可回收自旋土釘錨管在西安地鐵4號線的應(yīng)用

馬金偉

摘要：在礦用自旋錨管的基礎(chǔ)上對土層自旋錨管進行了系統(tǒng)研究，并在西安地鐵2號線大開挖基坑試驗的基礎(chǔ)上對西安地鐵4號線的基坑進行大量試驗。用可回收自旋土釘錨桿代替橫支撐，確定不同土層中可回收自旋土釘錨管的各項參數(shù)，最后在基坑支護中大量應(yīng)用并進行監(jiān)測。結(jié)果證明：可回收自旋土釘錨管應(yīng)用在土層中比傳統(tǒng)的支護方式更加快速、安全、可靠。

關(guān)鍵詞：可回收自旋土釘錨管；錨桿外絲徑；旋絲螺距；錨固力

中圖分類號：U455.7文獻標志碼：B

Abstract： Based on the selfscrewed anchors for mining engineering， the selfscrewed soil nail anchor was systematically studied， and the foundation pit of Xi'an Metro Line 4 was experimented on the basis of the excavation test of Xian Metro Line 2. The parameters of recyclable selfscrewed soil nail anchors in different soil layers were determined by using anchor bolts instead of transverse support， which were applied and monitored in the foundation pit support. The results show that the recyclable selfscrewed soil nail anchor is faster， safer and more reliable than the traditional support method.

Key words： recyclable selfscrewed soil nail anchor； outer diameter of anchor； screw pitch； anchoring force

0引言

地鐵車站基坑施工中多采用鋼管作為橫支撐。這樣的橫支撐結(jié)構(gòu)在施工中消耗大量的勞動力和費用，而且影響挖掘工作，后期施工建筑結(jié)構(gòu)時還需拆除，影響工期。

針對上述問題，本課題組在2009年西安地鐵2號線大開挖基坑時試驗了可回收自旋錨桿的可用性，在2號線基坑支護經(jīng)驗的基礎(chǔ)上對可回收自旋土釘錨管進行了一定的改進，并做了大量新的試驗。此次在西安地鐵4號線深基坑開挖中，用可回收自旋土釘錨桿代替橫支撐，試驗錨桿的應(yīng)用狀況。

1土層錨固現(xiàn)狀分析

1.1自旋錨固技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自旋錨桿因結(jié)構(gòu)形式似螺旋體又被稱為螺旋錨桿。第一個有關(guān)自旋錨桿的標準——PISA（Power Installed Screw Anchors）于1959年制定。20世紀90年代初開始，中國在水利、電力、建筑、煤炭等很多行業(yè)都開展了自旋錨固技術(shù)的試驗研究工作，但至今仍處于技術(shù)積累時期，主要是因為其在不同地層應(yīng)用時需要采用不同的參數(shù)和工藝。

1.2錨固回收結(jié)構(gòu)

1.2.1漲殼結(jié)構(gòu)

土層錨固力來自摩擦力，因此需要足夠的接觸面，同時施加一定的正應(yīng)力也非常有助于摩擦力的提高。

漲殼結(jié)構(gòu)錨桿體（圖1）可提供側(cè)向力，用后還可回收；但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工困難，現(xiàn)場很少應(yīng)用。

1.2.2全向膨脹式結(jié)構(gòu)

全向膨脹式結(jié)構(gòu)的缺陷是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，回收困難，如圖2所示。

此外，土層中使用的錨桿還有螺旋錨桿，它依靠

2 全向膨脹式結(jié)構(gòu)

錨葉（由一系列較大截面的旋片組成）在土層中的摩擦形成阻力。螺旋錨桿技術(shù)已經(jīng)在一些樁錨聯(lián)合應(yīng)用中取得良好的效果，但是大規(guī)模應(yīng)用于深基坑支護還存在一些缺陷，需要進一步的研究與驗證。

2可回收自旋土釘錨管的工程應(yīng)用

課題組在近年煤礦自旋錨管（圖3）的研究應(yīng)用[15]中積累了大量的經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上對土層中使用可回收自旋土釘錨管進行了系統(tǒng)研究；進一步分析了以前螺旋錨固技術(shù)的基本特點[612]，對土層錨固的作用機理再次進行了深入探索。本項目使用的錨桿是一種新型的受拉桿件，是以強力旋扭作用使錨固段對周圍土體進行擠壓形成較高的錨固力。

2.1試驗地鐵基坑地質(zhì)情況

試驗地鐵基坑自上而下分為7個工程地質(zhì)層，地層特征及描述如下。

2.1.1全新統(tǒng)地層

（1）人工填土，雜填土。該地層雜色、松散，由建筑垃圾、粉質(zhì)黏土與大量磚瓦碎片組成，結(jié)構(gòu)雜亂，土質(zhì)不均，厚度為090～210 m。

（2）人工填土，素填土。以黃褐色為主，硬塑，主要為粉質(zhì)黏土，厚度為080～500 m，層底深度為100～520 m，層底高程為39815～40283 m。

2.1.2上更新統(tǒng)地層

（1）新黃土。該土層分布于填土底面以下，黃褐色，可塑，屬中偏高壓縮性土，局部聚高壓縮性。本層厚度為050～580 m，層底深度為300～720 m，層底高程為39631～40063 m。

（2）古土壤。以褐紅色、褐灰色為主，局部軟塑，團粒結(jié)構(gòu)，其針孔狀空隙含鈣質(zhì)條紋及少量鈣質(zhì)結(jié)核；底層鈣質(zhì)結(jié)核含量較多，局部鈣質(zhì)結(jié)核富集成層，鈣質(zhì)結(jié)核粒徑約為10～30 cm，屬中壓縮性土。本層厚度為340～550 m，層底高程為38706～38952 m。

（3）粉質(zhì)黏土。以黃褐色、褐黃色為主，硬塑，含錳鐵質(zhì)斑點及零星鈣質(zhì)結(jié)核，局部鈣質(zhì)結(jié)核富集。層厚110～850 m，層底深度為220～1180 m，層底高程為39142～39861 m。

（4）粉土?；尹S色，飽和、密實，含少量砂土。本層多以夾層或透鏡體形式分布于粉質(zhì)黏土層中，最大揭露厚度為280 m，最淺埋深為2050 m，最高高程為38303 m。

（5）細砂?；尹S色，飽和、密實，級配不良，礦物成分以長石石英為主，含少量云母。本層多以夾層或透鏡體形式分布于粉質(zhì)黏土層中，鉆深最大揭露厚度為220 m，最淺埋深為215 m，分布有粉土、砂夾層或透鏡體，屬中壓縮性土。最大揭露厚度為1980m，高程為38278 m。

2.2可回收自旋土釘錨管參數(shù)試驗

2.2.1可行性試驗

正式開工前首先進行多組試驗以便找到適應(yīng)本工程地質(zhì)條件的各項參數(shù)，見表1。

可行性試驗結(jié)論如下。

（1）使用風(fēng)扳機旋入困難，風(fēng)扳機不能滿足50 kN以上錨固力的施工要求。

（2）打眼與不打眼相比對可回收自旋土釘錨管的錨固力有一定影響，但是影響不大。

（3）錨固力與可回收自旋土釘錨管帶旋絲部分的長度有關(guān)，與錨桿桿體全部的長度關(guān)系不大。

2.2.2機械化安裝試驗

采用較大動力以及連續(xù)旋轉(zhuǎn)機械化安裝，試驗結(jié)果見表2。

機械化安裝試驗結(jié)論如下。

（1）可回收自旋土釘錨管旋絲間距在25 mm和50 mm時的錨固力基本相同；采用旋潛孔鉆機直接旋轉(zhuǎn)安裝的施工工藝時，旋絲間距宜選25 mm。

（2）在一般黏土中，可回收自旋土釘錨管外絲徑為50 mm時，單位長度錨固力不小于15 kN。

（3）可回收自旋土釘錨管施工時宜采用旋進扭矩大于1 500 N·m的潛孔鉆機，這類潛孔鉆機安裝速度快，施工完成后拆卸方便，施工性能可靠。

（4）可回收自旋土釘錨管錨固力與錨固長度成正比。

（5）可回收自旋土釘錨管在砂層中的錨固力明顯大于土層中的錨固力。

2.2.3確定錨桿參數(shù)

經(jīng)過不斷的參數(shù)設(shè)計和調(diào)整，并在土層中進行大量試驗，最后決定本標段的土釘和樁間錨桿采用鋼管作桿體，三角冷拔絲作旋絲，完整結(jié)構(gòu)見圖4。

最后確定在本標段使用的錨桿參數(shù)如下。

（1）土釘參數(shù)。土釘采用HXTZT自旋土釘錨管；錨管外徑為37 mm，桿體采用壁厚2.75 mm、直徑為21mm的無縫鋼管；旋絲材質(zhì)為三角鋼絲，高度9 mm，間距25 mm；長度的初定為3 500 mm，施工中可根據(jù)需要確定合適長度；土釘?shù)瓮斜P尺寸為120 mm×120 mm×7 mm。

（2）樁間錨桿參數(shù)。采用HXTZM自旋錨桿，錨桿外徑為44 mm，桿體為壁厚5 mm、直徑34 mm的無縫鋼管；旋絲材質(zhì)為三角鋼絲，高度5 mm，間距25 mm；長度為每節(jié)6 000 mm，施工中可根據(jù)需要任意接長。

（3）錨桿錨固參數(shù)。含水率小于18%時，土釘錨固力大于42 kN；水飽和時，土釘錨固力為22 kN左右。含水率小于18%時，錨桿錨固力大于16 kN·m-1；水飽和時，錨桿錨固力為8 kN·m-1左右。

2.3可回收自旋土釘錨管安裝后期內(nèi)力

可回收自旋土釘錨管在安裝過程中就開始對土體進行擠壓，安裝完成后能馬上產(chǎn)生可靠的錨固力[1317]，如圖5所示。試驗數(shù)據(jù)表明，可回收自旋土釘錨管的錨固力在一般砂土層中達到10 kN·m-1以上，在古土壤中可達到25 kN·m-1以上，能夠滿足基坑安全的要求。由于各種擾動和可回收自旋土釘錨管安裝過程中旋絲間距的不規(guī)則性，尤其是旋絲前后的不同步，使得錨桿安裝結(jié)束后的錨固力還沒有達到最大值[1819]。觀測數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過一段時間后，錨桿的錨固力有所上升，這一現(xiàn)象對基坑的長期穩(wěn)定非常有利。

3結(jié)語

本次西安地鐵4號線的試驗給可回收自旋土釘錨管進入深基坑支護進一步打下了基礎(chǔ)。

（1）本次試驗得到了在古土壤、砂土體中使用可回收自旋土釘錨管的參數(shù)。

（2）用可回收自旋土釘錨管代替樁錨系統(tǒng)中的錨索，能在最短時間內(nèi)達到加固基坑周圍土體的效果，其錨固方式能夠改變基坑周圍土體的力學(xué)特性。橫支撐占用基坑內(nèi)部大量的空間，嚴重影響機械的施工效率，可回收自旋土釘錨管代替橫支撐，完全不占用基坑內(nèi)部空間，使得挖土施工效率提高一倍以上，永久結(jié)構(gòu)施工效率加快，施工期大大縮短。

（3）可回收自旋土釘錨管作為樁間錨桿只需要很小的預(yù)緊力就能改變土體的力學(xué)特性。

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[責(zé)任編輯：杜敏浩]