钻杆施工引起地面塌陷的分析

摘要: 砂层中不易成孔,塌孔涌砂严重引起地面下沉、塌陷。土体被扰动后较大范围土体应力重新分布从而增大了土移。本文着重介绍了锚杆施工的过程,从而分析钻杆施工引起地面塌陷的原因。

关键词: 钻杆施工; 地面塌陷; 施工流程

中图分类号: TV543 文献标识码: A 文章编号:1009-8631(2010)04-0071-01

一、锚杆施工

(一)锚杆施工流程

确定孔位钻孔就位调整角度钻孔清孔安装锚索一次注浆二次补浆施工锚索腰梁张拉锚头锁定割除锚头多余钢铰线,对锚头进行保护。

(二)确定孔位

钻孔位置直接影响锚杆的安装质量和力学效果,因此,钻孔前应由技术人员按设计要求定出孔位,标注醒目的标志,不可由钻机机长目测定位。

(三)调整钻杆角度

钻孔就位后,由机长调整钻杆钻进角度,并经现场技术人员用量角仪检查合格后,才可正式开钻。另外,要特别注意检查钻杆左右倾斜度。因本工程第一道锚杆均为一桩一锚,水平间距才1米,钻孔过大的左右倾斜度会导致相邻两根锚杆锚固体的间距变小,出现应力集中,影响锚固效果,入射角允许偏差±2°。

(四)钻孔

本工程地质较复杂,锚杆通过旋喷桩、粘土及砂土,通过旋喷桩、粘土层时容易堵管,而通过砂土时极容易塌孔。经比较,采用等同锚杆直径的套管跟进,压水钻进的方法钻孔,钻进时压力水从钻管流向孔底,在一定水头压力下,水流携带钻削下来的土屑排出孔外,钻进时要不断供水冲洗,包括接长钻管和暂时停机,而且要始终保持孔口水位,若发现不能压水进去,说明已堵管,应拔出钻管,把粘土塞取出,再继续钻进。待钻进至规定深度(钻孔深度大于锚杆长度0.5m),钻机继续旋转,并压水冲洗残留在孔中的土屑,直到流出的水不浑浊为止。此时应安插锚索,并立即注浆。

(五)锚索的制作与安装

(1)每根钢铰线的下料长度=锚杆设计长度+腰梁的宽度+锚索张拉时端部最小长度(与选用的千斤顶有关)。

本工程为:下料长度=锚杆设计长度+1.1m。

(2)钢铰线自由段部分应满涂黄油,并套入塑料管,两端绑牢,以保证自由段的钢铰线能伸缩自由。

(3)捆扎钢铰线隔离架沿锚杆长度方向每隔1.5m设置一个。

(4)锚索的安插。

锚索加工完成,经检查合格后,安装前小心运至孔口。入孔前将4″镀锌管(作注浆管)平行并入一起,然后将锚索与注浆管同步送入孔内,直到孔口外端剩1.1m为止。如发现锚索安插人管内困难,说明钻管内有粘土堵管,不要再继续用力插入,使钢铰线与隔离架松散,而应把钻管拔出,清除出钻孔内的粘土,重新在厚位钻孔到位。

(六)注浆

(1)本工程采用边注浆边拔管的注浆方法,拔管比注浆迟后不小于5m。

(2)采用425。普通硅酸盐水泥配制水泥浆,水灰比控制在0.4～0.45,注浆压力控制在0.4～0.6Mpa,直到孔口溢出浆。此时就把钻管全部拨出,注浆管不拔。

在建立工程数量明细表台账及公路建设项目计量支付台账之前从计量支付工作角度考虑应对单位、分部、分项工程划分报告进行审核,主要是分项工程的划分,因为计量支付工作是以分项工程为基本单位的。

(3)接着用水泥袋湿粘土加钢板封口,并严密堵实,以0.4～0.6Mpa稳压注浆5分钟,才拔出注浆管。

(4)注浆量要大于其理论计算量的1.2倍。本工程所有锚杆的注浆量均大于1.25倍。

(七)锚索张拉与锁定

(1)张拉前首先处理好腰梁表面锚索孔口使其平整,避免张拉应力集中,加垫-200×200×8的钢板,用60KN的拉力进行预拉。

(2)张拉时,锚固体的强度应达到l5Mpa(以试块试压为依据)。

(3)考虑到设计要求张拉荷载要达到设计拉力,而锁定荷载为设计拉力的85%,因此张拉时的锚头处不放锁片,张拉荷载达设计拉力后,卸荷到0,再锚头安插锁片,才张拉到锁定荷载。

(4)张拉过程中,按照设计要求张拉荷载分级及观测时间进行,每级加荷等级观测时间内,测读锚头位移不应少于3次。当张拉等级达到设计拉力时,保持10分钟(砂土)至15分钟(粘性土,在观测时间内测读锚头位移)3次,每次测读位移值不大于1mm才算变位趋于稳定,否则继续观察其变位趋于稳定方可。

(5)考虑到相邻锚杆的水平间距才1m,锚杆张拉对邻近锚杆有影响,因此本工程采用"跳张法"的张拉顺序进行张拉。

(八)对桩锚支护

桩锚结构中桩是抗弯构件,锚索是抗拉构件。桩是基坑开挖前设置的,锚索是在基坑开挖过程中设置的。基坑是分层开挖形成的,随着开挖的进行,坑壁土体产生应重新分布,支护结构与土体相互作用,因此护壁设计必须考虑开挖过程、空间、时间效应。

(1)设置第一排锚索要决定的问题主要有两方面:锚索位置和锚索锚固力。锚索距地表高度应大于Hc,小于Hk。这里Hc是土体自稳高度,Hk是护壁桩极限抗弯高度。另外也应考虑桩顶最大位移值及土层分布情况,尽可能把锚索孔口位置设在不易涌水、涌砂,孔口塌孔处。

(2)索自由段和锚固段的作法来源于极限平衡理论。锚索在滑动面以内部分称自由段,滑动面以外部分称锚固段。自由段的作用是传递预应力,锚固段的作用是承担预应力。基坑边坡稳定分析采用朗肯力学模型,其滑动面与水平夹角β=45°+Φ/2。基坑Φ角取加权平均值求得β=51°,由此求得东、南、西、北四面锚索自由段长度。假定Φ=0,按圆弧滑动面求得的自由段长度。从计算可以看出:自由段长度设计值比朗肯值大5-7.5m,比圆弧面值大3.5-6.5m。由此可见自由段过长反而增加护壁桩桩顶位移。

二、钻杆施工引起地面塌陷的分析

第一排锚杆钻孔时,出现有涌水、涌砂、孔口塌孔,引起地面塌陷。分析认为,以下几点是主要原因:

(1)坑内降水,坑外封水,使坑外水位明显高于坑内水位,坑外砂土本身饱和水易流动所引起。

(2)第一排锚索孔口在人工填砂与淤泥质粘土层交界面处,因人工填砂层结构松散,未完成自重固结,而且滞水,淤泥质粘土透水性差,使其交界面水量较丰富,导致钻孔时涌水、涌砂,孔口塌孔。

(3)边注浆边拔管的注浆工艺加剧了涌砂现象。从地层结构可知,锚索孔均穿过粘土层,钻孔时极容易被粘土塞堵管,为实现边注浆边拔管的注浆工艺,有时须把第一次钻进后将钻管拔出处理掉钻管内的粘土塞,然后进行二次钻进。两次钻进使孔壁受到重复扰动,增加了涌砂的机会。

(4)锚索孔直径较大(Φ130mm),在砂层中不易成孔,塌孔、涌砂也会引起地面塌陷。

(5)第一排锚索位置和锚索锚固力设置直接决定钻杆施工的成败。

三、结语

实践证明砂层中确实不易成孔,塌孔涌砂严重引起地面下沉、塌陷。土体被扰动后较大范围土体应力重新分布从而增大了土移。当锚固力不太大时应尽量避免采用大孔径锚杆。第一排锚索锁定荷载达到设计值是不科学的。应考虑到开挖时土体应力释放引变形而导致的附加应力,第一排锚索锁定荷载为设计值的85%左右较为合理。

参考文献:

[1] 汤雷等.围岩大变形锚杆加固与安全监测[M].中国水利水电出版社,2001.

[2]汤雷,王宏.大变形围岩内锚杆的承载能力分析[J].湖南科技大学学报,2010.

[3]姜友生.悬索桥锚碇大体积混凝土防裂技术[J].交通科技,2003(6).