击入式伞型锚加固膨胀土高边坡技术在袁冲暗涵工程中的应用

(湖北水总水利水电建设股份有限公司，湖北 武汉 430000)

1 工程概况

鄂北地区水资源配置工程干线总长269.67km，经过膨胀土分布区总长124.16km；其中，弱膨胀土段长度为114.55km，占92.25%；中膨胀土段长度为9.61km，占7.75%。膨胀土段地处襄枣盆地，主要为中、上更新统的黏性土，具有弱～中等膨胀性。有效治理膨胀土边坡是鄂北地区水资源配置工程的主要技术难题之一。

鄂北地区水资源配置工程2标一工区袁冲暗涵工程(10+350～11+790)地质条件较一般膨胀土复杂，其裂隙性极为突出。一级马道以下存在较为发育的缓倾角原生裂隙，且裂隙发育情况沿渠道中线变化；另外，该渠段开挖深度普遍超过20m，部分接近30m，易发生高边坡深层裂隙性滑坡。该段内发生的滑坡多为深层失稳，与膨胀土边坡常见的浅层失稳完全不同，原设计采用1∶1.5的坡率进行自然放坡，无法解决深层裂隙导致的边坡失稳问题。前期开挖施工表明当前条件下边坡开挖至渠底以上6m处时，均可能会发生大范围深层滑动，即使按照1∶3重新放坡，边坡依然出现滑坡，且征地范围内已临时堆存土，征地宽度也有限。

2 深基坑开挖边坡施工概况

本工程袁冲暗涵基坑临时边坡安全等级为4级，施工期为半年左右，按1∶1.5的坡率明挖法施工，临时边坡采用PE薄膜覆盖，开挖深度20～30m。开口线两侧征地宽度40m，右侧距开口8m设置一条宽8.0m的施工便道，左侧12m外和右侧便道外设置为临时堆土场，堆土高度不超过8m，渠坡顶设截排水沟，PE薄膜防渗，开挖过程中未发现地下水。

暗涵边坡开挖至一级马道以下时存在高蒙脱石含量的膨胀土且具有较为发育的缓倾角原生裂隙。渠段边坡出现了数次不同规模的滑坡，其中，10+350～10+385右岸以及10+615～10+682右岸均出现较大规模的滑坡。经现场勘查与监测分析显示，渠坡沿倾向裂隙面发生深层滑坡，裂隙使土体的强度明显低于一般黏性土，裂隙面呈现3°～5°的倾向，裂隙面强度参数极低。一工区(10+350～11+790)因滑坡导致暗涵施工进度一度停滞。

针对鄂北地区水资源配置工程2标一工区特有的地质条件、滑坡模式及地形条件限制，如何确保膨胀土临时高边坡的稳定，加快后续的暗涵深基坑开挖施工和工期需要，是亟待解决的问题。膨胀土暗涵深基坑开挖断面见图1。

图1 膨胀土段暗涵开挖布置

3 深基坑支护设计方案

以应急试验段为例，其采取的支护设计方案为：左右岸边坡分别布置1排和3排伞型锚，其中左岸在一级马道以下3m处布置1排伞型锚，右岸分别在三级边坡、二级边坡以及一级边坡以下3m布置3排伞型锚，右岸3排锚杆的锚固深度分别为22m、15m和13m，相应左岸一级马道以下3m锚杆锚固深度为13m，伞型锚间距均为2m，如图2所示。伞型锚抗拔承载力设计值取120kN，张拉锁定荷载取80kN。

4 击入式伞型锚加固施工技术

4.1 工艺原理

伞型锚加固膨胀土边坡成套技术，改变了锚杆抗拔力的提供方式，将传统的摩阻力变为依靠土体对扩大头的端承力，大大提高了锚杆的抗拔力，可以使结构与地层连锁在一起，形成一种共同工作的复合体，使其能有效地承受拉力和剪力，并能提高潜在滑移面上的抗剪强度，有效地阻止坡体位移。

采用振动击入设备，将收紧的锚头按预定方向和深度击入土体，并对其施加预应力，张拉时锚头自动张开并刺入周边土体，利用土体自身抗力提供所需锚固力，用以维护岩土体的稳定。

图2 试验段伞型锚设计布置断面

击入式伞型锚加固原理图见图3。

图3 击入式伞型锚加固原理

4.2 施工工艺流程

根据伞型锚的施工工艺要求，伞型锚加固工艺流程如下图4所示：

图4 施工工艺流程

4.3 击入式伞形锚支护施工

4.3.1 施工准备

施工前应平整坡面，使坡面与锚孔轴线垂直，清理马道平台或搭建施工平台，确保施工操作面宽度不小于2.0m；在坡顶做好定位锥，方便后续的钻孔设备和伞型锚击入设备的安装就位；布置好供电线路和供风管路。采用全站仪对伞型锚加固位置进行定位，并做好标识。

4.3.2 测斜管和水位管安装

为了节约工程的投资，采用测斜孔做为地下水位的监测点，同时测斜孔安装开挖单元的长度90m的中间布置一个完整的全断面的检测，即分别布置在左右岸的开挖平台马道上，共计6个测斜孔，采用履带式潜孔钻进行钻孔。其要点如下：

a.钻孔深度达到设计要求，成孔偏差<1%，采用直径70mm的硬质塑料管。埋设前应检查测斜管质量，测斜管连接时应保证上、下管段的导槽相互对准、顺畅，各段接头及管底应保证密封。

b.测斜管埋设时应保持竖直，防止发生上浮、断裂、扭转；测斜管对导槽的方向应与所需测量的位移方向保持一致。

c.测斜管与钻孔之间的孔隙应填充密实。

d.测斜仪探头置入测斜管底后，应待探头接近管内温度时再量测，每个监测点均应进行正、反两次量测。

e.管底加盖密封，防止泥沙进入管中；下部留0.5～1m的沉淀段(不打孔)，用来沉积滤水段带入的少量泥沙；中部管壁周围钻出6～8列直径为6mm左右的滤水孔，纵向孔距50～100mm；相邻两列孔交错排列，呈梅花状布置，管壁外部包扎过滤土工布；上部管段不打孔，以保证封孔质量。

4.3.3 钻孔

a.锚孔测放：在钻机安放前，按照施工设计图采用全站仪进行测量放样确定孔位以及锚孔方位角，将锚孔位置准确测放在坡面上并做出标记，孔位在坡面上纵横误差不得超过±300mm。

b.钻孔设备：本工程边坡属于中膨胀土地质边坡，工程地质类型决定了只能采用干钻法进行钻孔(湿钻易改变中性膨胀土的物理性能)，故采用SKD100型电动潜孔钻配打土麻花钻杆进行钻孔，钻孔直径为90mm，同时螺杆式空压机供风清理钻孔中的浮渣。

c.钻机就位：锚孔钻进施工，由于钻孔均在高边坡上进行，潜孔钻机架采用自制钻机支撑架和卷扬机设备，并安装行走胶轮，可实现在边坡上的上下移动，省去了搭设脚手架平台和大型设备的弊病。根据坡面测放孔位，准确安装固定钻机，并严格认真进行机位调整，由卷扬机配合钻机支架固定钻机(首先固定钻头的位置，然后卷扬机从坡顶位置牵拉调整钻机尾部高度，从而确定伞型锚孔轴线的倾角，之后调整钻机支架用来支固已经抬起的钻机，同时调整钻机与坡面垂直，确保在施工过程中钻机位置固定)。严禁用潜孔钻支腿作为固定支撑，以防止振动变形倾角位置改变，水平、垂直方向的孔距误差不应大于300mm，钻孔轴线的偏斜率不应大于锚杆长度的2%。

边坡潜孔钻钻孔示意图见图5。

图5 潜孔钻边坡钻孔示意图

d.钻进方式：锚孔钻进应采用无水干钻，禁止开水钻进，以确保锚固工程施工不至于恶化边坡岩土工程地质条件和保证孔壁的粘结性能。钻孔速度应根据使用钻机性能和锚固地层严格控制，防止钻孔扭曲和变径，造成下锚困难或其他意外事故。

e.钻进过程：钻进过程中应对每个孔的地层变化，钻进状态(钻径、钻速)、地下水及一些特殊情况作好现场施工记录。如遇塌孔等不良钻进现象时，应立即停钻，及时进行固壁灌浆处理(灌浆压力0.1～0.2MPa)，待水泥砂浆初凝后，重新扫孔钻进。

f.孔径深度：钻孔孔径、孔深要求不得小于设计值。为确保锚孔孔径，要求实际使用钻头直径不得小于设计孔径。为确保锚孔深度，要求实际钻孔深度大于设计深度0.2m以上。

g.锚孔清理：钻进达到设计深度之后，不能立即停钻，要求稳钻1～2min，防止孔底尖灭，达不到设计孔径。钻孔孔壁不得有沉碴及水体粘滞，必须清理干净，在钻孔完成后，原则要求使用高压空气(风压0.2～0.4MPa)将孔内岩粉及水体全部清除出孔外。

h.锚孔检验：锚孔成孔结束后，须经现场监理检验合格后方可进行下道工序。孔径、孔深检查一般采用设计孔径钻头和标准钻杆在现场监理旁站的条件下验孔，要求验孔过程中钻头平顺推进，不产生冲击或抖动，钻具验送长度满足设计锚孔深度，退钻要求顺畅，用高压风吹验不存在明显飞溅尘碴及水体现象。同时要求复查锚孔孔位、倾角和方位，全部锚孔施工分项工作合格后，即可认为锚孔钻造检验合格。(锚孔底部的偏斜应满足设计要求，可用钻孔测斜仪控制和检测。)

i.锚孔钻造的允许偏差和检验方法应符合下表的规定。

锚孔钻造允许偏差和检验方法表

4.3.4 伞型锚击入安装

通过便携打桩机把伞型锚锚头击入边坡土体，击入深度大于1m。

伞型锚击入施工示意图如图6所示，施工步骤如下：

a.架设伞型锚导向支架：根据锚固方向，在施工平台马道上架设施工专用导向支架，具体步骤：ⓐ将左、右后支撑脚与轨道支脚铰链连接，利用导向支架前支撑脚进行定位，控制锚固点与导向支架支撑杆距离282mm±5mm；ⓑ根据边坡地形旋转支撑脚外钢管使支撑脚底圆盘倾向与坡度一致，同时可伸缩支撑脚外钢管，调整支撑脚长度使支撑脚与轨道形成三角支撑，并将紧固螺杆拧紧；ⓒ根据锚固方向及边坡地形，如后支撑脚长度过长，可另外采用撑杆撑起轨道顶端高度，进一步调整导向支架后支撑脚长度，确保导向支架轨道倾斜方向与锚固方向一致；ⓓ利用导向支架水平泡进行轨道调平，确保轨道面法向平行于锚固坡面；ⓔ固定压实前、后支撑脚前端锥头，必要时可在支撑脚前端锥头采用砂袋压重，确保伞型锚击入施工中不倾覆、不改变方向。

图6 伞型锚击入施工示意图

b.安装打桩机击振器：将打桩机击振器安装在轨道滑车上，并将软轴与击振器和动力装置(柴油机)相连，注意安装击振器时软轴接口位于侧面。

c.锚杆(锚头)连接：连接杆与伞型锚锚头或者连接杆与连接杆通过螺纹相接，连接杆与激振器通过夹桩器相连，有锁紧件。每增加连接杆时，应先松开激振器前端夹桩器，通过升摇轮提升滑车，再更换连接杆件；由于新增加锚杆长度过长，为了稳定击入，可将锚杆与轨道前端定位卡相连，定位卡为可闭、可合装置。

d.击入锚杆：开启动力装置，通过激振器将伞型锚连接杆击入土体内，直至超过钻孔深度1m以上。在击入过程中，注意控制柴油机动力阀大小，应该由小到大逐渐进行，特别是刚开始带有锚头的锚杆应慢进入。伞型锚击入过程中，随时监控击入进程，并通过手摇卷扬装置，使轨道上滑车钢索始终处于松弛状态。

4.3.5 伞型锚张拉锁定

锚头击入土体预定深度后，在边坡位置安装承压板，边坡土体承载力不足时，在承压板下安设槽字钢，在槽字钢下铺设垫板，垫板铺设方向与槽字钢轴线垂直。

伞型锚张拉施工示意图如图7所示，施工步骤如下：

图7 伞型锚张拉施工示意图

a.卸掉激振器：从导向支架滑车上卸掉激振器时，注意保持导向支架稳定、不变形，可采用砂袋压住支撑脚，并提升滑车至轨道上部。

b.安装张拉设备：张拉设备安装具体步骤：ⓐ安装承压板，注意承压板两卡槽朝下，卡入导向支架前支撑杆；ⓑ安放千斤顶支架(前座)，注意前座底板靠紧承压板，底板插销嵌入承压板槽内；ⓒ安放底端锁定装置卡套；ⓓ安装千斤顶支架(后座)，并将后座螺杆插入前座顶板螺孔内拧紧，将前、后座相连。

c.安放油压千斤顶：油压千斤顶安放在千斤顶后座支架上，锚杆穿过千斤顶中空腔内。

d.安装顶端锁定装置。

e.张拉伞型锚：通过电动油压泵张拉伞型锚锚杆至预定锚固力，注意千斤顶一次张拉行程40cm，如千斤顶行程已满，应松开顶端锁定装置，退回千斤顶行程至起始状，再按d、e步骤进行。张拉方式采用多级循环加卸载，否则容易造成锚板未完全打开前偏心受力，发生拉断破坏。

f.安置底端锁定装置：伞型锚张拉至千斤顶压力计显示拉力达预定锚固力时，在千斤顶支架底座内，在b、c步已预先放入的锁定装置卡瓦套内嵌入卡瓦，卡瓦采用锤击器件击入。

4.3.6 设备拆除及后续处理

设备撤除、回填土料：松开顶端锁定装置，撤除千斤顶及支架，伞型锚施工完成；施工完成后承压板底部存在缺口，可根据现场实际情况，采用土石料回填密实，如图8中的BCD部分。因边坡为中膨胀土，在施工结束后，要对边坡采取及时覆盖塑料薄膜，防止雨水浸润边坡土体，改变边坡土体的物理性能。

图8 伞型锚安装施工完成

4.3.7 施工期间的安全监测

为了确保施工期间的边坡安全，采取的安全监测共布置有四种监测项目，主要有：深层水平位移监测、地下水位监测、锚杆拉力监测、表面标水平位移。

深层水平位移监测渠坡潜在滑动面、裂隙密集区的深层水平位移，判断深层滑动面位置和深度。监测方法为安装测斜管，采用测斜仪监测其不同深度角度变化情况，以测斜管底部作为相对不动点，累计积分计算每50cm高度处土层的水平位移。测斜仪要求性能稳定，系统精度不低于0.25mm/m，分辨率不宜低于0.02mm/500mm。

锚杆拉力监测主要监控伞型锚在加固过程中的锚固力变化情况，以此掌握渠坡潜在滑体下滑力变化情况，对比其总抗滑力，便于掌握其安全余度。监测方法为使用锚杆拉力计，最大拉力量程大于180kN，振弦式，防潮防水，并具有良好的稳定性和工作性能，使用前进行标定。

表面标水平位移监测主要监测渠坡两侧水平位移，全面掌控渠坡整体变形情况。监测方法为采用全站仪视距法，监测渠坡上测点与基点之间的水平距离，以此来计算渠坡水平位移。

加固施工期监测频率为1次/天，暗涵施工期监测频率为1次/5天，观测至渠道回填，可根据变形情况适当调整监测频率，观测次数暂定30次。如发现边坡出现变形或破坏，应进行24小时跟踪监测。

4.4 质量控制

4.4.1 钻孔

a.钻孔时配置4名专职钻孔人员，熟悉钻孔作业的操作流程，熟悉机器的一般性能和结构，严格按照规程操作设备，严禁非专业人员进行钻孔作业。

b.袁冲暗涵工程本工程地质为中膨胀土深基坑边坡，钻孔时必须采用干钻法钻孔，防止中膨胀土遇水改变土体的物理性能。

c.确保钻孔的孔径和钻孔深度，钻孔直径为90mm，实际钻孔深度要比设计钻孔深度至少加深0.2m，采用验钻和尺量检查。

d.孔口定位采用全站仪进行定位，水平和垂直方向的孔距误差小于30cm，并安置导向槽，确保孔位偏差符合设计要求，同时整平坡面，确保坡面与孔轴垂直，方便后续的承压板安装工作。

e.孔口定位后，采用卷扬机配合钻机支架固定钻机，做到钻机固定牢固，防止在钻孔过程中发生钻机位移或倾斜。

f.孔轴倾角按照设计角度钻孔，在施工过程中采用罗盘进行实时监测，允许倾角误差为2%。

g.在钻孔过程中，钻孔的浮渣采用高压风能清理出孔内，严禁采用水清理孔内浮渣。

h.为了防止在钻孔过程中出现麻花钻杆扭曲、弯折、断裂等现象，严格控制钻孔速度，钻孔速度控制在0.6～0.8m/min，在钻进的过程中如出现硬质土层，适当减缓钻进速度。

i.经常检查钻孔钻杆的螺旋槽，及时清理其中的杂物，确保供风通畅，方便清理孔中的浮渣。

j.钻孔过程中出现塌孔现象，不允许对钻孔进行护壁加固处理，应立即停止该孔的钻进工作，需要在周边进行补孔。

k.钻孔结束后，在伞型锚没有安装前要对孔进行防护。

4.4.2 伞型锚击入安装

a.击入时配置4名专职伞型安装锚击入人员，熟悉安装击入作业的操作流程，熟悉机器的一般性能和结构，严格按照规程操作设备，严禁非专业人员进行安装击入作业。

b.安装击入前，再次检查伞型锚和连接杆的外观质量，确保产品质量合格，以及连接部位的牢固可靠。

c.在钻好的孔口位置安装导向槽，架设导向支架，同时采用卷扬机配合固定导向支架，确保其角度与孔轴一致且在同一位置，其倾角采用罗盘进行实时跟踪检查。

d.锚头与连杆、连杆与连杆采用螺纹连接，在钻进过程中，伞型锚连接处时刻进行检查，防止因脱杆造成材料设备的浪费。

e.在已钻好的孔内击入伞型锚，同时要控制击入的速度和角度，防止对已钻好的孔进行破坏。

f.在锚杆击入设计孔深后，再通过便携式打桩机，继续把伞型锚击入土体，其深度不小于1m，采用验钻进行检查击入的深度。

4.4.3 伞型锚张拉锁定

a.在锚杆达到设计深度后，在坡面放置承压板，要求坡面必须与孔轴线垂直，防止在张拉过程中因偏心受力，造成伞型锚损坏。

b.在伞型锚张拉前，检测边坡土体的承载力，如果承载力不足，需要在承压板下铺设槽钢和竹夹垫板。

c.张拉时配置2名专职伞型锚张拉人员，熟悉安装击入作业的操作流程，熟悉机器的一般性能和结构，严格按照规程操作设备，严禁非专业人员进行张拉锁定作业。

d.张拉时严禁人员正对千斤顶或在周边走动。

e.通过电动油压泵张拉伞型锚锚杆至预定锚固力，千斤顶一次张拉行程40cm，如千斤顶行程已满，应松开顶端锁定装置，退回千斤顶行程至起始状，再安装顶端锁定装置，再次进行张拉。

f.在张拉过程中，采取多循环张拉方法进行，分5个循环进行加载，循环荷载按16kN、32kN、48kN、64kN和80kN进行，每级加载油压稳定后方可卸载，直至稳定在80kN或以上时用卡瓦将连接杆锁定，锁定时应遵循保持各部位紧密接触的原则；凡是张拉锁定未达到设计要求的伞型锚，一律重新补孔张拉。

g.张拉结束后，安装伞型锚锚力计，实时观测锚杆受力情况。

5 结 语

袁冲暗涵伞型锚加固渠坡桩号K10+350～K11+265，全长915m，按照试验段加固方案，需要伞型锚约2745根(左岸3排，右岸3排)，2017年8月底，完成高边坡加固渠坡。实际施工过程中进行了优化，实际施工1911根，共30423m，总造价约1400万元(含监测费用)，估算节约投资800万元，效益显著。

针对不同的工况和地质条件，选择合适的基坑支护形式，是基坑支护设计的原则。基坑支护的本质要点就是确保基坑及周围建筑物、管道、道路等安全。通过实际施工检验，击入式伞形锚支护在确保施工安全及工程质量的前提下，能加快施工进度、减少投入、降低施工成本，而且施工简单、效率高、占用工期少，具备在膨胀土深基坑施工中进行临时边坡加固处理推广应用的条件。