可回收自旋土钉锚管在西安地铁4号线的应用

马金伟

摘要：在矿用自旋锚管的基础上对土层自旋锚管进行了系统研究，并在西安地铁2号线大开挖基坑试验的基础上对西安地铁4号线的基坑进行大量试验。用可回收自旋土钉锚杆代替横支撑，确定不同土层中可回收自旋土钉锚管的各项参数，最后在基坑支护中大量应用并进行监测。结果证明：可回收自旋土钉锚管应用在土层中比传统的支护方式更加快速、安全、可靠。

关键词：可回收自旋土钉锚管；锚杆外丝径；旋丝螺距；锚固力

中图分类号：U455.7文献标志码：B

Abstract： Based on the selfscrewed anchors for mining engineering， the selfscrewed soil nail anchor was systematically studied， and the foundation pit of Xi'an Metro Line 4 was experimented on the basis of the excavation test of Xian Metro Line 2. The parameters of recyclable selfscrewed soil nail anchors in different soil layers were determined by using anchor bolts instead of transverse support， which were applied and monitored in the foundation pit support. The results show that the recyclable selfscrewed soil nail anchor is faster， safer and more reliable than the traditional support method.

Key words： recyclable selfscrewed soil nail anchor； outer diameter of anchor； screw pitch； anchoring force

0引言

地铁车站基坑施工中多采用钢管作为横支撑。这样的横支撑结构在施工中消耗大量的劳动力和费用，而且影响挖掘工作，后期施工建筑结构时还需拆除，影响工期。

针对上述问题，本课题组在2009年西安地铁2号线大开挖基坑时试验了可回收自旋锚杆的可用性，在2号线基坑支护经验的基础上对可回收自旋土钉锚管进行了一定的改进，并做了大量新的试验。此次在西安地铁4号线深基坑开挖中，用可回收自旋土钉锚杆代替横支撑，试验锚杆的应用状况。

1土层锚固现状分析

1.1自旋锚固技术国内外研究现状

自旋锚杆因结构形式似螺旋体又被称为螺旋锚杆。第一个有关自旋锚杆的标准——PISA（Power Installed Screw Anchors）于1959年制定。20世纪90年代初开始，中国在水利、电力、建筑、煤炭等很多行业都开展了自旋锚固技术的试验研究工作，但至今仍处于技术积累时期，主要是因为其在不同地层应用时需要采用不同的参数和工艺。

1.2锚固回收结构

1.2.1涨壳结构

土层锚固力来自摩擦力，因此需要足够的接触面，同时施加一定的正应力也非常有助于摩擦力的提高。

涨壳结构锚杆体（图1）可提供侧向力，用后还可回收；但其结构复杂，施工困难，现场很少应用。

1.2.2全向膨胀式结构

全向膨胀式结构的缺陷是结构复杂，回收困难，如图2所示。

此外，土层中使用的锚杆还有螺旋锚杆，它依靠

2 全向膨胀式结构

锚叶（由一系列较大截面的旋片组成）在土层中的摩擦形成阻力。螺旋錨杆技术已经在一些桩锚联合应用中取得良好的效果，但是大规模应用于深基坑支护还存在一些缺陷，需要进一步的研究与验证。

2可回收自旋土钉锚管的工程应用

课题组在近年煤矿自旋锚管（图3）的研究应用[15]中积累了大量的经验，在此基础上对土层中使用可回收自旋土钉锚管进行了系统研究；进一步分析了以前螺旋锚固技术的基本特点[612]，对土层锚固的作用机理再次进行了深入探索。本项目使用的锚杆是一种新型的受拉杆件，是以强力旋扭作用使锚固段对周围土体进行挤压形成较高的锚固力。

2.1试验地铁基坑地质情况

试验地铁基坑自上而下分为7个工程地质层，地层特征及描述如下。

2.1.1全新统地层

（1）人工填土，杂填土。该地层杂色、松散，由建筑垃圾、粉质黏土与大量砖瓦碎片组成，结构杂乱，土质不均，厚度为090～210 m。

（2）人工填土，素填土。以黄褐色为主，硬塑，主要为粉质黏土，厚度为080～500 m，层底深度为100～520 m，层底高程为39815～40283 m。

2.1.2上更新统地层

（1）新黄土。该土层分布于填土底面以下，黄褐色，可塑，属中偏高压缩性土，局部聚高压缩性。本层厚度为050～580 m，层底深度为300～720 m，层底高程为39631～40063 m。

（2）古土壤。以褐红色、褐灰色为主，局部软塑，团粒结构，其针孔状空隙含钙质条纹及少量钙质结核；底层钙质结核含量较多，局部钙质结核富集成层，钙质结核粒径约为10～30 cm，属中压缩性土。本层厚度为340～550 m，层底高程为38706～38952 m。

（3）粉质黏土。以黄褐色、褐黄色为主，硬塑，含锰铁质斑点及零星钙质结核，局部钙质结核富集。层厚110～850 m，层底深度为220～1180 m，层底高程为39142～39861 m。

（4）粉土。灰黄色，饱和、密实，含少量砂土。本层多以夹层或透镜体形式分布于粉质黏土层中，最大揭露厚度为280 m，最浅埋深为2050 m，最高高程为38303 m。

（5）细砂。灰黄色，饱和、密实，级配不良，矿物成分以长石石英为主，含少量云母。本层多以夹层或透镜体形式分布于粉质黏土层中，钻深最大揭露厚度为220 m，最浅埋深为215 m，分布有粉土、砂夹层或透镜体，属中压缩性土。最大揭露厚度为1980m，高程为38278 m。

2.2可回收自旋土钉锚管参数试验

2.2.1可行性试验

正式开工前首先进行多组试验以便找到适应本工程地质条件的各项参数，见表1。

可行性试验结论如下。

（1）使用风扳机旋入困难，风扳机不能满足50 kN以上锚固力的施工要求。

（2）打眼与不打眼相比对可回收自旋土钉锚管的锚固力有一定影响，但是影响不大。

（3）锚固力与可回收自旋土钉锚管带旋丝部分的长度有关，与锚杆杆体全部的长度关系不大。

2.2.2机械化安装试验

采用较大动力以及连续旋转机械化安装，试验结果见表2。

机械化安装试验结论如下。

（1）可回收自旋土钉锚管旋丝间距在25 mm和50 mm时的锚固力基本相同；采用旋潜孔钻机直接旋转安装的施工工艺时，旋丝间距宜选25 mm。

（2）在一般黏土中，可回收自旋土钉锚管外丝径为50 mm时，单位长度锚固力不小于15 kN。

（3）可回收自旋土钉锚管施工时宜采用旋进扭矩大于1 500 N·m的潜孔钻机，这类潜孔钻机安装速度快，施工完成后拆卸方便，施工性能可靠。

（4）可回收自旋土钉锚管锚固力与锚固长度成正比。

（5）可回收自旋土钉锚管在砂层中的锚固力明显大于土层中的锚固力。

2.2.3确定锚杆参数

经过不断的参数设计和调整，并在土层中进行大量试验，最后决定本标段的土钉和桩间锚杆采用钢管作杆体，三角冷拔丝作旋丝，完整结构见图4。

最后确定在本标段使用的锚杆参数如下。

（1）土钉参數。土钉采用HXTZT自旋土钉锚管；锚管外径为37 mm，杆体采用壁厚2.75 mm、直径为21mm的无缝钢管；旋丝材质为三角钢丝，高度9 mm，间距25 mm；长度的初定为3 500 mm，施工中可根据需要确定合适长度；土钉蝶形托盘尺寸为120 mm×120 mm×7 mm。

（2）桩间锚杆参数。采用HXTZM自旋锚杆，锚杆外径为44 mm，杆体为壁厚5 mm、直径34 mm的无缝钢管；旋丝材质为三角钢丝，高度5 mm，间距25 mm；长度为每节6 000 mm，施工中可根据需要任意接长。

（3）锚杆锚固参数。含水率小于18%时，土钉锚固力大于42 kN；水饱和时，土钉锚固力为22 kN左右。含水率小于18%时，锚杆锚固力大于16 kN·m-1；水饱和时，锚杆锚固力为8 kN·m-1左右。

2.3可回收自旋土钉锚管安装后期内力

可回收自旋土钉锚管在安装过程中就开始对土体进行挤压，安装完成后能马上产生可靠的锚固力[1317]，如图5所示。试验数据表明，可回收自旋土钉锚管的锚固力在一般砂土层中达到10 kN·m-1以上，在古土壤中可达到25 kN·m-1以上，能够满足基坑安全的要求。由于各种扰动和可回收自旋土钉锚管安装过程中旋丝间距的不规则性，尤其是旋丝前后的不同步，使得锚杆安装结束后的锚固力还没有达到最大值[1819]。观测数据表明，经过一段时间后，锚杆的锚固力有所上升，这一现象对基坑的长期稳定非常有利。

3结语

本次西安地铁4号线的试验给可回收自旋土钉锚管进入深基坑支护进一步打下了基础。

（1）本次试验得到了在古土壤、砂土体中使用可回收自旋土钉锚管的参数。

（2）用可回收自旋土钉锚管代替桩锚系统中的锚索，能在最短时间内达到加固基坑周围土体的效果，其锚固方式能够改变基坑周围土体的力学特性。横支撑占用基坑内部大量的空间，严重影响机械的施工效率，可回收自旋土钉锚管代替横支撑，完全不占用基坑内部空间，使得挖土施工效率提高一倍以上，永久结构施工效率加快，施工期大大缩短。

（3）可回收自旋土钉锚管作为桩间锚杆只需要很小的预紧力就能改变土体的力学特性。

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[责任编辑：杜敏浩]