土釘支護在船閘閘室墻加固中的應(yīng)用

周 穎

（江蘇省劉老澗船閘管理所，江蘇 宿遷 223800）

土釘支護在船閘閘室墻加固中的應(yīng)用

周 穎

（江蘇省劉老澗船閘管理所，江蘇 宿遷 223800）

本文通過劉老澗一號船閘技術(shù)改造中利用土釘支護就地加固閘室墻后回填土，將閘墻與墻后回填土形成類似于重力式擋墻的整體結(jié)構(gòu)，改善閘室墻由于墻后土壓力增大而發(fā)生內(nèi)傾的工程實例，分析利用船閘現(xiàn)有閘墻作為噴射砼面板，鉆孔放置變形鋼筋作為土釘，壓漿改善土質(zhì)形成的“非典型”性土釘墻施工方法并獲得成功，為類似水工建筑加固改造提供借鑒。

土釘支護；船閘；閘室墻加固

1 工程背景

劉老澗一號船閘1978年9月建成并交付使用，船閘尺度230m×20m×4m，閘室結(jié)構(gòu)為分離式混凝土圬工重力式結(jié)構(gòu)，閘室墻高12m，使用年代久遠，墻后地表水下滲，回填土由原虛填變?yōu)樽匀幻軐?，土壓力增大。多塊閘室墻在水位變動區(qū)出現(xiàn)橫向裂縫，上部閘室墻內(nèi)傾，嚴重影響船閘結(jié)構(gòu)安全，已屬于危閘，決定實施全面技術(shù)改造，閘室抽水后，鑿除水平通縫以上的墻體，植筋澆筑新墻體，對于僅發(fā)生內(nèi)傾尚未發(fā)生水平通縫的墻體人工剝離20cm厚混凝土，綁扎鋼筋網(wǎng)片，在墻體鉆孔并延伸至墻后土層12m，通長放置Φ25螺紋鋼筋，注漿提高原裝土整體性，澆筑閘室墻貼面混凝土，形成土釘支護，改善閘室墻受力狀態(tài)。

2 閘室墻土釘支護加固理論

船閘在正常運行期間，隨著閘次的開放，閘室內(nèi)水位在上下游水位間變動，下游水位時閘室水深4.5m，上游水位時閘室水位9m，最低水位以下的閘室墻在土壓力和水頭壓力下處于平衡狀態(tài)，在水位變動區(qū)以上，閘室墻僅受墻后土壓力的單向力，閘室墻成為懸臂結(jié)構(gòu)，在上部主動土壓力較大處擠壓閘室墻產(chǎn)生內(nèi)傾，閘室最低水位處即是最大彎矩和最大剪力產(chǎn)生處，從而破壞混凝土墻體，產(chǎn)生水平裂縫。根據(jù)土力學(xué)可知，在墻后土體結(jié)構(gòu)中存在滑動區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，閘室墻處于極限運動狀態(tài)，土體有沿墻及假想破裂面移動的趨勢，即土推墻的主動土壓力存在，只有通過工法消除主動土壓力或者在閘室最低水位以上的墻體上設(shè)置土釘支護利用土釘支護結(jié)構(gòu)增加釘-土摩擦力的理論［1］，土釘墻如圖1所示，滑動區(qū)ABC產(chǎn)生的水平推力即是對閘室墻的主動土壓力同時也在土釘中形成拉力，企圖將土釘從土中拔出，而滑動面后方的土被穩(wěn)定區(qū)土的自重壓住。也就是說，穩(wěn)定區(qū)的土與土釘之間的摩阻力阻止土釘拔出，如果穩(wěn)定區(qū)的筋土之間的摩擦力與主動區(qū)土的水平推力平衡，閘室墻所受的主動土壓力就不復(fù)存在，那么閘室墻、土釘、墻后土所形成的整個結(jié)構(gòu)就是穩(wěn)定的。

圖1 土釘結(jié)構(gòu)原理-筋土摩擦理論

3 閘室墻土釘支護的三要素

土釘墻支護方式的三要素?zé)o外乎土、釘、墻［2］。在最常見的土釘支護施工方案中，尤其在基坑開挖支護時，常用土釘支護一般采用逆作法，先開挖溝槽留作土釘墻施工空間，噴錨完成后再實施土方開挖，可看作是土釘與挖土同步進行。那么，在開挖完成的溝槽后方原狀土就是土釘支護結(jié)構(gòu)中的第一要素——土；通過在溝槽壁鉆孔植入土體的鋼筋就是另一重要要素——釘；最后在溝槽壁上噴射砼形成的護壁即是最后一要素——墻。本工程所用的閘室墻土釘支護不同于基坑開挖，其形成土釘支護的三要素土、釘、墻也有明顯區(qū)別，其第一要素土即是閘室墻后回填土，釘則是需要通過在閘室墻上鉆孔并沿同一軸徑延伸至土層內(nèi)，然后放置鋼筋并注漿形成，墻則是利用現(xiàn)有閘室墻，無需噴射砼，但需在閘室墻上制安鋼筋網(wǎng)片，安裝模板后澆筑高強混凝土閘室墻內(nèi)襯。由此可見，用于閘室墻加固所用土釘支護結(jié)構(gòu)是一種“土、釘、墻”三要素齊全，施工方法經(jīng)過調(diào)整的“非典型”土釘墻。

4 施工方法及流程

4.1 施工流程

施工流程如圖2所示。

圖2 施工流程圖

4.2 施工機具選型

4.2.1 閘室墻鉆機。劉老澗一號船閘閘室墻為干硬性混凝土結(jié)構(gòu)，實地回彈強度達C40，且閘室墻為扶壁式結(jié)構(gòu)，閘室墻頂最窄斷面厚度為0.5m，根據(jù)設(shè)計孔位，最上排土釘所在閘室墻厚度為0.8m，最下排土釘所在閘室墻厚度為1.2m，閘室墻的素混凝土結(jié)構(gòu)，若采用常規(guī)氣鎬或者電鎬等成孔設(shè)備，極易因施工干擾產(chǎn)生裂縫和破壞，故排除。普通水鉆打孔機的合金鉆頭無法滿足成孔深度的要求，通過現(xiàn)場焊接鉆頭加長桿，其扭矩?zé)o法滿足鉆進需求；經(jīng)過反復(fù)試驗后，選用混凝土鉆孔取芯機效果較好，該機型采用雙立柱結(jié)構(gòu)、螺旋給進方式，穩(wěn)定性好，操作簡單省力。采用汽油發(fā)動機為動力、最大鉆孔取芯直徑Φ200mm、最大鉆孔取芯深度400～5 000mm（可配加長桿30cm/根），滿足最大80cm鉆孔深度的要求，采用高速切割技術(shù)與薄壁金剛石鉆頭配套，可鉆切高強度鋼筋混凝土，鉆進效率高、孔位準確、孔壁光滑，成孔質(zhì)量好，芯樣完整光滑、震動小，對閘室墻無損害。

4.2.2 土層鉆機。錨桿鉆機是土釘支護的關(guān)鍵設(shè)備，它影響著土釘支護的質(zhì)量——孔的方位、深度、孔徑的準確性及土釘安裝質(zhì)量，又涉及操作者的人身安全、勞動強度與作業(yè)條件等。根據(jù)破巖方式，目前市面上常見的有回轉(zhuǎn)式、沖擊式、沖擊回轉(zhuǎn)式、回轉(zhuǎn)沖擊式。而劉老澗一號船閘墻后土為回填土，經(jīng)過幾十年的自然沉積，可看作自然密實土壤，且土質(zhì)為黏性土，類型單一，無砂礫等雜質(zhì)，選用一般錨桿鉆機即可完成成孔。為了作業(yè)效率，最終選用支腿式回旋鉆機。

4.2.3 注漿設(shè)備。注漿質(zhì)量的好壞是閘室墻土釘錨固成敗的決定性因素，是本工程的關(guān)鍵性工序，注漿在閘室的豎直墻面上作業(yè)，施工面空間有限，交叉施工多，制漿在墻頂?shù)孛嫱瓿?，漿液采用純水泥漿，根據(jù)設(shè)計要求，初始水灰比定位0.7∶1，根據(jù)回漿情況，逐步調(diào)整至0.4∶1，隨著成孔工法越來越熟練，原來準備的一臺制漿機無法滿足注漿效率，經(jīng)設(shè)計院認可后，在純水泥漿液中摻入速凝劑，速凝劑選用水玻璃，經(jīng)試配后選用濃度為30°Be^，摻入量為水泥的2.5%，很好地解決了制漿機存在不足影響工作效率的問題。

4.3 施工過程及其控制要點

4.3.1 閘墻鉆孔。因老閘墻較為單薄、土釘孔眼較密，為避免鉆孔對閘墻造成過大的震動和損傷，采用輕型地質(zhì)鉆機進行造孔，造孔前根據(jù)設(shè)計孔位進行測量放樣，并做好孔位標記。然后搭設(shè)移動平臺便于人工操作。為了控制好孔的傾斜度，根據(jù)設(shè)計傾斜度要求焊接一個三角錐形鋼架放置鉆孔機以控制孔的傾斜度。定出孔位做好標記并編號，一切準備完好后，進行閘墻鉆孔，孔眼直徑為120mm。

4.3.2 土層成孔。土釘長度分別為5 500、6 500、7 500mm，采用22、25mm的螺紋鋼，對鋼筋原材料按規(guī)范要求進行抗拉、抗折、焊接試驗。施工采用回旋鉆機施工成孔，鉆孔過程中控制好孔徑、孔深和成孔的傾斜度，所有尺寸及位置均應(yīng)符合設(shè)計要求和有關(guān)規(guī)定。如果成孔過程中遇到障礙物，應(yīng)及時調(diào)整孔位，調(diào)整孔位位置不得損害閘墻加固設(shè)計原定安全程度和被支護結(jié)構(gòu)的安全。

4.3.3 插入土釘。插入土釘前預(yù)先進行清孔檢查，若孔中出現(xiàn)局部滲水或掉落松土應(yīng)立即進行處理。土釘鋼筋置入孔中前，要先在鋼筋上安裝對中定位支架，以保證鋼筋處于孔位中心且在注漿后其保護層厚度不小于25mm。支架沿釘長的間距為2～3mm。

4.3.4 鉆孔內(nèi)注漿。土釘鋼筋安設(shè)好后，請監(jiān)理現(xiàn)場驗收，驗收合格后對鉆孔內(nèi)進行注漿，漿體采用硅酸鹽水泥，標準稠度30%，水灰比為0.4左右，砂漿比為1∶1，可適量摻入膨脹型減水劑，拌和時間不少于1min，灰漿過篩后存放于儲漿桶內(nèi)。此時桶內(nèi)灰漿仍要低速攪拌，并經(jīng)常保持足夠的數(shù)量以保證每根管道的壓漿能一次連續(xù)完成。水泥漿自調(diào)制到壓入管道的間隔時間不得超過40min。注漿時注漿管一定要插至孔底，然后回抽3～5cm，注漿的壓力以保證壓入孔內(nèi)的水泥漿密實為準，開始壓力要小，逐步增加，一般為0.5～0.7MPa。緩緩?fù)顺?，直至孔口溢出（管亦剛好自動退出）。?dāng)氣溫高于35℃時，壓漿在夜間進行。壓漿后應(yīng)從檢查孔抽查壓漿的密實情況，如有不實，應(yīng)及時處理和糾正，注漿完畢后，在漿液終凝前不得敲擊、碰撞或施加任何其他荷載［3］。

注漿結(jié)束后，待漿體的強度達到設(shè)計要求時，將土釘鋼筋與閘墻貼面鋼筋牢固焊接。土釘?shù)亩瞬繌澱?50mm后，再與面層縱向鋼筋焊接。

5 施工中易出現(xiàn)的問題及處理方法

5.1 注漿后土體液化

在易液化的土體環(huán)境中實施土釘施工，在施工中和竣工后都可能在外界的沖擊和震動下使土釘墻或深遠部土體突然塌落失穩(wěn)，尤其在閘室墻土層為回填土的情況下，其含水率常不能通過普通鉆探進行科學(xué)評估，局部土質(zhì)可能含水率偏差顯著，故在閘室墻加固中單獨采用土釘墻加固土體的措施具有一定的風(fēng)險性。一旦發(fā)生土體液化，要及時調(diào)整灌注的水泥漿水灰比，必要時在水泥漿中加入速凝劑用以對抗土體的液化［4］。如果土體液化發(fā)生屬于大概率事件或者發(fā)生的面積較廣，應(yīng)立即停止施工，采取墻后土開挖和換填的方法，避免采用單一的土釘加固方式。

5.2 土釘墻整體破壞

土釘成孔注漿后，由于閘室墻墻體沖孔過密或者施工震動導(dǎo)致墻體受到破壞，而墻后需加固的土體內(nèi)部產(chǎn)生裂縫與滑移，將加固體分割為滑動區(qū)與約束區(qū)。由于滑體下移將同時導(dǎo)致土釘彎曲、剪切與拉伸，最終可能拔出或斷裂。產(chǎn)生這種情況的主要原因是土釘?shù)目傮w抗拉或抗拔力不夠，且抗彎、抗剪能力也不足。這時就需要設(shè)計單位及時介入，一般采取增大土釘鋼筋直徑和錨桿長度的方式來解決。

5.3 土釘墻局部破壞

閘室墻面層混凝土澆筑完成，即整個土釘墻的三要素（土、釘、墻）全部實施完成后，個別地方容易出現(xiàn)一些損壞。例如，閘室墻面層鋼筋與土釘結(jié)合點的斷裂；個別土釘損壞；面層局部開裂、隆起或墻后土與閘室墻產(chǎn)生空隙等，這些問題的出現(xiàn)證明土釘支護是失敗的。而類似這些問題的出現(xiàn)多是由于施工和材料質(zhì)量不佳或排水、防水、防腐蝕不力，此類問題多出現(xiàn)在閘室墻面層混凝土澆筑完成后，顯然已無整改措施。所以，在施工過程中，要從準備階段開始，不管是施工機具、材料的準備，還是施工現(xiàn)場的準備，尤其墻后土的降水工作一定要切實完成，確保土釘支護的質(zhì)量。

6 結(jié)語

土釘墻技術(shù)是一種較為成熟且具有廣闊發(fā)展前景的技術(shù)，通過本工程的實際應(yīng)用，選擇合適的施工器具及合理的施工參數(shù)對工程建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。希望本文的論述能為以后類似水工構(gòu)筑物原位加固提供一些參考。

［1］孔憲賓，任青文.土釘墻技術(shù)及其發(fā)展［J］.水利水電科技進展，2000（2）：24-25.

［2］萬金山.土釘墻技術(shù)及其應(yīng)用前景［J］.江蘇地礦信息，1997（2）：87-95.

［3］楊永濤.自鉆式錨桿在溪洛渡水電站左岸豎井施工中的應(yīng)用［J］.水利水電科技進展，2010（1）：54-55.

［4］張鑫，盛光復(fù)，孫劍平，等.一起深基坑支護事故分析［J］.工程力學(xué)，1996（A03）：363-366.

Application of Reinforcement in the Lock Chamber Wall in Soil Nailing

Zhou Ying
（Liulaojian Shiplock Management Institute of Jiangsu Province，Suqian Jiangsu 223800）

This article through the use of soil nailing reinforcement chamber wall backfill Liulaojian ship?lock,technological transformation,the wall and backfill to form an integral structure similar to the gravity retaining wall,the engineering examples to improve the chamber wall due to wall earth pressure increases occur introverted,analyzed of the use of existing lock gate as the spray concrete panel,borehole deforma?tion of reinforced soil nailing placed as grouting to improve the soil,the formation of"atypical"of soil nail?ing wall construction method and success,reinforcement and reconstruction to provide reference for similar construction.

soil nailing；navigation lock；chamber wall reinforcement

U641.31

A

1003-5168（2017）12-0052-03

2017-11-03

周穎（1983-），女，本科，工程師，研究方向：船閘養(yǎng)護保障管理。