压力分散型预应力锚索跟管钻进技术在南宁五象广场边坡中的应用

2020-06-01王杰光李海民朱万旭

桂林理工大学学报 2020年1期

徐婧,王杰光,李海民,朱万旭

(1.桂林理工大学 a.土木与建筑工程学院;b.广西岩土力学与工程重点实验室,广西桂林 541004; 2.柳州欧维姆工程有限公司,广西柳州 545005)

预应力锚索锚固技术因其能充分发挥和提高岩土体的强度、有效控制岩土体的变形、加固效果明显、施工方便、场地适应性强等因素在复杂高边坡加固中备受青睐[1-2]。拉力集中型锚索在锚固段应力分布不均匀,极易在锚固段产生应力集中现象,并且其锚固力较低,随着施工技术的发展,压力分散型锚索单孔复合锚固技术因其可分段受压、传递荷载均匀、承载力高、耐久性好、耐腐蚀性好等优点,在各种预应力锚索中迅速发展,广泛应用于软弱地层的加固工程中。

随着压力分散型预应力锚索的广泛应用,国内外学者进行了大量的研究。尤春安[3]和夏元友等[4]对压力型锚索的锚固机理进行分析,得出压力分散型锚索的剪应力分布比压力集中型小得多,但是由于压力分散型锚索各段自由段不同,因此施工中容易出现受力不均匀现象。王树仁等[5]和金永军等[6]利用有限差分程序对压力分散型锚索锚固机理进行数值模拟,研究表明压力分散型锚索尤其适用于对大变形软岩工程的锚固,增加承载体的数量是提高其锚固力、改善受力状态的有效途径,因此压力分散型预应力锚索在软弱地层中广泛应用。 Kim[7]在Sungkyunkwan大学的岩土试验场进行现场试验,认为压力分散型锚索的蠕变速率比拉力型锚索低约20%,而且其应力松弛现象也比拉力型锚索低。而Barley[8]则认为Kim的试验中对极限荷载的定义不是很恰当,导致最后施加的最大荷载偏小,丢失大量更高荷载的数据,并且试验中也未得到锚索承载力下降段的力学性能。

王清标等[9]对压力分散型锚索在松散破碎岩土体中应用并监测其锚固效果,得出压力分散型预应力锚索也存在一定的局限性,在施工过程中需要研究更为科学合理的施工方案和施工工艺。综上所述,虽然国内外学者对压力分散型锚索的锚固机理结合现场试验进行了深入研究,但是由于施工现场情况复杂、地质条件各有不同,在复杂地层压力分散型锚索钻孔施工过程中的钻机钻进、保护孔壁、取芯等成孔困难问题仍未得到根本性解决,需要结合实际施工情况调整相应的施工工艺,注重因地制宜[10]。

本文结合南宁五象广场边坡支护工程,在大面积软弱土层这种复杂地层中对压力分散型预应力锚索跟管钻进技术的应用进行了研究,分析施工难点,制定施工方案,并详述了施工工艺及施工流程,以期为今后相关工程的施工提供借鉴。

1 工程概况

南宁五象广场边坡支护工程位于南宁市五象新区核心区平乐大道与宋厢路交汇处西北侧，工程体量大,在我国城市边坡支护工程中是非常罕见的,土质松软,施工难度大。拟建办公区基坑开挖深度约7.0～36.5 m,属于深基坑。根据地质勘查报告,场地的地层有新近人工堆填素填土;第四系残积形成的含砾黏性土、含黏土角砾;下伏基岩为泥盆系硅质岩、泥岩、条带状泥质灰岩,石炭系石灰岩,如图1所示。

土质情况较为复杂：压缩性较高,承载能力较低,密实度低,工程性状较差,整体性较差,为软弱土,填土对边坡、基坑的支护及防渗将产生不利的影响,施工时易产生垮塌,故在施工时应及时采取支护、护壁措施。由于基坑周边条件较复杂,场地地层起伏变化大,基坑的工程地质条件较复杂,软弱土层较厚、面积较大,故对压力分散型预应力锚索采用超大规格跟管钻进成孔法。为了保证加固效果,采用多个锚固端分压承载的压力分散型锚索,其11个支护区段,总支护段长约693 m;锚索共1 573束;设计钻孔总延米42 470 m;锚索长度(14+1.5)～(41+1.5) m,锚索设计锁定力值166～1 600 kN(轴力标准值340～1 981 kN),最大锚索型号为15-16。

2 压力分散型预应力锚索的施工难点

2.1 钻进困难

因边坡土质较为复杂,多为角砾土和全风化泥岩,这两类土土质结构松散、整体性较差,遇水承载力降低,在钻进过程中钻具在孔内不断地回转和碰撞导致土体扰动,以及冲洗液的冲刷导致孔壁失稳塌孔、漏孔、孔内涌水等情况出现。如若对这种软弱土地基处理不当,将会导致钻进工作困难,出现塌孔或钻杆受损等问题,由此带来钻孔质量差、钻进效率低、钻孔成本高。

采用大功率大型钻机在施工试验区进行裸钻成孔施工,施工过程中,出现钻进困难,时有卡钻现象,两天仅钻进7 m,并且在钻进过程中排渣困难,出现严重塌孔现象,甚至在钻进过程中钻杆由于周围土体挤压力的作用而出现弯曲变形的情况。

在施工试验区采用高转速螺旋钻钻进,高效钻进,在钻进过程中无需循环排渣,可避免水力冲蚀与浸泡对土体产生的影响,但正是由于钻进速度快,对周围土体的震动及扰动作用较大,导致土体整体稳定性降低,施工过程中塌孔现象严重。

图1 工程地质情况Fig.1 Engineering and geological conditions

2.2 跟管钻进施工过程中排渣困难、跟管难以取出

在施工过程中由于土质问题采用跟管钻进施工方法,但是传统的跟管钻进施工过程中跟管与钻头之间不同步,导致套管周围土体涌入套管中、跟管钻进过程中管内阻塞、成孔结束后锚索无法放入孔内,或套管难以取出,在拔管过程中已安放到位的索体会跟随套管移出,每拔出一根套管,锚索就会随着套管的拔出而跟出,施工质量难以得到保证(图2a、2b)。

2.3 套管接头断裂、管靴断裂

传统的套管由于套管之间连接强度较低,连接效果不牢固,在钻进或拔管过程中受到周围土体的挤压，摩擦作用较大,常会出现套管接头断裂、管靴断裂,以及套管难以拔出等施工难题，均会导致套管损耗(图2c)。

图2 跟管钻进施工难点Fig.2 Engineering difficulties of pipe-following drilling

3 施工工艺

3.1 施工方案

结合工程边坡土质情况,以及在施工过程中裸钻成孔、螺旋钻成孔及传统的跟管钻进施工工艺在施工过程中均出现施工困难、质量难以保证的问题进行深入研究,提出采用超大规格偏心钻同步跟管钻进成孔法。该方法先采用CIR150冲击器配220直钎,前端对准边坡锚索孔位,后端与钻机动力头连接,开动钻机,裸眼成孔法钻进1.5～2.0 m 后退钻,为偏心钻跟管钻进提供定位和导向作用[11]。偏心钻在正常钻进时,通过冲击器的振动冲击作用带动偏心钻具进行钻孔,钻进时由于摩擦力及离心力的作用偏心轮朝外偏出，从而达到扩大孔径的目的,再通过稳杆器的冲击带动套管跟进,钻孔产生的岩粉通过稳杆器上的键槽吹出[12]。使用偏心钻具造孔,采用钢套管保护孔壁,防止在钻进过程中因钻具扰动引起孔壁失稳而出现塌孔现象,同时钢套管可以降低压力风的损失,使钻孔周围的岩屑等渣体沿着套管外壁滑落排至孔口,防止卡钻。 Tan等[13]研究表明，在套管磨损程度可随着旋转运动角速度,旋转台角速度,滑动和滚动摩擦系数,外部工具接头半径和钻柱重量的增加而增加,因此,在施工过程中一定要严格控制旋转运动。跟管钻进过程中,一边加钻杆和一边上套管,跟管钻进到一定深度后提钻检查偏心钻的使用情况,检查无误后继续钻进到一定深度后重复提钻检查偏心钻、冲击器的使用情况直到跟管钻进至设计深度,采用高压风彻底冲扫钻孔排渣。钻孔结束后,通过反转使偏心轮收拢,将钻头、冲击器、钻杆提升至孔外,套管留作孔内护壁而成孔[14]。锚索放置完毕后,采用拔管机拔出套管。

3.2 施工机具

偏心钻同步跟管钻进过程中的主要施工机具见表1。

表1 主要施工机具Table 1 List of main construction tools

套管在整个钻孔完成，锚索安置完成后拔出。为满足工程的需要,选用Φ219规格套管及配套管靴,套管采用石油标准的P110材料,材质为30CrMo(铬钼合金),管壁厚10 mm,经锻造处理两端加厚到13 mm以上,全管热处理调质硬度达到HRC35度,再精加工成波型螺纹扣连接,如图3所示。本套管螺纹强度高、韧性好。管靴直接锻造与套管整体结构,可有效减少管靴断裂风险。

图3 Φ219规格套管及配套管靴Fig.3 Φ219 specification casing and matching pipe shoe

3.3 施工流程

根据试验现场压力分散型锚索的跟管钻进施工工序,总结得到压力分散型锚索的偏心钻同步跟管钻进施工工艺流程如图4所示。

图4 预应力锚索施工工艺流程Fig.4 Construction process of prestress cables

偏心钻同步跟管钻进,完成开孔及导向段钻孔之后,上Φ219套管(配套使用其管靴),然后换偏心钻具跟管钻进,钻进到一定深度后提钻检查偏心钻的使用情况,确认无误后继续钻进，到一定深度后重复提钻检查偏心钻、冲击器的使用情况直到跟管钻进至设计深度,然后提钻、扫孔、探孔、验孔，最后终孔,为保证成孔质量、充分发挥孔壁有效粘结强度,锚索成孔采用干作业成孔,Φ219全套管跟管钻进施工,如图5所示。

压力分散型预应力锚索采用一次压力注浆。注浆管随压力分散性锚索一起送入孔底,锚索注浆采用M35水泥净浆一次压力注浆。对孔内压力注浆,挤出空气,保证孔内浆体饱满,直至浆体涌出,压力注浆完成2 h后进行高压劈裂灌浆,高压劈裂灌浆既可扩大锚固体与周围岩土体的接触面积,又能改善锚固体周围土体的力学性能,提高周围土体的整体性,使锚索的极限承载力得以提高。