壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索跟管鉆進(jìn)技術(shù)在南寧五象廣場邊坡中的應(yīng)用

徐 婧,王杰光,李海民,朱萬旭

(1.桂林理工大學(xué) a.土木與建筑工程學(xué)院;b.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004; 2.柳州歐維姆工程有限公司,廣西 柳州 545005)

預(yù)應(yīng)力錨索錨固技術(shù)因其能充分發(fā)揮和提高巖土體的強(qiáng)度、有效控制巖土體的變形、加固效果明顯、施工方便、場地適應(yīng)性強(qiáng)等因素在復(fù)雜高邊坡加固中備受青睞[1-2]。拉力集中型錨索在錨固段應(yīng)力分布不均勻,極易在錨固段產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,并且其錨固力較低,隨著施工技術(shù)的發(fā)展,壓力分散型錨索單孔復(fù)合錨固技術(shù)因其可分段受壓、傳遞荷載均勻、承載力高、耐久性好、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn),在各種預(yù)應(yīng)力錨索中迅速發(fā)展,廣泛應(yīng)用于軟弱地層的加固工程中。

隨著壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索的廣泛應(yīng)用,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。 尤春安[3]和夏元友等[4]對壓力型錨索的錨固機(jī)理進(jìn)行分析,得出壓力分散型錨索的剪應(yīng)力分布比壓力集中型小得多,但是由于壓力分散型錨索各段自由段不同,因此施工中容易出現(xiàn)受力不均勻現(xiàn)象。 王樹仁等[5]和金永軍等[6]利用有限差分程序?qū)毫Ψ稚⑿湾^索錨固機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬,研究表明壓力分散型錨索尤其適用于對大變形軟巖工程的錨固,增加承載體的數(shù)量是提高其錨固力、改善受力狀態(tài)的有效途徑,因此壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索在軟弱地層中廣泛應(yīng)用。 Kim[7]在Sungkyunkwan大學(xué)的巖土試驗(yàn)場進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn),認(rèn)為壓力分散型錨索的蠕變速率比拉力型錨索低約20%,而且其應(yīng)力松弛現(xiàn)象也比拉力型錨索低。 而Barley[8]則認(rèn)為Kim的試驗(yàn)中對極限荷載的定義不是很恰當(dāng),導(dǎo)致最后施加的最大荷載偏小,丟失大量更高荷載的數(shù)據(jù),并且試驗(yàn)中也未得到錨索承載力下降段的力學(xué)性能。

王清標(biāo)等[9]對壓力分散型錨索在松散破碎巖土體中應(yīng)用并監(jiān)測其錨固效果,得出壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索也存在一定的局限性,在施工過程中需要研究更為科學(xué)合理的施工方案和施工工藝。 綜上所述,雖然國內(nèi)外學(xué)者對壓力分散型錨索的錨固機(jī)理結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行了深入研究,但是由于施工現(xiàn)場情況復(fù)雜、地質(zhì)條件各有不同,在復(fù)雜地層壓力分散型錨索鉆孔施工過程中的鉆機(jī)鉆進(jìn)、保護(hù)孔壁、取芯等成孔困難問題仍未得到根本性解決,需要結(jié)合實(shí)際施工情況調(diào)整相應(yīng)的施工工藝,注重因地制宜[10]。

本文結(jié)合南寧五象廣場邊坡支護(hù)工程,在大面積軟弱土層這種復(fù)雜地層中對壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索跟管鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了研究,分析施工難點(diǎn),制定施工方案,并詳述了施工工藝及施工流程,以期為今后相關(guān)工程的施工提供借鑒。

1 工程概況

南寧五象廣場邊坡支護(hù)工程位于南寧市五象新區(qū)核心區(qū)平樂大道與宋廂路交匯處西北側(cè)，工程體量大,在我國城市邊坡支護(hù)工程中是非常罕見的,土質(zhì)松軟,施工難度大。擬建辦公區(qū)基坑開挖深度約7.0～36.5 m,屬于深基坑。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告,場地的地層有新近人工堆填素填土;第四系殘積形成的含礫黏性土、含黏土角礫;下伏基巖為泥盆系硅質(zhì)巖、泥巖、條帶狀泥質(zhì)灰?guī)r,石炭系石灰?guī)r,如圖1所示。

土質(zhì)情況較為復(fù)雜：壓縮性較高,承載能力較低,密實(shí)度低,工程性狀較差,整體性較差,為軟弱土,填土對邊坡、基坑的支護(hù)及防滲將產(chǎn)生不利的影響,施工時(shí)易產(chǎn)生垮塌,故在施工時(shí)應(yīng)及時(shí)采取支護(hù)、護(hù)壁措施。由于基坑周邊條件較復(fù)雜,場地地層起伏變化大,基坑的工程地質(zhì)條件較復(fù)雜,軟弱土層較厚、面積較大,故對壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索采用超大規(guī)格跟管鉆進(jìn)成孔法。為了保證加固效果,采用多個(gè)錨固端分壓承載的壓力分散型錨索,其11個(gè)支護(hù)區(qū)段,總支護(hù)段長約693 m;錨索共1 573束;設(shè)計(jì)鉆孔總延米42 470 m;錨索長度(14+1.5)～(41+1.5) m,錨索設(shè)計(jì)鎖定力值166～1 600 kN(軸力標(biāo)準(zhǔn)值340～1 981 kN),最大錨索型號為15-16。

2 壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索的施工難點(diǎn)

2.1 鉆進(jìn)困難

因邊坡土質(zhì)較為復(fù)雜,多為角礫土和全風(fēng)化泥巖,這兩類土土質(zhì)結(jié)構(gòu)松散、整體性較差,遇水承載力降低,在鉆進(jìn)過程中鉆具在孔內(nèi)不斷地回轉(zhuǎn)和碰撞導(dǎo)致土體擾動(dòng),以及沖洗液的沖刷導(dǎo)致孔壁失穩(wěn)塌孔、漏孔、孔內(nèi)涌水等情況出現(xiàn)。 如若對這種軟弱土地基處理不當(dāng),將會導(dǎo)致鉆進(jìn)工作困難,出現(xiàn)塌孔或鉆桿受損等問題,由此帶來鉆孔質(zhì)量差、鉆進(jìn)效率低、鉆孔成本高。

采用大功率大型鉆機(jī)在施工試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行裸鉆成孔施工,施工過程中,出現(xiàn)鉆進(jìn)困難,時(shí)有卡鉆現(xiàn)象,兩天僅鉆進(jìn)7 m,并且在鉆進(jìn)過程中排渣困難,出現(xiàn)嚴(yán)重塌孔現(xiàn)象,甚至在鉆進(jìn)過程中鉆桿由于周圍土體擠壓力的作用而出現(xiàn)彎曲變形的情況。

在施工試驗(yàn)區(qū)采用高轉(zhuǎn)速螺旋鉆鉆進(jìn),高效鉆進(jìn),在鉆進(jìn)過程中無需循環(huán)排渣,可避免水力沖蝕與浸泡對土體產(chǎn)生的影響,但正是由于鉆進(jìn)速度快,對周圍土體的震動(dòng)及擾動(dòng)作用較大,導(dǎo)致土體整體穩(wěn)定性降低,施工過程中塌孔現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖1 工程地質(zhì)情況Fig.1 Engineering and geological conditions

2.2 跟管鉆進(jìn)施工過程中排渣困難、跟管難以取出

在施工過程中由于土質(zhì)問題采用跟管鉆進(jìn)施工方法,但是傳統(tǒng)的跟管鉆進(jìn)施工過程中跟管與鉆頭之間不同步,導(dǎo)致套管周圍土體涌入套管中、跟管鉆進(jìn)過程中管內(nèi)阻塞、成孔結(jié)束后錨索無法放入孔內(nèi),或套管難以取出,在拔管過程中已安放到位的索體會跟隨套管移出,每拔出一根套管,錨索就會隨著套管的拔出而跟出,施工質(zhì)量難以得到保證(圖2a、2b)。

2.3 套管接頭斷裂、管靴斷裂

傳統(tǒng)的套管由于套管之間連接強(qiáng)度較低,連接效果不牢固,在鉆進(jìn)或拔管過程中受到周圍土體的擠壓，摩擦作用較大,常會出現(xiàn)套管接頭斷裂、管靴斷裂,以及套管難以拔出等施工難題，均會導(dǎo)致套管損耗(圖2c)。

圖2 跟管鉆進(jìn)施工難點(diǎn)Fig.2 Engineering difficulties of pipe-following drilling

3 施工工藝

3.1 施工方案

結(jié)合工程邊坡土質(zhì)情況,以及在施工過程中裸鉆成孔、螺旋鉆成孔及傳統(tǒng)的跟管鉆進(jìn)施工工藝在施工過程中均出現(xiàn)施工困難、質(zhì)量難以保證的問題進(jìn)行深入研究,提出采用超大規(guī)格偏心鉆同步跟管鉆進(jìn)成孔法。 該方法先采用CIR150沖擊器配220直釬,前端對準(zhǔn)邊坡錨索孔位,后端與鉆機(jī)動(dòng)力頭連接,開動(dòng)鉆機(jī),裸眼成孔法鉆進(jìn)1.5～2.0 m 后退鉆,為偏心鉆跟管鉆進(jìn)提供定位和導(dǎo)向作用[11]。 偏心鉆在正常鉆進(jìn)時(shí),通過沖擊器的振動(dòng)沖擊作用帶動(dòng)偏心鉆具進(jìn)行鉆孔,鉆進(jìn)時(shí)由于摩擦力及離心力的作用偏心輪朝外偏出， 從而達(dá)到擴(kuò)大孔徑的目的,再通過穩(wěn)桿器的沖擊帶動(dòng)套管跟進(jìn),鉆孔產(chǎn)生的巖粉通過穩(wěn)桿器上的鍵槽吹出[12]。 使用偏心鉆具造孔,采用鋼套管保護(hù)孔壁,防止在鉆進(jìn)過程中因鉆具擾動(dòng)引起孔壁失穩(wěn)而出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象,同時(shí)鋼套管可以降低壓力風(fēng)的損失,使鉆孔周圍的巖屑等渣體沿著套管外壁滑落排至孔口,防止卡鉆。 Tan等[13]研究表明， 在套管磨損程度可隨著旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)角速度,旋轉(zhuǎn)臺角速度,滑動(dòng)和滾動(dòng)摩擦系數(shù),外部工具接頭半徑和鉆柱重量的增加而增加,因此,在施工過程中一定要嚴(yán)格控制旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 跟管鉆進(jìn)過程中,一邊加鉆桿和一邊上套管,跟管鉆進(jìn)到一定深度后提鉆檢查偏心鉆的使用情況,檢查無誤后繼續(xù)鉆進(jìn)到一定深度后重復(fù)提鉆檢查偏心鉆、沖擊器的使用情況直到跟管鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度,采用高壓風(fēng)徹底沖掃鉆孔排渣。 鉆孔結(jié)束后,通過反轉(zhuǎn)使偏心輪收攏,將鉆頭、沖擊器、鉆桿提升至孔外,套管留作孔內(nèi)護(hù)壁而成孔[14]。 錨索放置完畢后,采用拔管機(jī)拔出套管。

3.2 施工機(jī)具

偏心鉆同步跟管鉆進(jìn)過程中的主要施工機(jī)具見表1。

表1 主要施工機(jī)具Table 1 List of main construction tools

套管在整個(gè)鉆孔完成，錨索安置完成后拔出。為滿足工程的需要,選用Φ219規(guī)格套管及配套管靴,套管采用石油標(biāo)準(zhǔn)的P110材料,材質(zhì)為30CrMo(鉻鉬合金),管壁厚10 mm,經(jīng)鍛造處理兩端加厚到13 mm以上,全管熱處理調(diào)質(zhì)硬度達(dá)到HRC35度,再精加工成波型螺紋扣連接,如圖3所示。本套管螺紋強(qiáng)度高、韌性好。管靴直接鍛造與套管整體結(jié)構(gòu),可有效減少管靴斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 Φ219規(guī)格套管及配套管靴Fig.3 Φ219 specification casing and matching pipe shoe

3.3 施工流程

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場壓力分散型錨索的跟管鉆進(jìn)施工工序,總結(jié)得到壓力分散型錨索的偏心鉆同步跟管鉆進(jìn)施工工藝流程如圖4所示。

圖4 預(yù)應(yīng)力錨索施工工藝流程Fig.4 Construction process of prestress cables

偏心鉆同步跟管鉆進(jìn),完成開孔及導(dǎo)向段鉆孔之后,上Φ219套管(配套使用其管靴),然后換偏心鉆具跟管鉆進(jìn),鉆進(jìn)到一定深度后提鉆檢查偏心鉆的使用情況,確認(rèn)無誤后繼續(xù)鉆進(jìn)，到一定深度后重復(fù)提鉆檢查偏心鉆、沖擊器的使用情況直到跟管鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度,然后提鉆、掃孔、探孔、驗(yàn)孔，最后終孔,為保證成孔質(zhì)量、充分發(fā)揮孔壁有效粘結(jié)強(qiáng)度,錨索成孔采用干作業(yè)成孔,Φ219全套管跟管鉆進(jìn)施工,如圖5所示。

壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索采用一次壓力注漿。 注漿管隨壓力分散性錨索一起送入孔底,錨索注漿采用M35水泥凈漿一次壓力注漿。 對孔內(nèi)壓力注漿,擠出空氣,保證孔內(nèi)漿體飽滿,直至漿體涌出,壓力注漿完成2 h后進(jìn)行高壓劈裂灌漿,高壓劈裂灌漿既可擴(kuò)大錨固體與周圍巖土體的接觸面積,又能改善錨固體周圍土體的力學(xué)性能,提高周圍土體的整體性,使錨索的極限承載力得以提高。

圖5 偏心鉆跟管鉆進(jìn)施工圖Fig.5 Construction drawing of eccentric drilling and pipe-following drilling

3.4 施工效果

2016年4月14日—12月2日完成南寧五象廣場核心區(qū)邊坡支護(hù)工程98根錨索驗(yàn)收試驗(yàn),驗(yàn)收結(jié)果均為合格,鉆進(jìn)總延米42 470 m,平均進(jìn)尺3 m/h,相比試驗(yàn)中采用的裸鉆成孔技術(shù)提高了效率,在整個(gè)施工過程中也未出現(xiàn)卡鉆、塌孔等施工問題,確保了施工質(zhì)量。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合廣西南寧五象廣場邊坡支護(hù)實(shí)際工程,對壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索在大面積軟弱土地基中超大規(guī)格偏心鉆同步跟管鉆進(jìn)施工方法的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究,得出以下結(jié)論:

(1)采用超大規(guī)格偏心鉆同步跟管鉆進(jìn)施工方法可有效解決在大面積軟弱土地基中塌孔、鉆桿彎曲等施工難題,提高了施工效率和施工的安全性。

(2)全程偏心鉆同步跟管鉆進(jìn)施工的方法,在整個(gè)鉆進(jìn)成孔過程中,套筒一直跟隨鉆頭同步下放,直至鉆至設(shè)計(jì)位置為止,整個(gè)過程中套筒與鉆頭之間緊密相連不留空隙,避免周圍土體殘?jiān)M(jìn)入套管之中,保證了施工質(zhì)量。

(3)工程中采用的Φ219規(guī)格的套筒,不僅管壁較厚,不易變形,而且因?yàn)榫庸こ刹ㄐ吐菁y扣連接,套管螺紋強(qiáng)度高,韌性好,減少管靴斷裂風(fēng)險(xiǎn),保證施工質(zhì)量,減少了套管損耗，為以后的相關(guān)工程提供了借鑒。