楠竹加筋復(fù)合錨桿成孔工藝研究

任非凡 諶文武 張景科 張 魯 和法國 崔 凱

內(nèi)容摘要：錨桿成孔工藝直接影響錨孔的成孔質(zhì)量及錨固質(zhì)量，很大程度上決定了錨固工程的加固效果。本文首先介紹了研究試驗(yàn)區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境，然后結(jié)合交河故城崖體錨固加固工程進(jìn)行現(xiàn)有成孔工藝的總結(jié)、統(tǒng)計(jì)、優(yōu)化，包括開孔、鉆進(jìn)、出渣以及成孔時(shí)間、速度等，提出了施工過程中所遇問題的相應(yīng)處理措施。研究表明，錨固對(duì)象的地層巖性、裂隙發(fā)育特征、含水量、土體破碎及危險(xiǎn)程度等因子直接影響著成孔工藝。其中，成孔速度與土體含水率、土的類型及土體危險(xiǎn)程度有很大的關(guān)系，成孔時(shí)應(yīng)對(duì)風(fēng)壓、沖擊器進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以滿足安全的需要。最后，簡(jiǎn)要說明了成孔后安設(shè)錨桿、封孔作舊等后續(xù)工作此項(xiàng)研究成果為優(yōu)化成孔工藝提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：楠竹復(fù)合錨桿；成孔工藝；交河故城

中圖分類號(hào)：K854.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-4106(2009)06-0055-04

一引言

巖土體錨固可挖掘巖土潛能、提高巖土工程穩(wěn)定性，是巖土加固工程中的一項(xiàng)重要工程措施。對(duì)巖土體進(jìn)行錨固，能夠充分地調(diào)動(dòng)和提高巖土體自身的強(qiáng)度及其自穩(wěn)能力，大大減小了結(jié)構(gòu)物體積和減輕結(jié)構(gòu)物自重，很大程度上節(jié)約了工程材料，有利于安全施工。它已成為提高巖土體穩(wěn)定性和解決復(fù)雜巖土工程問題的最經(jīng)濟(jì)、有效方法之一，在我國廣泛應(yīng)用于高邊坡加固、滑坡治理、基坑、礦井、隧洞、壩體、地基等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)工程建設(shè)中。

我國西北絲綢之路上的土遺址，由于遭受嚴(yán)重的風(fēng)蝕和雨水沖刷、構(gòu)造和地震的破壞，大批土遺址瀕臨毀滅。針對(duì)具有特殊性的文物土體，如何經(jīng)濟(jì)、安全地?fù)岆U(xiǎn)加固為數(shù)不多的土建筑遺址，特別是由于構(gòu)造裂隙、卸荷裂隙相互組合而造成的大量文物本(載)體不斷傾倒、崩塌、滑塌和規(guī)模范圍大幅度向內(nèi)收縮，已經(jīng)成為廣大專家學(xué)者關(guān)注的問題。錨固因其可提高土體的強(qiáng)度及其自穩(wěn)能力，易于施工，正在被古遺址保護(hù)加固工程廣泛采用。

在土遺址加固中，傳統(tǒng)錨桿所使用的鋼材顯現(xiàn)出一系列的缺陷性，如材料的耐久性較差，材料和土體強(qiáng)度差異太大等。鑒于此，以敦煌研究院李最雄研究員為首的科研隊(duì)伍研發(fā)了楠竹加筋復(fù)合錨桿。此錨桿內(nèi)部為φ15.2鋼絞線，向外依次為復(fù)合材料(環(huán)氧樹脂、粉煤灰、石棉等調(diào)制的膠泥)、楠竹、玻璃絲布(圖1)，滿足了文物加固的要求。復(fù)合錨桿加固技術(shù)尚屬首創(chuàng)，特別在陡立崖體土層中，錨固成孔工藝是整個(gè)工程的技術(shù)關(guān)鍵。成孔質(zhì)量的好壞，不僅影響著施工進(jìn)度和工程造價(jià)，而且還直接影響著錨固工程的質(zhì)量。這就需要對(duì)上述問題進(jìn)行系統(tǒng)科學(xué)的研究，探索比較完善的施工技術(shù)體系，直接服務(wù)于工程建設(shè)，確保了程順利實(shí)施。同時(shí)，為干旱半干旱地區(qū)土遺址高陡邊坡復(fù)合錨桿成孔技術(shù)的推廣應(yīng)用，提供科學(xué)依據(jù)。

二試驗(yàn)區(qū)工程地質(zhì)條件及設(shè)計(jì)概況

2.1工程地質(zhì)條件

交河故城位于吐魯番盆地西部，整體坐落于兩河之間的柳葉形臺(tái)地上，臺(tái)地高約30m，呈北西一南東向展布，兩條河流分別繞城在城南交匯。此地具有干熱、少雨、多大風(fēng)的氣候特征，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。地層平緩，為湖狀沉積。本研究主要以41-5亞區(qū)為例，出露地層巖性自上而下分布主要有：粉質(zhì)粘土、砂層、含粉土細(xì)砂、粉質(zhì)粘土、含砂粉土、粘土、粉土、粉質(zhì)粘土(圖2)。正是由于交河故城所處的地質(zhì)環(huán)境，在河流沖刷、風(fēng)蝕、地震以及人為破壞等多種因素的作用下，造成了故城崖體周圍土體不斷地崩塌、滑塌、傾倒，從而使故城的面積不斷地縮小。

2.2設(shè)計(jì)概況

該邊坡近直立，為土質(zhì)邊坡，結(jié)合41-5亞區(qū)的工程地質(zhì)條件以及破壞情況，采用錨桿進(jìn)行支護(hù)，坡底、坡頂設(shè)截排水措施。該邊坡土層含有砂層等軟弱層，若采用水循環(huán)回轉(zhuǎn)成孔，極易造成孔壁坍塌。設(shè)計(jì)要求采用干鉆成孔法，自上而下、從兩邊向中間依次進(jìn)行開孔。采用近景攝影圖件進(jìn)行數(shù)字化定位?？紤]到錨桿的特性、防止群錨效應(yīng)以達(dá)到最佳的錨固效果，需要梅花樁式布孔。

設(shè)計(jì)參數(shù)：錨孔深5、10、15m，孔徑φ150mm，傾角15°，錨孔橫向間距2m，豎向間距2.5m。本區(qū)共布設(shè)復(fù)合錨桿57根，臨時(shí)支護(hù)鋼筋錨桿11根。自上而下分5排布設(shè)，上3排全部為15m復(fù)合錨桿，第4排后5根與第5排為5m復(fù)合錨桿(如圖2、圖3)。

三成孔工藝研究

結(jié)合崖體的地形地貌與孔位的地層巖性，本次鉆進(jìn)工程采用自重輕、體積小、便于高空作業(yè)的HQD110型電動(dòng)潛孔鉆機(jī)成孔，并結(jié)合Ingersoll-Rand750型空壓機(jī)邊成孔邊出渣。鉆頭直徑68～130mm，經(jīng)加工改造可達(dá)到180mm，單次推進(jìn)長(zhǎng)度1000mm，成孔時(shí)孔深應(yīng)比錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度大500mm。

3.1開孔、鉆進(jìn)

施工前，首先搭設(shè)一個(gè)具有一定穩(wěn)固性并符合安全要求的操作平臺(tái)，作為運(yùn)輸通道及升降設(shè)備。作業(yè)平臺(tái)寬度3～4m。鉆進(jìn)前將鉆機(jī)移置孔位前方后，將鉆架底座固定在腳手架上，并調(diào)整鉆架角度略小于設(shè)計(jì)角度15°。開孔應(yīng)采用重壓慢轉(zhuǎn)，待鉆具穩(wěn)定后再正常鉆進(jìn)。對(duì)于崖面不平整的部位，為了開孔方便，開鉆前須將崖面找平。針對(duì)不同危險(xiǎn)程度的土體，其施工工藝則有所不同。

(1)對(duì)于寬大裂隙危險(xiǎn)土體的錨固工程，為了施工安全，一般采用干磨方式鉆進(jìn)，直到跨過裂隙進(jìn)入穩(wěn)定土體后可以酌情進(jìn)行沖擊。交河故城危險(xiǎn)區(qū)裂隙寬大，很多土體處于極限平衡狀態(tài)，在崖體成孔時(shí)，一般上部土體(第1排、第2排)采用純干磨鉆進(jìn)，下部土體酌情進(jìn)行沖擊成孔。

(2)對(duì)于微小裂隙，在監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)土體穩(wěn)定的情況下，可采取沖擊的方式進(jìn)行鉆進(jìn)，以增快施工進(jìn)度。

(3)鉆進(jìn)速度的大小與給風(fēng)量的大小有關(guān)，風(fēng)量越大，壓力越大，進(jìn)尺越快，反之進(jìn)尺緩慢。對(duì)于在砂層上成孔時(shí)，由于砂土較松散，粘結(jié)性差，為了防止塌孔、孔徑過大，應(yīng)少用沖擊鉆進(jìn)，多用干磨的方式成孔，且給風(fēng)量要適當(dāng)減少。

3.2出渣

鉆孔孔壁的沉渣，一般使用高壓空氣(風(fēng)壓0.2～0.4MPa)將孔內(nèi)巖土粉末吹凈，以免降低水泥砂漿與孔壁巖土體的粘結(jié)強(qiáng)度。但是，由于隨著鉆進(jìn)長(zhǎng)度的增加，土體含水量增大，鉆孔深部土渣很難被吹出。為了保證后續(xù)鉆進(jìn)工作正常進(jìn)行，除了來回推、提鉆桿出渣外，可用自制取土器進(jìn)行掏渣(圖4)。如取土器長(zhǎng)度不夠時(shí)，可用注漿管進(jìn)行出渣，將注漿管的一端連接到鉆機(jī)風(fēng)口，另一端塞入堵塞位置，將土渣吹出(圖5)。如遇堵塞嚴(yán)重時(shí)，特別是跨裂隙處鉆進(jìn)時(shí)，經(jīng)常發(fā)生塌孔現(xiàn)象，注漿管出渣由于強(qiáng)度不夠已不能滿足需要，這時(shí)可從連接幾根鉆桿至鉆機(jī)風(fēng)口，進(jìn)行強(qiáng)風(fēng)壓出渣(圖6)。

3.3鉆進(jìn)速度隨鉆孔位置及鉆進(jìn)深度的變化規(guī)律性

3.3.1鉆進(jìn)速度隨錨孔位置高低的變化規(guī)律性

通過對(duì)41-5亞區(qū)中的20個(gè)錨孔的鉆進(jìn)數(shù)

據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，正常情況下，15米的鉆孔成孔需用時(shí)2個(gè)小時(shí)左右，10米鉆孔需用時(shí)1個(gè)小時(shí)左右，5米需用時(shí)30分鐘左右。接一根鉆桿需用時(shí)30秒左右，卸一根鉆桿需用時(shí)1分鐘左右。當(dāng)然隨著被錨固土體危險(xiǎn)程度、孔位所處地層巖性以及鉆工技術(shù)熟練程度等不同，成孔效率會(huì)有所差別。另外，通過對(duì)各個(gè)錨孔的鉆進(jìn)速度進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，我們發(fā)現(xiàn)錨孔的鉆進(jìn)速度隨著錨孔高度的降低有逐漸上升的趨勢(shì)。最上面的一排錨孔，即距離崖頂2.5m的錨孔，其鉆進(jìn)速度僅為0.195m/s，隨著錨孔位置的降低，鉆進(jìn)速度成線性增長(zhǎng)(圖7)，最高可達(dá)0.729m/s。究其原因，一方面是由于隨著錨孔高度的降低，土體含水量逐漸升高，對(duì)鉆進(jìn)越來越有利；另一方面由于隨著錨孔高度的降低，地層巖性從粉質(zhì)粘土向中砂、含砂粉土轉(zhuǎn)變，土體強(qiáng)度不斷減小。

3.3.2鉆進(jìn)速度隨錨孔鉆進(jìn)深度的變化規(guī)律性

通過對(duì)20組鉆進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，我們發(fā)現(xiàn)隨著鉆機(jī)鉆進(jìn)深度的不同，其鉆進(jìn)速度也有一定的規(guī)律性。以No.14孔為例，隨著鉆進(jìn)深度的增加，鉆進(jìn)速度不斷增大，直到趨于一穩(wěn)定值，其原因在于隨著鉆進(jìn)深度的增加，土體含水量不斷增加，并在一定深度范圍內(nèi)含水量趨于穩(wěn)定(圖8)，從而造成鉆進(jìn)速度隨鉆進(jìn)深度先增加后趨于穩(wěn)定這一現(xiàn)象。我們發(fā)現(xiàn)在3m處鉆進(jìn)速度較2m、4m處大，這是由于3m處恰有一寬20cm裂隙通過，無疑減少了鉆進(jìn)的工作量，因此其鉆進(jìn)速度有所增大。

鉆孔結(jié)束后，需遵循“一孔一錨”原則立即對(duì)錨孔進(jìn)行安設(shè)錨桿、錨孔注漿、安設(shè)錨具、錨孔封堵，最后進(jìn)行表面作舊，以達(dá)到“修舊如舊，不改變?cè)病钡脑瓌t。

四結(jié)論

通過對(duì)交河故城崖體41-5亞區(qū)錨固工程的統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)楠竹加筋復(fù)合錨桿的成孔工藝以及鉆進(jìn)速度的規(guī)律性進(jìn)行了深入研究。研究表明：

(1)開孔時(shí)應(yīng)遵循重壓慢轉(zhuǎn)的方式鉆進(jìn)。對(duì)于具有寬大裂隙的危險(xiǎn)土體，特別是上層錨孔，應(yīng)盡量減少對(duì)土體的擾動(dòng)，采取干磨的方式鉆進(jìn)；對(duì)具有小裂隙或者無裂隙的土體，可根據(jù)具體情況，在監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)土體穩(wěn)定的情況下，酌情進(jìn)行沖擊鉆孔。對(duì)于在砂土層成孔，由于其粘結(jié)性差，需減小風(fēng)量以免造成塌孔或者孔徑過大。

(2)采用取土器掏渣、注漿管出渣、鉆桿強(qiáng)風(fēng)壓出渣3種出渣工藝，以滿足不同出渣的需要。

(3)鉆進(jìn)速度隨著錨孔位置的降低呈線性增長(zhǎng)，隨著鉆進(jìn)深度的增大，鉆進(jìn)速度不斷增大，并趨于一穩(wěn)定值。

研究結(jié)果對(duì)于楠竹加筋復(fù)合錨桿這一新型錨桿的成孔工藝優(yōu)化具有指導(dǎo)意義，并對(duì)其應(yīng)用于其他文物土體的錨固工程也具有一定的借鑒意義。