土钉支护在船闸闸室墙加固中的应用

周 颖

（江苏省刘老涧船闸管理所，江苏 宿迁 223800）

土钉支护在船闸闸室墙加固中的应用

周 颖

（江苏省刘老涧船闸管理所，江苏 宿迁 223800）

本文通过刘老涧一号船闸技术改造中利用土钉支护就地加固闸室墙后回填土，将闸墙与墙后回填土形成类似于重力式挡墙的整体结构，改善闸室墙由于墙后土压力增大而发生内倾的工程实例，分析利用船闸现有闸墙作为喷射砼面板，钻孔放置变形钢筋作为土钉，压浆改善土质形成的“非典型”性土钉墙施工方法并获得成功，为类似水工建筑加固改造提供借鉴。

土钉支护；船闸；闸室墙加固

1 工程背景

刘老涧一号船闸1978年9月建成并交付使用，船闸尺度230m×20m×4m，闸室结构为分离式混凝土圬工重力式结构，闸室墙高12m，使用年代久远，墙后地表水下渗，回填土由原虚填变为自然密实，土压力增大。多块闸室墙在水位变动区出现横向裂缝，上部闸室墙内倾，严重影响船闸结构安全，已属于危闸，决定实施全面技术改造，闸室抽水后，凿除水平通缝以上的墙体，植筋浇筑新墙体，对于仅发生内倾尚未发生水平通缝的墙体人工剥离20cm厚混凝土，绑扎钢筋网片，在墙体钻孔并延伸至墙后土层12m，通长放置Φ25螺纹钢筋，注浆提高原装土整体性，浇筑闸室墙贴面混凝土，形成土钉支护，改善闸室墙受力状态。

2 闸室墙土钉支护加固理论

船闸在正常运行期间，随着闸次的开放，闸室内水位在上下游水位间变动，下游水位时闸室水深4.5m，上游水位时闸室水位9m，最低水位以下的闸室墙在土压力和水头压力下处于平衡状态，在水位变动区以上，闸室墙仅受墙后土压力的单向力，闸室墙成为悬臂结构，在上部主动土压力较大处挤压闸室墙产生内倾，闸室最低水位处即是最大弯矩和最大剪力产生处，从而破坏混凝土墙体，产生水平裂缝。根据土力学可知，在墙后土体结构中存在滑动区和稳定区，闸室墙处于极限运动状态，土体有沿墙及假想破裂面移动的趋势，即土推墙的主动土压力存在，只有通过工法消除主动土压力或者在闸室最低水位以上的墙体上设置土钉支护利用土钉支护结构增加钉-土摩擦力的理论［1］，土钉墙如图1所示，滑动区ABC产生的水平推力即是对闸室墙的主动土压力同时也在土钉中形成拉力，企图将土钉从土中拔出，而滑动面后方的土被稳定区土的自重压住。也就是说，稳定区的土与土钉之间的摩阻力阻止土钉拔出，如果稳定区的筋土之间的摩擦力与主动区土的水平推力平衡，闸室墙所受的主动土压力就不复存在，那么闸室墙、土钉、墙后土所形成的整个结构就是稳定的。

图1 土钉结构原理-筋土摩擦理论

3 闸室墙土钉支护的三要素

土钉墙支护方式的三要素无外乎土、钉、墙［2］。在最常见的土钉支护施工方案中，尤其在基坑开挖支护时，常用土钉支护一般采用逆作法，先开挖沟槽留作土钉墙施工空间，喷锚完成后再实施土方开挖，可看作是土钉与挖土同步进行。那么，在开挖完成的沟槽后方原状土就是土钉支护结构中的第一要素——土；通过在沟槽壁钻孔植入土体的钢筋就是另一重要要素——钉；最后在沟槽壁上喷射砼形成的护壁即是最后一要素——墙。本工程所用的闸室墙土钉支护不同于基坑开挖，其形成土钉支护的三要素土、钉、墙也有明显区别，其第一要素土即是闸室墙后回填土，钉则是需要通过在闸室墙上钻孔并沿同一轴径延伸至土层内，然后放置钢筋并注浆形成，墙则是利用现有闸室墙，无需喷射砼，但需在闸室墙上制安钢筋网片，安装模板后浇筑高强混凝土闸室墙内衬。由此可见，用于闸室墙加固所用土钉支护结构是一种“土、钉、墙”三要素齐全，施工方法经过调整的“非典型”土钉墙。

4 施工方法及流程

4.1 施工流程

施工流程如图2所示。

图2 施工流程图

4.2 施工机具选型

4.2.1 闸室墙钻机。刘老涧一号船闸闸室墙为干硬性混凝土结构，实地回弹强度达C40，且闸室墙为扶壁式结构，闸室墙顶最窄断面厚度为0.5m，根据设计孔位，最上排土钉所在闸室墙厚度为0.8m，最下排土钉所在闸室墙厚度为1.2m，闸室墙的素混凝土结构，若采用常规气镐或者电镐等成孔设备，极易因施工干扰产生裂缝和破坏，故排除。普通水钻打孔机的合金钻头无法满足成孔深度的要求，通过现场焊接钻头加长杆，其扭矩无法满足钻进需求；经过反复试验后，选用混凝土钻孔取芯机效果较好，该机型采用双立柱结构、螺旋给进方式，稳定性好，操作简单省力。采用汽油发动机为动力、最大钻孔取芯直径Φ200mm、最大钻孔取芯深度400～5 000mm（可配加长杆30cm/根），满足最大80cm钻孔深度的要求，采用高速切割技术与薄壁金刚石钻头配套，可钻切高强度钢筋混凝土，钻进效率高、孔位准确、孔壁光滑，成孔质量好，芯样完整光滑、震动小，对闸室墙无损害。

4.2.2 土层钻机。锚杆钻机是土钉支护的关键设备，它影响着土钉支护的质量——孔的方位、深度、孔径的准确性及土钉安装质量，又涉及操作者的人身安全、劳动强度与作业条件等。根据破岩方式，目前市面上常见的有回转式、冲击式、冲击回转式、回转冲击式。而刘老涧一号船闸墙后土为回填土，经过几十年的自然沉积，可看作自然密实土壤，且土质为黏性土，类型单一，无砂砾等杂质，选用一般锚杆钻机即可完成成孔。为了作业效率，最终选用支腿式回旋钻机。

4.2.3 注浆设备。注浆质量的好坏是闸室墙土钉锚固成败的决定性因素，是本工程的关键性工序，注浆在闸室的竖直墙面上作业，施工面空间有限，交叉施工多，制浆在墙顶地面完成，浆液采用纯水泥浆，根据设计要求，初始水灰比定位0.7∶1，根据回浆情况，逐步调整至0.4∶1，随着成孔工法越来越熟练，原来准备的一台制浆机无法满足注浆效率，经设计院认可后，在纯水泥浆液中掺入速凝剂，速凝剂选用水玻璃，经试配后选用浓度为30°Be^，掺入量为水泥的2.5%，很好地解决了制浆机存在不足影响工作效率的问题。

4.3 施工过程及其控制要点

4.3.1 闸墙钻孔。因老闸墙较为单薄、土钉孔眼较密，为避免钻孔对闸墙造成过大的震动和损伤，采用轻型地质钻机进行造孔，造孔前根据设计孔位进行测量放样，并做好孔位标记。然后搭设移动平台便于人工操作。为了控制好孔的倾斜度，根据设计倾斜度要求焊接一个三角锥形钢架放置钻孔机以控制孔的倾斜度。定出孔位做好标记并编号，一切准备完好后，进行闸墙钻孔，孔眼直径为120mm。

4.3.2 土层成孔。土钉长度分别为5 500、6 500、7 500mm，采用22、25mm的螺纹钢，对钢筋原材料按规范要求进行抗拉、抗折、焊接试验。施工采用回旋钻机施工成孔，钻孔过程中控制好孔径、孔深和成孔的倾斜度，所有尺寸及位置均应符合设计要求和有关规定。如果成孔过程中遇到障碍物，应及时调整孔位，调整孔位位置不得损害闸墙加固设计原定安全程度和被支护结构的安全。

4.3.3 插入土钉。插入土钉前预先进行清孔检查，若孔中出现局部渗水或掉落松土应立即进行处理。土钉钢筋置入孔中前，要先在钢筋上安装对中定位支架，以保证钢筋处于孔位中心且在注浆后其保护层厚度不小于25mm。支架沿钉长的间距为2～3mm。

4.3.4 钻孔内注浆。土钉钢筋安设好后，请监理现场验收，验收合格后对钻孔内进行注浆，浆体采用硅酸盐水泥，标准稠度30%，水灰比为0.4左右，砂浆比为1∶1，可适量掺入膨胀型减水剂，拌和时间不少于1min，灰浆过筛后存放于储浆桶内。此时桶内灰浆仍要低速搅拌，并经常保持足够的数量以保证每根管道的压浆能一次连续完成。水泥浆自调制到压入管道的间隔时间不得超过40min。注浆时注浆管一定要插至孔底，然后回抽3～5cm，注浆的压力以保证压入孔内的水泥浆密实为准，开始压力要小，逐步增加，一般为0.5～0.7MPa。缓缓退出，直至孔口溢出（管亦刚好自动退出）。当气温高于35℃时，压浆在夜间进行。压浆后应从检查孔抽查压浆的密实情况，如有不实，应及时处理和纠正，注浆完毕后，在浆液终凝前不得敲击、碰撞或施加任何其他荷载［3］。

注浆结束后，待浆体的强度达到设计要求时，将土钉钢筋与闸墙贴面钢筋牢固焊接。土钉的端部弯折250mm后，再与面层纵向钢筋焊接。

5 施工中易出现的问题及处理方法

5.1 注浆后土体液化

在易液化的土体环境中实施土钉施工，在施工中和竣工后都可能在外界的冲击和震动下使土钉墙或深远部土体突然塌落失稳，尤其在闸室墙土层为回填土的情况下，其含水率常不能通过普通钻探进行科学评估，局部土质可能含水率偏差显著，故在闸室墙加固中单独采用土钉墙加固土体的措施具有一定的风险性。一旦发生土体液化，要及时调整灌注的水泥浆水灰比，必要时在水泥浆中加入速凝剂用以对抗土体的液化［4］。如果土体液化发生属于大概率事件或者发生的面积较广，应立即停止施工，采取墙后土开挖和换填的方法，避免采用单一的土钉加固方式。

5.2 土钉墙整体破坏

土钉成孔注浆后，由于闸室墙墙体冲孔过密或者施工震动导致墙体受到破坏，而墙后需加固的土体内部产生裂缝与滑移，将加固体分割为滑动区与约束区。由于滑体下移将同时导致土钉弯曲、剪切与拉伸，最终可能拔出或断裂。产生这种情况的主要原因是土钉的总体抗拉或抗拔力不够，且抗弯、抗剪能力也不足。这时就需要设计单位及时介入，一般采取增大土钉钢筋直径和锚杆长度的方式来解决。

5.3 土钉墙局部破坏

闸室墙面层混凝土浇筑完成，即整个土钉墙的三要素（土、钉、墙）全部实施完成后，个别地方容易出现一些损坏。例如，闸室墙面层钢筋与土钉结合点的断裂；个别土钉损坏；面层局部开裂、隆起或墙后土与闸室墙产生空隙等，这些问题的出现证明土钉支护是失败的。而类似这些问题的出现多是由于施工和材料质量不佳或排水、防水、防腐蚀不力，此类问题多出现在闸室墙面层混凝土浇筑完成后，显然已无整改措施。所以，在施工过程中，要从准备阶段开始，不管是施工机具、材料的准备，还是施工现场的准备，尤其墙后土的降水工作一定要切实完成，确保土钉支护的质量。

6 结语

土钉墙技术是一种较为成熟且具有广阔发展前景的技术，通过本工程的实际应用，选择合适的施工器具及合理的施工参数对工程建设具有重要的指导意义。希望本文的论述能为以后类似水工构筑物原位加固提供一些参考。

［1］孔宪宾，任青文.土钉墙技术及其发展［J］.水利水电科技进展，2000（2）：24-25.

［2］万金山.土钉墙技术及其应用前景［J］.江苏地矿信息，1997（2）：87-95.

［3］杨永涛.自钻式锚杆在溪洛渡水电站左岸竖井施工中的应用［J］.水利水电科技进展，2010（1）：54-55.

［4］张鑫，盛光复，孙剑平，等.一起深基坑支护事故分析［J］.工程力学，1996（A03）：363-366.

Application of Reinforcement in the Lock Chamber Wall in Soil Nailing

Zhou Ying
（Liulaojian Shiplock Management Institute of Jiangsu Province，Suqian Jiangsu 223800）

This article through the use of soil nailing reinforcement chamber wall backfill Liulaojian ship⁃lock,technological transformation,the wall and backfill to form an integral structure similar to the gravity retaining wall,the engineering examples to improve the chamber wall due to wall earth pressure increases occur introverted,analyzed of the use of existing lock gate as the spray concrete panel,borehole deforma⁃tion of reinforced soil nailing placed as grouting to improve the soil,the formation of"atypical"of soil nail⁃ing wall construction method and success,reinforcement and reconstruction to provide reference for similar construction.

soil nailing；navigation lock；chamber wall reinforcement

U641.31

A

1003-5168（2017）12-0052-03

2017-11-03

周颖（1983-），女，本科，工程师，研究方向：船闸养护保障管理。