楠竹加筋復合錨桿成孔工藝研究

內容摘要：錨桿成孔工藝直接影響錨孔的成孔質量及錨固質量，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區(qū)工程地質環(huán)境，然后結合交河故城崖體錨固加固工程進行現(xiàn)有成孔工藝的總結、統(tǒng)計、優(yōu)化，包括開孔、鉆進、出渣以及成孔時間、速度等，提出了施工過程中所遇問題的相應處理措施。研究表明，錨固對象的地層巖性、裂隙發(fā)育特征、含水量、土體破碎及危險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程度有很大的關系，成孔時應對風壓、沖擊器進行適當調整以滿足安全的需要。最后，簡要說明了成孔后安設錨桿、封孔作舊等后續(xù)工作此項研究成果為優(yōu)化成孔工藝提供了依據(jù)。

關鍵詞：楠竹復合錨桿；成孔工藝；交河故城

中圖分類號：K854.3 文獻標識碼：A 文章編號：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重要工程措施。對巖土體進行錨固，能夠充分地調動和提高巖土體自身的強度及其自穩(wěn)能力，大大減小了結構物體積和減輕結構物自重，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)定性和解決復雜巖土工程問題的最經(jīng)濟、有效方法之一，在我國廣泛應用于高邊坡加固、滑坡治理、基坑、礦井、隧洞、壩體、地基等基礎結構工程建設中。

我國西北絲綢之路上的土遺址，由于遭受嚴重的風蝕和雨水沖刷、構造和地震的破壞，大批土遺址瀕臨毀滅。針對具有特殊性的文物土體，如何經(jīng)濟、安全地搶險加固為數(shù)不多的土建筑遺址，特別是由于構造裂隙、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)模范圍大幅度向內收縮，已經(jīng)成為廣大專家學者關注的問題。錨固因其可提高土體的強度及其自穩(wěn)能力，易于施工，正在被古遺址保護加固工程廣泛采用。

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伍研發(fā)了楠竹加筋復合錨桿。此錨桿內部為φ15.2鋼絞線，向外依次為復合材料(環(huán)氧樹脂、粉煤灰、石棉等調制的膠泥)、楠竹、玻璃絲布(圖1)，滿足了文物加固的要求。復合錨桿加固技術尚屬首創(chuàng)，特別在陡立崖體土層中，錨固成孔工藝是整個工程的技術關鍵。成孔質量的好壞，不僅影響著施工進度和工程造價，而且還直接影響著錨固工程的質量。這就需要對上述問題進行系統(tǒng)科學的研究，探索比較完善的施工技術體系，直接服務于工程建設，確保了程順利實施。同時，為干旱半干旱地區(qū)土遺址高陡邊坡復合錨桿成孔技術的推廣應用，提供科學依據(jù)。

二 試驗區(qū)工程地質條件及設計概況

2.1 工程地質條件

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地上，臺地高約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、多大風的氣候特征，新構造運動強烈。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：粉質粘土、砂層、含粉土細砂、粉質粘土、含砂粉土、粘土、粉土、粉質粘土(圖2)。正是由于交河故城所處的地質環(huán)境，在河流沖刷、風蝕、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 設計概況

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

設計參數(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)共布設復合錨桿57根，臨時支護鋼筋錨桿11根。自上而下分5排布設，上3排全部為15m復合錨桿，第4排后5根與第5排為5m復合錨桿(如圖2、圖3)。

三 成孔工藝研究

結合崖體的地形地貌與孔位的地層巖性，本次鉆進工程采用自重輕、體積小、便于高空作業(yè)的HQD110型電動潛孔鉆機成孔，并結合Ingersoll-Rand750型空壓機邊成孔邊出渣。鉆頭直徑68～130mm，經(jīng)加工改造可達到180mm，單次推進長度1000mm，成孔時孔深應比錨桿設計長度大500mm。

3.1 開孔、鉆進

施工前，首先搭設一個具有一定穩(wěn)固性并符合安全要求的操作平臺，作為運輸通道及升降設備。作業(yè)平臺寬度3～4m。鉆進前將鉆機移置孔位前方后，將鉆架底座固定在腳手架上，并調整鉆架角度略小于設計角度15°。開孔應采用重壓慢轉，待鉆具穩(wěn)定后再正常鉆進。對于崖面不平整的部位，為了開孔方便，開鉆前須將崖面找平。針對不同危險程度的土體，其施工工藝則有所不同。

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

(2)對于微小裂隙，在監(jiān)測危險土體穩(wěn)定的情況下，可采取沖擊的方式進行鉆進，以增快施工進度。

(3)鉆進速度的大小與給風量的大小有關，風量越大，壓力越大，進尺越快，反之進尺緩慢。對于在砂層上成孔時，由于砂土較松散，粘結性差，為了防止塌孔、孔徑過大，應少用沖擊鉆進，多用干磨的方式成孔，且給風量要適當減少。

3.2 出渣

鉆孔孔壁的沉渣，一般使用高壓空氣(風壓0.2～0.4MPa)將孔內巖土粉末吹凈，以免降低水泥砂漿與孔壁巖土體的粘結強度。但是，由于隨著鉆進長度的增加，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)鉆進工作正常進行，除了來回推、提鉆桿出渣外，可用自制取土器進行掏渣(圖4)。如取土器長度不夠時，可用注漿管進行出渣，將注漿管的一端連接到鉆機風口，另一端塞入堵塞位置，將土渣吹出(圖5)。如遇堵塞嚴重時，特別是跨裂隙處鉆進時，經(jīng)常發(fā)生塌孔現(xiàn)象，注漿管出渣由于強度不夠已不能滿足需要，這時可從連接幾根鉆桿至鉆機風口，進行強風壓出渣(圖6)。

3.3 鉆進速度隨鉆孔位置及鉆進深度的變化規(guī)律性

3.3.1 鉆進速度隨錨孔位置高低的變化規(guī)律性

通過對41-5亞區(qū)中的20個錨孔的鉆進數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，正常情況下，15米的鉆孔成孔需用時2個小時左右，10米鉆孔需用時1個小時左右，5米需用時30分鐘左右。接一根鉆桿需用時30秒左右，卸一根鉆桿需用時1分鐘左右。當然隨著被錨固土體危險程度、孔位所處地層巖性以及鉆工技術熟練程度等不同，成孔效率會有所差別。另外，通過對各個錨孔的鉆進速度進行分析統(tǒng)計，我們發(fā)現(xiàn)錨孔的鉆進速度隨著錨孔高度的降低有逐漸上升的趨勢。最上面的一排錨孔，即距離崖頂2.5m的錨孔，其鉆進速度僅為0.195m/s，隨著錨孔位置的降低，鉆進速度成線性增長(圖7)，最高可達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，對鉆進越來越有利；另一方面由于隨著錨孔高度的降低，地層巖性從粉質粘土向中砂、含砂粉土轉變，土體強度不斷減小。

3.3.2 鉆進速度隨錨孔鉆進深度的變化規(guī)律性

通過對20組鉆進數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，我們發(fā)現(xiàn)隨著鉆機鉆進深度的不同，其鉆進速度也有一定的規(guī)律性。以No.14孔為例，隨著鉆進深度的增加，鉆進速度不斷增大，直到趨于一穩(wěn)定值，其原因在于隨著鉆進深度的增加，土體含水量不斷增加，并在一定深度范圍內含水量趨于穩(wěn)定(圖8)，從而造成鉆進速度隨鉆進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，無疑減少了鉆進的工作量，因此其鉆進速度有所增大。

鉆孔結束后，需遵循“一孔一錨”原則立即對錨孔進行安設錨桿、錨孔注漿、安設錨具、錨孔封堵，最后進行表面作舊，以達到“修舊如舊，不改變原貌”的原則。

四 結論

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

(1)開孔時應遵循重壓慢轉的方式鉆進。對于具有寬大裂隙的危險土體，特別是上層錨孔，應盡量減少對土體的擾動，采取干磨的方式鉆進；對具有小裂隙或者無裂隙的土體，可根據(jù)具體情況，在監(jiān)測危險土體穩(wěn)定的情況下，酌情進行沖擊鉆孔。對于在砂土層成孔，由于其粘結性差，需減小風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、鉆桿強風壓出渣3種出渣工藝，以滿足不同出渣的需要。

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

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