自旋式土層錨桿在西安地鐵中的應用

張少兵

(西安市地下鐵道有限責任公司,710016,西安∥工程師)

自旋式可回收土層錨桿是一種無粘結劑的新型錨桿,是基于摩擦力的錨固技術,其錨固力主要由刻入土體的螺絲與土體之間的摩擦力提供。錨桿的一端與工程結構物聯結,另一端錨固在基坑或邊坡中,以承受結構物的上托力、拉拔力、傾側力或者土壓力、水壓力,利用地層的錨固力來維持結構物的穩定。

1 自旋式錨桿的錨固原理

自旋錨桿是一種無粘結劑的可回收新型錨桿,主要利用多點接觸的力學原理,錨桿以自旋形式進入到土層中,桿體上螺絲深深地刻入到土體中形成多點接觸。桿體上螺絲與土體接觸在孔壁處產生摩擦力,當土體沿桿體軸向滑移時,刻入土體的螺絲會與土體產生較大的摩擦力,阻止了土體的滑動。基坑或邊坡在開挖后,周圍土體在重力和構造應力等因素的共同作用下必將產生變形。當變形超過容許變形時,邊坡就會發生失穩破壞。在邊坡土體變形過程中,土體變形產生的側向應力作用在螺絲之間的桿體上,而螺絲又產生反作用力作用在土體上,這樣,錨桿在力作用下形成多點錨固,從而大大提高了錨桿的錨固作用。

2 自旋式錨桿的結構特點

自旋式錨桿由桿體、螺絲、螺絲端部金屬頭(金屬頭是利用電弧焊接上去的合金材料,主要是防止端頭的螺絲在旋進過程中變形),以及螺母及托板等組成。其結構如圖1所示。錨桿桿體為鋼管體,桿體上的螺絲經機器冷加工后焊接上去。桿體超過一定長度時,可分為數段。由首段、延續段及連接件組成一個完整的錨桿。錨葉為螺旋狀。安裝時將旋轉扭矩轉變為向下的軸力,使整個錨向土層內部運動。承載時旋絲依靠和土體的剪切力承擔主要荷載,錨桿有連接與傳遞力、力矩的作用。自旋錨桿按照旋絲的旋向又分為左旋絲自旋錨桿和右旋絲自旋錨桿。一般工程使用較多的是右旋絲自旋錨桿。

3 自旋式錨桿的工程特點

(1)用自旋式錨桿代替內支撐,能及時支撐圍護結構和土層,且基坑內有較大的空間,有利于方便快速施工。

(2)對地層不會造成污染,有利于城市環保。

(3)施工機械及作業空間相對不大,可為各種地形場地所選用。

(4)錨桿的參數可根據工程隨時調整,因此可以保證設計有足夠的安全度。

(5)施工時隨時可施加預應力,以及時控制結構的變形量。

(6)施工速度比傳統錨桿(索)提高十幾倍,可實現高效快速施工。

4 工程實例

4.1 工程概況

西安地鐵2號線運動公園站——行政中心站區間明挖基坑位于西安市北郊張家堡北廣場內。基坑全長右線約115.448 m,左線132.431 m。基坑總寬度47 m,基坑深度17 m。該明挖段為西安地鐵2號線與4號線的聯絡線部分,同時基坑中設有盾構始發井兼軌排井。

本工程基坑開挖范圍內地表一般分布有厚度不等的全新統人工填土;其下為全新統的沖積黃土狀土、中砂、粗砂,上更新統沖積的粉質黏土,中、粗砂層。具體參數見表1。

表1 地層參數表

4.2 深基坑支護體系比較及選擇

本工程地處西銅高速入口地段,車流量大,重型車輛多,基坑周邊有北郊雨污水主干管,基坑安全等級為一級。因此需要選擇一個合理的支護形式,既要保證基坑及周圍環境安全,又能節約工程造價。根據深基坑各種型式的特點、適用條件,結合工程地質和周邊條件,提出了三種支護方案進行比選。

方案一：圍護樁+內支撐。該方案支護安全可靠,施工方案成熟,是地鐵車站采用較多的一種支護型式。其缺點是內支撐需占據基坑內大量空間,嚴重影響土方開挖和結構施工速度,不能滿足盾構始發對內空間和工期的要求。

方案二：圍護樁+錨索。其優點是支護安全可靠,工藝成熟。缺點是錨索施工速度慢,且污染地下空間,給后續城市空間開發利用造成困難。

方案三：圍護樁+自旋式錨桿。其優點是支護安全可靠,施工速度快,能夠滿足盾構始發對空間和工期要求,且不會對地下空間造成污染。但自旋式錨桿屬新材料、新工藝,其在土層中應用無成熟經驗。

通過對三種方案的綜合比較,結合周邊環境條件,確定采用復合型支護體系(見圖2)。基坑上部分兩階放坡開挖,自旋式錨桿配噴射混凝土支護;下部采用圍護樁+自旋式錨桿支護型式。

圖2 基坑支護體系布置圖

4.3 自旋式錨桿參數確定

根據自旋式錨桿抗拔力的計算理論和單根錨桿周圍土體的破壞情況,將錨桿周圍破壞的土體簡化為錐體形狀。錨桿的抗拔力主要由頂部錨葉上的剪切阻力、上下錨葉間土層的摩擦阻力及錨桿上的摩擦阻力等組成。自旋錨桿錨葉間的剪切阻力與圍巖的側壓系數成正比,側壓系數越大,錨葉間的剪切阻力越大,其抗拔力也越大。錨桿試驗參數、材質參數見表 2、表 3 。

自旋式錨桿的抗拔力表達式為：

式中：

γ——土層的容重;

H1——頂部錨葉的埋深;

A——頂部錨葉面積;

Ncu——巖體的抗拔因子,由試驗得出;

c——巖體的粘聚力;

φ——巖體的內摩擦角;

Ls——錨葉的截面周長;

Ku——水平側壓系數;

H3——底部錨葉的埋深。

表2 錨桿試驗參數表

表3 錨桿材質參數表

將表1～3的參數帶入式(1)進行計算,與現場實測的錨桿錨固力對比結果見表4。

表4 錨桿的實測值與計算值對比

通過試驗錨桿實測值與計算值的對比分析,自旋式土釘的基本參數確定為：桿體采用φ 16 mm鋼筋,旋絲高度 8 mm,間距 25 mm,長度 3 000 mm 。自旋式土層錨桿的基本參數為：桿體采用φ 18 mm、φ 25 mm 鋼筋,旋絲高度 8 mm,間距 25 mm,長度每節6 000 mm,可任意接長。

4.4 基坑監測分析

西安地鐵2號線深基坑自旋錨桿支護系統監測結果見圖3和圖 4(圖中CK1、CK2、CK3、CK4為 4個樁位測孔)。前者監測的自旋錨桿軸力隨時間的增長在增長。其原因是：自旋錨桿安裝過程中由于各種擾動和旋絲間距的不規則性,尤其是旋絲前后的不同步性,使得錨桿安裝結束后的錨固力還沒有達到頂峰。后者是對基坑維護樁位移的監測。在自旋錨桿安裝后其維護樁位移量較小,完全可以滿足工程安全要求。

圖3 自旋錨桿安裝后軸力變化圖

圖4 維護樁位移變化圖

5 結語

自旋式可回收錨桿以其較低的施工成本、同步的安全支護、高效的作業效率,以及環保無污染等優點,在西安地鐵2號線運動公園站——行政中心站區間深基坑得到成功應用,既節約了工期,又降低了成本,收到了較好的效益。但自旋式可回收錨桿是首次在土層中使用,其可靠性、適應性、極限長度及錨固力等問題還有待進一步的研究和總結。

[1] 韋正范,惠興田,蘇培莉.自旋錨桿在巷道中的試驗與研究[J].礦山機械,2006(12)：20.

[2] 韋正范.自旋錨桿的研究分析與應用[D].西安：西安建筑科技大學圖書館,2006.

[3] 鄧坤,惠興田,高徐軍.自旋式錨桿抗拔力的計算理論[J].礦業研究與開發,2008(4)：16.

[4] 汪濱.螺旋錨技術及其在工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社,2006.

[5] 周濤.螺旋錨桿在沿空煤巷支護中的應用[J].山東煤炭科技,2003(2)：38.