壁质量不易保证，施工时泥浆污染较大。采用大扭矩喷粉桩机施工速度快，正常情况下每天可施工15根桩左右，无需拆卸钻杆和专门的清孔，自制吊装设备起吊锚筋方便，干挤土作业质量有保证，不会产生塌孔现象，施工时地面清洁环保。普通地质钻机施工的成本约100～120元/米，喷粉桩机挤土法施工可节约成本1/3以上，且工效高，安全环保，值得大力推广。