土釘吹孔工藝在砂層支護(hù)中的應(yīng)用

封 磊

（中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710054）

0 引 言

土釘墻是近 30年來發(fā)展的一種原位土體加筋技術(shù)。土釘墻主要通過設(shè)置在坡體中的加筋桿體（土釘或花管）與其周圍土體牢固黏結(jié)的復(fù)合體，并通過坡體面層鋼筋網(wǎng)片和噴射混凝土構(gòu)成整體，形成類似重力式擋土墻的支護(hù)結(jié)構(gòu)，從而保證開挖面穩(wěn)定的一種基坑支護(hù)形式。土釘墻支護(hù)的顯著優(yōu)點(diǎn)：（1）對(duì)地層適應(yīng)性強(qiáng)；（2）施工設(shè)備輕便，操作方法簡(jiǎn)單，施工占用場(chǎng)地小，施工速度快；（3）結(jié)構(gòu)輕巧，柔度大，有較好的延性；（4）材料用量少，成本低。因此，土釘墻在基坑支護(hù)中被廣泛應(yīng)用[1]。

但是在砂質(zhì)地層中，土釘墻施工往往難度較大。主要是因?yàn)樯皩拥目辜魪?qiáng)度低，自穩(wěn)能力差，受砂層含水率的影響較大（含水量大時(shí)存在假黏聚力）。土釘成孔易出現(xiàn)塌孔，土釘注漿效果不佳，基坑邊坡易出現(xiàn)砂土流失、變形、基坑邊坡失穩(wěn)等問題。本文介紹一種在砂層支護(hù)中的土釘吹孔工藝，可以有效解決土釘成孔工程中易塌孔、注漿效果不佳的問題，進(jìn)而為砂層中的土釘墻支護(hù)提供安全保障。

1 工程簡(jiǎn)介

本基坑位于西安市西咸新區(qū)灃東新城，地貌單元屬于渭河高漫灘，場(chǎng)地地形平坦。正負(fù)零高程為382.80 m，地面高程為382.10 m，基坑支護(hù)深度為7.90 m和8.70 m。基坑安全等級(jí)為二級(jí)。

基坑側(cè)壁地層主要由素填土、黃土狀粉質(zhì)黏土、中砂層組成。①素填土：黃褐色，稍濕，土質(zhì)不均，主要為耕土，以粉質(zhì)黏土為主，含植物根系等，層厚0.2～0.5 m，層底高程為381.47～382.00 m。②黃土狀粉質(zhì)黏土：褐黃-黃褐色，局部為淺灰色，堅(jiān)硬-硬塑，稍濕，厚度0.8～1.80 m，層底深度1.10～2.20 m，層底高程379.87～380.97 m。③中砂：灰黃色，稍濕-飽和狀態(tài)，中密，均勻純凈，級(jí)配不均，分選良好，標(biāo)貫平均擊數(shù) N=25擊，厚度 12.0～15.0 m，層底深度 16.60～19.30 m，層底高程362.76～365.43 m。

基坑場(chǎng)地的地下水埋深為現(xiàn)地表以下 12.90～13.95 m，不考慮降水。

2 支護(hù)方案

根據(jù)基坑范圍、周邊環(huán)境和場(chǎng)地地質(zhì)條件，并結(jié)合軟件進(jìn)行計(jì)算，最終確定采用土釘墻支護(hù)方案，坡比為1∶0.75，如圖1所示。

圖1 土釘墻支護(hù)剖面圖Fig. 1 Supporting elevation section of soil nailing wall

2.1 土釘墻

土釘采用鋼筋土釘，水平和垂直間距1.3 m，土釘傾角15°，土釘注漿材料為水泥漿，水泥漿水灰比0.5～0.55，注漿強(qiáng)度M20。鋼筋土釘成孔采用土釘吹孔工藝，成孔直徑110 mm，土釘長(zhǎng)度6.0 m，土釘桿體采用 1Ф18，沿著土釘延長(zhǎng)方向設(shè)置 2Ф6的對(duì)中定位支架，其間距為2 m。當(dāng)鋼筋土釘無法成孔時(shí)，可采用等長(zhǎng)的鋼管土釘。鋼管直徑Ф48，壁厚3 mm。

2.2 噴射混凝土面層

土釘墻支護(hù)區(qū)段面層鋼筋為 200 mm×200 mm的Ф6鋼筋網(wǎng)片，為了便于在砂層中土釘墻的施工，在砂層段分兩次噴射，第一次在土方開挖完成按照設(shè)計(jì)坡度（1∶0.75）進(jìn)行人工修坡后，先掛鋼板網(wǎng)預(yù)噴加固（噴面厚度2～3 cm），第二次在鋼筋網(wǎng)片綁扎結(jié)束后噴射，兩次噴面的總厚度不少于10 cm（C20）。鋼筋網(wǎng)片外橫、豎向設(shè)通長(zhǎng)2Ф14加強(qiáng)鋼筋；加強(qiáng)鋼筋與土釘鋼筋采用焊接連接，并用焊接于土釘鋼筋上的長(zhǎng)度為70 mm的1Ф14鋼筋鎖定?；炷撩姘迳钊牖滓韵轮辽?.2 m。

2.3 防排水設(shè)計(jì)

在基坑坡頂設(shè)置截水溝，在基坑邊坡面上設(shè)置長(zhǎng)度不少于1 m的泄水孔。

3 土釘墻施工過程

3.1 土方開挖

土方開挖遵循“分層分段開挖，土方配合支護(hù)”的原則，鑒于砂層自穩(wěn)性差的特點(diǎn)，在砂層段土方分層開挖的深度不大于 1.0 m，分段開挖長(zhǎng)度不超過10 m，且分層開挖深度不超過土釘施工位置以下0.5 m。開挖過程中控制坡比不大于1∶0.75。

3.2 人工修坡

為了保證坡面的平整順直，工人采用鐵鍬等工具對(duì)坡面進(jìn)行修整。人工修坡的主要目的：一是便于施工；二是成型后感觀好；三是節(jié)省材料。

3.3 掛網(wǎng)預(yù)噴加固

為了防止施工中的擾動(dòng)引起表層砂層滑塌，先在坡面上鋪設(shè)成品鋼板網(wǎng)，然后噴射C20混凝土對(duì)面層進(jìn)行預(yù)加固，預(yù)噴面厚度一般為2～3 cm。

3.4 土釘?shù)臏y(cè)量定位

待初次噴面強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%后，按照設(shè)計(jì)要求，對(duì)土釘孔位進(jìn)行測(cè)量定位并做好標(biāo)記。

3.5 安裝PVC管

先在土釘孔位處開孔，再用人工洛陽鏟引孔1.0 m，然后插入直徑130 mm的PVC管（PVC管直徑大于土釘直徑110 mm），插入時(shí)保證PVC管前端兩個(gè)開口處于左右兩側(cè)。PVC管長(zhǎng)度1.5 m，其中1.0 m位于坡體內(nèi)，0.5 m外露坡外，PVC管外露段開孔，開孔尺寸100 mm×50 mm（對(duì)稱開孔），如圖2所示。PVC管的作用：一是防止孔口段因擾動(dòng)塌孔；二是起導(dǎo)向、限位、傾角控制作用。

圖2 土釘吹孔施工大樣圖Fig. 2 Large sample drawing of soil nail blow hole construction

3.6 安裝擋土板

在吹孔鋼管上穿入擋土板，并在吹孔鋼管上做好長(zhǎng)度控制標(biāo)記（吹孔管長(zhǎng)度至少大于孔深1.5 m），擋土板尺寸（板厚2 cm，木質(zhì)復(fù)合板），如圖3所示。擋土板在吹孔過程中要保證板面與坡面近似平行或者下傾，擋土板面與 PVC管前端的凈距離保證在0.5 m以上。

圖3 擋土板大樣圖Fig. 3 Large sample of retaining plate

3.7 吹孔試驗(yàn)

為了保證吹孔施工的效果以及考慮工人操作的便利性，應(yīng)選擇合適的空壓機(jī)送風(fēng)壓力，確定吹孔管的尺寸和材質(zhì)。在正式施工前選擇 3～5個(gè)土釘孔進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：空壓機(jī)送風(fēng)壓力控制在0.6～0.8 MPa，吹孔管的尺寸選擇外徑30 mm（壁厚2 mm）較為合理，材質(zhì)選擇鍍鋅鋼管。

3.8 吹孔

整個(gè)吹孔過程需要3名工人配合完成，其中1名工人專門控制空壓機(jī)的啟停，另外2名工人在作業(yè)面前手持吹孔管操作。作業(yè)面工人通過吹哨和空壓機(jī)操作人員聯(lián)動(dòng)配合。啟動(dòng)空壓機(jī)后，作業(yè)面前面的工人一只手控制好吹孔管方向，另一只手持擋土板，后面工人同時(shí)控制好風(fēng)管和吹孔管之間的連接并向前推進(jìn)，推進(jìn)速度1.5～2.0 m/min，如此反復(fù)幾次，保證成孔的直徑和長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。成孔結(jié)束時(shí)先關(guān)閉空壓機(jī)停止送風(fēng)，然后再緩慢向外拔管，吹孔施工圖如圖4所示。

圖4 土釘吹孔工藝施工圖Fig. 4 Construction drawing of earth nail hole blowing technology

在吹孔管停止推進(jìn)且在拔管之前，通過空壓機(jī)向吹孔管內(nèi)連續(xù)注入高壓空氣持續(xù)進(jìn)行吹孔，直至土釘端部形成擴(kuò)大洞（如圖5所示），所述擴(kuò)大洞的孔徑不小于Φ200 mm。

圖5 土釘吹孔擴(kuò)大頭示意圖Fig. 5 Schematic diagram of blowing-hole expansion head

3.9 探孔

為了檢驗(yàn)吹孔成孔效果，增設(shè)了探孔環(huán)節(jié)。預(yù)先準(zhǔn)備好手電筒和探孔鋼筋，通過手電筒向孔內(nèi)照射，通過觀察成孔的形狀是否規(guī)則來判斷是否有塌孔，并可以觀察孔內(nèi)的砂土殘留情況。通過探孔鋼筋測(cè)量土釘?shù)拈L(zhǎng)度是否滿足要求。如果孔徑、孔深、砂土殘留不滿足要求，可使用人工洛陽鏟進(jìn)行修補(bǔ)。

3.10 土釘安放

探孔結(jié)束后土釘鋼筋要及時(shí)安放，安放過程中要順著成孔的角度緩慢推進(jìn)，并且對(duì)土釘定位筋進(jìn)行優(yōu)化（如圖6所示），防止擾動(dòng)已成孔的孔壁砂層，土釘安放結(jié)束后再拔出洞口的PVC管，并保證在1 h內(nèi)完成注漿。在吹孔剛結(jié)束一段時(shí)間內(nèi)一般不易塌孔，原因在于：一是吹孔的過程形成空氣壓力，會(huì)對(duì)孔壁施加擠壓力，增加孔壁的承載力；二是坡體內(nèi)砂層的含水量相對(duì)較大，存在假黏聚力。因此對(duì)不能及時(shí)注漿的孔洞，需要用塑料布或者模板封堵洞口，保持孔內(nèi)濕度，以防孔內(nèi)水分變化及內(nèi)壁砂層表面風(fēng)化造成塌孔。

圖6 土釘定位筋優(yōu)化圖Fig. 6 Optimization diagram of soil nail anchor positioning rib

3.11 注漿

鋼筋土釘注漿時(shí)，注漿管應(yīng)插至距孔底200 mm以上，采用重力式注漿，注漿壓力不小于1.0 MPa。成孔后根據(jù)出砂的含水量確定注漿間隔，通過注漿量控制（充盈系數(shù)大于 1.1）可知道是否有塌孔現(xiàn)象，如有塌孔現(xiàn)象可根據(jù)注漿量與設(shè)計(jì)注漿量的大小，縮短成孔后的注漿間隔，極端情況下也可一孔一注。為了保證注漿效果，至少進(jìn)行兩次注漿，同時(shí)要做好止?jié){措施。

3.12 鋼筋網(wǎng)片綁扎

按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鋼筋網(wǎng)片的綁扎，并保證鋼筋網(wǎng)片與土釘?shù)睦喂踢B接，同時(shí)水平向和斜向的兩根Ф14通長(zhǎng)加強(qiáng)筋與土釘要采用焊接連接。

3.13 噴射混凝土

第二次噴射混凝土，并保證噴射面層總厚度不小于10 cm，施工至基底時(shí)混凝土面板深入基底以下至少0.2 m。

3.14 噴射混凝土養(yǎng)護(hù)

噴面結(jié)束后采用薄膜覆蓋，在面層終凝后2 h，采用灑水養(yǎng)護(hù)措施。

4 土釘吹孔施工優(yōu)缺點(diǎn)分析

土釘吹孔施工優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)是：（1）實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便，成孔速度快。以6 m長(zhǎng)土釘孔為例，吹孔成孔需要3～4 min，人工洛陽鏟成孔需要10 min，機(jī)械成孔需要8 min；（2）成孔一段時(shí)間內(nèi)土釘孔不易塌孔。主要是因?yàn)榇悼椎倪^程形成空氣壓力，會(huì)對(duì)孔壁施加擠壓力，增加孔壁的承載力，這是其他成孔方式不具有的優(yōu)勢(shì)；（3）簡(jiǎn)化了砂層支護(hù)的方法，降低了人工和機(jī)械成本，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

缺點(diǎn)是：（1）工人作業(yè)環(huán)境差，必須要做好安全防護(hù)。通過圖7現(xiàn)場(chǎng)工人的施工圖片可以看出，為了防止砂土飛濺傷人，必須佩戴好安全帽、護(hù)目鏡，穿好防護(hù)服，還要佩戴面罩；（2）存在粉塵污染。砂土在高壓空氣作用下會(huì)產(chǎn)生一定的粉塵，對(duì)工人的健康和周邊環(huán)境不利，因此在吹孔過程中，一定要配合使用霧炮機(jī)等降塵設(shè)備；（3）工人的施工經(jīng)驗(yàn)和相互配合尤為重要，如果操作不慎會(huì)造成流砂、塌孔。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)工人的施工圖片F(xiàn)ig. 7 Workers construction pictures on the site

5 施工過程注意事項(xiàng)

（1）通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇合適的空壓機(jī)送風(fēng)壓力，確定吹孔管的尺寸及材質(zhì)。送風(fēng)壓力過大會(huì)造成吹孔速度過快，工人不易操作；送風(fēng)壓力過小，會(huì)造成吹孔效果不佳，孔內(nèi)的砂土吹不出來。吹孔管尺寸過大會(huì)造成成孔孔徑過大，選擇的吹孔管材質(zhì)既要盡量輕便以便于操作又要有一定的剛度持久耐用。

（2）工人一定要做好個(gè)人安全健康防護(hù)，既要防止砂土飛濺傷人，又要防止粉塵污染。操作工人佩戴好安全帽、護(hù)目鏡、面罩、口罩，穿好防護(hù)衣。

（3）做好現(xiàn)場(chǎng)的降塵措施。吃孔過程中會(huì)產(chǎn)生粉塵，必須做好現(xiàn)場(chǎng)的降塵措施，例如作業(yè)面前配備霧炮機(jī)，基坑周邊安裝噴霧降塵設(shè)備。

（4）安排經(jīng)驗(yàn)豐富的工人操作。土釘吹孔工藝是一種傳統(tǒng)的施工方法，對(duì)工人的施工經(jīng)驗(yàn)要求很高，另外工人要求配合默契。

（5）做好探孔環(huán)節(jié)，保證成孔的效果和質(zhì)量。

（6）重視土釘注漿環(huán)節(jié)。砂層與其他地層不同，一是要注意注漿的及時(shí)性；二是要做到注漿飽滿，至少進(jìn)行兩次注漿。

（7）砂層支護(hù)面層混凝土要分兩次施工，基底處混凝土面板深入基底以下至少 0.2 m。土釘成孔前的面層預(yù)噴加固至關(guān)重要，兩次噴面總厚度不少于10 cm。為了保證墊層施工時(shí)基坑側(cè)壁不漏沙，混凝土面板至少深入基底以下0.2 m。

（8）做好基坑周邊的防排水。按照設(shè)計(jì)做好基坑上沿的截水溝，做好坡體上的泄水孔，基坑內(nèi)還需布置排水溝和集水井等。

6 支護(hù)效果和評(píng)價(jià)

支護(hù)完成后，按照規(guī)范要求選擇土釘，采用千斤頂進(jìn)行抗拔力試驗(yàn)，實(shí)測(cè)力值均滿足設(shè)計(jì)要求[2]?；邮┕み^程中遭受 7～9月份暴雨考驗(yàn)，基坑邊坡均保持穩(wěn)定，基坑各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均正常，說明土釘墻在該基坑中的應(yīng)用是安全可行的，說明通過土釘吹孔工藝成孔是安全可靠的。

7 結(jié) 論

（1）本文以砂層基坑土釘墻施工為例，詳細(xì)介紹土釘吹孔工藝在砂層支護(hù)中的應(yīng)用，分析了吹孔工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了砂層支護(hù)施工的注意事項(xiàng)，并結(jié)合基坑變形監(jiān)測(cè)和土釘檢測(cè)結(jié)果，充分說明土釘吹孔工藝的可行性。

（2）土釘吹孔施工操作簡(jiǎn)便，成孔速度快，節(jié)省人工，有較好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

（3）吹孔的過程形成空氣壓力，會(huì)對(duì)孔壁施加擠壓力，增加孔壁的承載力，這是其他成孔方式不具有的優(yōu)勢(shì)。

（4）砂層一直是土釘墻支護(hù)中比較棘手的地層，砂層吹孔工藝只是其中一項(xiàng)傳統(tǒng)的工藝，吹孔工藝要求工人具有豐富的施工經(jīng)驗(yàn)且易造成砂土飛濺及粉塵污染，我們需要進(jìn)一步探索更多適宜于砂層支護(hù)的新工藝、新方法。