自钻式复合土钉支护技术的应用研究

介绍了自钻式土钉与SMW机械施工止水帷幕相结合复合土钉支护技术的设计、施工方法,及其在南京市玄武湖隧道基坑支护工程的应用。结合现场试验分析了其受力及变形机理。

1、引言

土钉支护由于经济、可靠和施工快速简便,已在我国得到迅速推广和应用[1].对于软弱土层发展了以土钉支护为主,辅以其它补强措施的复合土钉支护技术[2,3].南京市玄武湖隧道工程为双向六车道,全长2.66公里,是南京市“新三年”建设的重点工程。隧道主体为钢筋混凝土箱涵结构,湖底段基坑大部分采用放坡大开挖施工,梁洲段基坑由于大开挖施工会破坏梁洲岛上景观建筑,业主决定采用垂直支护。梁洲段支护原设计方案采用直径800mm灌注桩加三道背拉锚索,设计锚索为1860级钢绞线3Φ15.24,长26m.这种设计方案造价较高,而且在砂性土中成孔26m施工比较困难。经过专题研究,决定采用自钻式土钉与SMW机械施工止水帷幕相结合的复合土钉支护技术进行支护。

2、复合土钉支护设计

梁洲段场地土层主要为:①素填土:褐黄色,1.0m.②-1粉土夹粉砂:灰黄色,饱和,稍密。10.0m,夹少量薄层粉质粘土。土层重度19.0kN/m3,粘聚力8.7kPa,内摩擦角30.7°。③-3粉细砂:灰色,饱和,稍密。12.0m,土层重度19.1kN/m3,粘聚力9.4kPa,内摩擦角30.6°。基坑北侧场地开阔,进行二级放坡,坡角施工花管土钉三排进行加固,南侧梁洲岛进行复合土钉支护,详见图1.由于本工程为市重点工程,我们在设计中非常慎重。因为砂性土自立性差,在其中成孔施工比较困难,决定首先施工止水帷幕。经过试验普通双轴深层搅拌机在本场地较密的砂性土中,只能施工搅拌深度13.5m~14.5m,不能满足设计要求。于是决定采用SMW工法常用的三轴型钻掘搅拌机施工止水帷幕。然后采用自钻式土钉自行钻进到预定位置后,进行注浆,解决了施工时成孔困难的问题,而且注浆效果可以得到保证。利用《基坑土钉支护技术规程》(CECS96:97)和《建筑基坑支护技术》(JGJ120-99)对自钻式土钉与SMW止水帷幕相结合的复合土钉支护技术分别进行了计算。设计挖深10.0m,附加荷载55kpa.SMW工法三轴型钻掘搅拌机施工止水帷幕,三轴深层搅拌机叶片直径为850,桩中心距1.2m,桩体搭接850mm,在止水帷幕中插入双排毛竹,毛竹的大头直径不小于100mm.土钉结构设计参数:自钻式土钉成孔直径D=110mm,土钉倾角15°;采用9排自钻式土钉,5米以上水平间距Sh=1.0m,垂直间距Sv=1.2m;5米以下Sh=1.0m,Sv=1.0m.1-7排自钻式土钉长18m,8、9排自钻式土钉长15m.面层采用6.5@150×150双层钢筋网,2φ16水平向加强筋。喷射C20混凝土。

3、复合土钉支护施工

首先利用SMW工法850三轴型钻掘搅拌机施工止水帷幕,解决土体隔水性和自立性。三轴深层搅拌机叶片直径为850,桩中心距1.2m,桩体搭接850,要求28天的强度达到1.0MPa.止水帷幕达到预定强度后,进行自钻式土钉施工。每排自钻式土钉的施工顺序主要为:开挖,墙壁修整→引孔→自钻式土钉钻进→注浆→编制钢筋网,放置加强筋→喷射C20混凝土。下面主要说明自钻式土钉的施工过程。自钻式土钉的杆体采用Φ32无缝钢管压制螺纹而成,每段3.0m,用接头套管进行连接。经检测杆体破坏荷载260kN,接头套管破坏荷载240kN.采用适合于软土的自制土钉钻头,长150mm.采用小型钻机配麻花钻杆在止水帷幕的预定部位引孔1.0m,主要是钻过止水帷幕。然后采用小型钻机作为动力将自钻式土钉自行钻进,用接头套管进行连接。第一二杆体分别预先留有注浆孔,直径为8mm,间距40cm,沿杆体径向均匀布置。钻进前把注浆孔用胶纸包好,防止钻进时进土影响注浆效果,但注意不能包两层以上,以免使浆液射出困难。每节土钉之间采用螺纹套管对中连接,逐节安装钻进,直到设计长度。由于自钻式土钉自行钻进过程中螺纹套管自动拧紧,所以不会有松弛现象。最后编制钢筋网,压加强筋,喷射C20混凝土面层。

4、现场试验

为了能够切实用好这项技术,对其加固机理进行了深入研究,我们结合工程监测进行了土钉受力、深层水平位移和基坑内分层沉降等多项试验工作。

(1)土钉受力监测本试验共设置3个试验端面,在每根试验土钉2.0m,5.0m,8.0m,16.0m处布置电阻应变片测量土钉拉力分布。从测试结果可以看出,土钉的受力与施工密切相关。在施工阶段,土钉被置入土体注浆后,开始受力。下层土体的开挖对上层土钉有较大影响,相临下层土体开挖对其影响最大。开挖后土钉的受力迅速增加,然后趋向于稳定,直到又有土体开挖。土钉的受力一般为中间大,两头小。自钻式土钉端部有钻头,因此端部受力也较大。详细测试结果将另文给出。(2)水平位移监测复合土钉支护结构各点的水平位移随施工日期的延续而增加,基坑开挖完成后逐渐趋于稳定;位移在距离基坑顶面约8米处最大,这表明复合土钉支护表现出与一般土钉挡墙不同的变形性状[2].复合土钉支护由于事先施作了水泥土桩,开挖后桩顶位移较小,但随着深度的增加,深部土体有较明显的水平移动趋势,墙体有向前凸起的趋势。最大水平位移与基坑深度的比值约为2‰。基坑内回弹位移2mm,由于是砂性土,回弹量很小,没有隆起现象。

5、结束语

详细介绍了自钻式土钉与SMW机械施工止水帷幕相结合复合土钉支护技术的设计、施工方法,及其在南京市玄武湖隧道基坑支护工程中的应用实例。结合现场试验分析了其受力及变形机理。与传统支护相比,该技术投资明显降低,而且施工快速可靠。