擊入式傘型錨加固膨脹土高邊坡技術在袁沖暗涵工程中的應用

(湖北水總水利水電建設股份有限公司，湖北 武漢 430000)

1 工程概況

鄂北地區水資源配置工程干線總長269.67km，經過膨脹土分布區總長124.16km；其中，弱膨脹土段長度為114.55km，占92.25%；中膨脹土段長度為9.61km，占7.75%。膨脹土段地處襄棗盆地，主要為中、上更新統的黏性土，具有弱～中等膨脹性。有效治理膨脹土邊坡是鄂北地區水資源配置工程的主要技術難題之一。

鄂北地區水資源配置工程2標一工區袁沖暗涵工程(10+350～11+790)地質條件較一般膨脹土復雜，其裂隙性極為突出。一級馬道以下存在較為發育的緩傾角原生裂隙，且裂隙發育情況沿渠道中線變化；另外，該渠段開挖深度普遍超過20m，部分接近30m，易發生高邊坡深層裂隙性滑坡。該段內發生的滑坡多為深層失穩，與膨脹土邊坡常見的淺層失穩完全不同，原設計采用1∶1.5的坡率進行自然放坡，無法解決深層裂隙導致的邊坡失穩問題。前期開挖施工表明當前條件下邊坡開挖至渠底以上6m處時，均可能會發生大范圍深層滑動，即使按照1∶3重新放坡，邊坡依然出現滑坡，且征地范圍內已臨時堆存土，征地寬度也有限。

2 深基坑開挖邊坡施工概況

本工程袁沖暗涵基坑臨時邊坡安全等級為4級，施工期為半年左右，按1∶1.5的坡率明挖法施工，臨時邊坡采用PE薄膜覆蓋，開挖深度20～30m。開口線兩側征地寬度40m，右側距開口8m設置一條寬8.0m的施工便道，左側12m外和右側便道外設置為臨時堆土場，堆土高度不超過8m，渠坡頂設截排水溝，PE薄膜防滲，開挖過程中未發現地下水。

暗涵邊坡開挖至一級馬道以下時存在高蒙脫石含量的膨脹土且具有較為發育的緩傾角原生裂隙。渠段邊坡出現了數次不同規模的滑坡，其中，10+350～10+385右岸以及10+615～10+682右岸均出現較大規模的滑坡。經現場勘查與監測分析顯示，渠坡沿傾向裂隙面發生深層滑坡，裂隙使土體的強度明顯低于一般黏性土，裂隙面呈現3°～5°的傾向，裂隙面強度參數極低。一工區(10+350～11+790)因滑坡導致暗涵施工進度一度停滯。

針對鄂北地區水資源配置工程2標一工區特有的地質條件、滑坡模式及地形條件限制，如何確保膨脹土臨時高邊坡的穩定，加快后續的暗涵深基坑開挖施工和工期需要，是亟待解決的問題。膨脹土暗涵深基坑開挖斷面見圖1。

圖1 膨脹土段暗涵開挖布置

3 深基坑支護設計方案

以應急試驗段為例，其采取的支護設計方案為：左右岸邊坡分別布置1排和3排傘型錨，其中左岸在一級馬道以下3m處布置1排傘型錨，右岸分別在三級邊坡、二級邊坡以及一級邊坡以下3m布置3排傘型錨，右岸3排錨桿的錨固深度分別為22m、15m和13m，相應左岸一級馬道以下3m錨桿錨固深度為13m，傘型錨間距均為2m，如圖2所示。傘型錨抗拔承載力設計值取120kN，張拉鎖定荷載取80kN。

4 擊入式傘型錨加固施工技術

4.1 工藝原理

傘型錨加固膨脹土邊坡成套技術，改變了錨桿抗拔力的提供方式，將傳統的摩阻力變為依靠土體對擴大頭的端承力，大大提高了錨桿的抗拔力，可以使結構與地層連鎖在一起，形成一種共同工作的復合體，使其能有效地承受拉力和剪力，并能提高潛在滑移面上的抗剪強度，有效地阻止坡體位移。

采用振動擊入設備，將收緊的錨頭按預定方向和深度擊入土體，并對其施加預應力，張拉時錨頭自動張開并刺入周邊土體，利用土體自身抗力提供所需錨固力，用以維護巖土體的穩定。

圖2 試驗段傘型錨設計布置斷面

擊入式傘型錨加固原理圖見圖3。

圖3 擊入式傘型錨加固原理

4.2 施工工藝流程

根據傘型錨的施工工藝要求，傘型錨加固工藝流程如下圖4所示：

圖4 施工工藝流程

4.3 擊入式傘形錨支護施工

4.3.1 施工準備

施工前應平整坡面，使坡面與錨孔軸線垂直，清理馬道平臺或搭建施工平臺，確保施工操作面寬度不小于2.0m；在坡頂做好定位錐，方便后續的鉆孔設備和傘型錨擊入設備的安裝就位；布置好供電線路和供風管路。采用全站儀對傘型錨加固位置進行定位，并做好標識。

4.3.2 測斜管和水位管安裝

為了節約工程的投資，采用測斜孔做為地下水位的監測點，同時測斜孔安裝開挖單元的長度90m的中間布置一個完整的全斷面的檢測，即分別布置在左右岸的開挖平臺馬道上，共計6個測斜孔，采用履帶式潛孔鉆進行鉆孔。其要點如下：

a.鉆孔深度達到設計要求，成孔偏差<1%，采用直徑70mm的硬質塑料管。埋設前應檢查測斜管質量，測斜管連接時應保證上、下管段的導槽相互對準、順暢，各段接頭及管底應保證密封。

b.測斜管埋設時應保持豎直，防止發生上浮、斷裂、扭轉；測斜管對導槽的方向應與所需測量的位移方向保持一致。

c.測斜管與鉆孔之間的孔隙應填充密實。

d.測斜儀探頭置入測斜管底后，應待探頭接近管內溫度時再量測，每個監測點均應進行正、反兩次量測。

e.管底加蓋密封，防止泥沙進入管中；下部留0.5～1m的沉淀段(不打孔)，用來沉積濾水段帶入的少量泥沙；中部管壁周圍鉆出6～8列直徑為6mm左右的濾水孔，縱向孔距50～100mm；相鄰兩列孔交錯排列，呈梅花狀布置，管壁外部包扎過濾土工布；上部管段不打孔，以保證封孔質量。

4.3.3 鉆孔

a.錨孔測放：在鉆機安放前，按照施工設計圖采用全站儀進行測量放樣確定孔位以及錨孔方位角，將錨孔位置準確測放在坡面上并做出標記，孔位在坡面上縱橫誤差不得超過±300mm。

b.鉆孔設備：本工程邊坡屬于中膨脹土地質邊坡，工程地質類型決定了只能采用干鉆法進行鉆孔(濕鉆易改變中性膨脹土的物理性能)，故采用SKD100型電動潛孔鉆配打土麻花鉆桿進行鉆孔，鉆孔直徑為90mm，同時螺桿式空壓機供風清理鉆孔中的浮渣。

c.鉆機就位：錨孔鉆進施工，由于鉆孔均在高邊坡上進行，潛孔鉆機架采用自制鉆機支撐架和卷揚機設備，并安裝行走膠輪，可實現在邊坡上的上下移動，省去了搭設腳手架平臺和大型設備的弊病。根據坡面測放孔位，準確安裝固定鉆機，并嚴格認真進行機位調整，由卷揚機配合鉆機支架固定鉆機(首先固定鉆頭的位置，然后卷揚機從坡頂位置牽拉調整鉆機尾部高度，從而確定傘型錨孔軸線的傾角，之后調整鉆機支架用來支固已經抬起的鉆機，同時調整鉆機與坡面垂直，確保在施工過程中鉆機位置固定)。嚴禁用潛孔鉆支腿作為固定支撐，以防止振動變形傾角位置改變，水平、垂直方向的孔距誤差不應大于300mm，鉆孔軸線的偏斜率不應大于錨桿長度的2%。

邊坡潛孔鉆鉆孔示意圖見圖5。

圖5 潛孔鉆邊坡鉆孔示意圖

d.鉆進方式：錨孔鉆進應采用無水干鉆，禁止開水鉆進，以確保錨固工程施工不至于惡化邊坡巖土工程地質條件和保證孔壁的粘結性能。鉆孔速度應根據使用鉆機性能和錨固地層嚴格控制，防止鉆孔扭曲和變徑，造成下錨困難或其他意外事故。

e.鉆進過程：鉆進過程中應對每個孔的地層變化，鉆進狀態(鉆徑、鉆速)、地下水及一些特殊情況作好現場施工記錄。如遇塌孔等不良鉆進現象時，應立即停鉆，及時進行固壁灌漿處理(灌漿壓力0.1～0.2MPa)，待水泥砂漿初凝后，重新掃孔鉆進。

f.孔徑深度：鉆孔孔徑、孔深要求不得小于設計值。為確保錨孔孔徑，要求實際使用鉆頭直徑不得小于設計孔徑。為確保錨孔深度，要求實際鉆孔深度大于設計深度0.2m以上。

g.錨孔清理：鉆進達到設計深度之后，不能立即停鉆，要求穩鉆1～2min，防止孔底尖滅，達不到設計孔徑。鉆孔孔壁不得有沉碴及水體粘滯，必須清理干凈，在鉆孔完成后，原則要求使用高壓空氣(風壓0.2～0.4MPa)將孔內巖粉及水體全部清除出孔外。

h.錨孔檢驗：錨孔成孔結束后，須經現場監理檢驗合格后方可進行下道工序。孔徑、孔深檢查一般采用設計孔徑鉆頭和標準鉆桿在現場監理旁站的條件下驗孔，要求驗孔過程中鉆頭平順推進，不產生沖擊或抖動，鉆具驗送長度滿足設計錨孔深度，退鉆要求順暢，用高壓風吹驗不存在明顯飛濺塵碴及水體現象。同時要求復查錨孔孔位、傾角和方位，全部錨孔施工分項工作合格后，即可認為錨孔鉆造檢驗合格。(錨孔底部的偏斜應滿足設計要求，可用鉆孔測斜儀控制和檢測。)

i.錨孔鉆造的允許偏差和檢驗方法應符合下表的規定。

錨孔鉆造允許偏差和檢驗方法表

4.3.4 傘型錨擊入安裝

通過便攜打樁機把傘型錨錨頭擊入邊坡土體，擊入深度大于1m。

傘型錨擊入施工示意圖如圖6所示，施工步驟如下：

a.架設傘型錨導向支架：根據錨固方向，在施工平臺馬道上架設施工專用導向支架，具體步驟：?將左、右后支撐腳與軌道支腳鉸鏈連接，利用導向支架前支撐腳進行定位，控制錨固點與導向支架支撐桿距離282mm±5mm；?根據邊坡地形旋轉支撐腳外鋼管使支撐腳底圓盤傾向與坡度一致，同時可伸縮支撐腳外鋼管，調整支撐腳長度使支撐腳與軌道形成三角支撐，并將緊固螺桿擰緊；?根據錨固方向及邊坡地形，如后支撐腳長度過長，可另外采用撐桿撐起軌道頂端高度，進一步調整導向支架后支撐腳長度，確保導向支架軌道傾斜方向與錨固方向一致；?利用導向支架水平泡進行軌道調平，確保軌道面法向平行于錨固坡面；?固定壓實前、后支撐腳前端錐頭，必要時可在支撐腳前端錐頭采用砂袋壓重，確保傘型錨擊入施工中不傾覆、不改變方向。

圖6 傘型錨擊入施工示意圖

b.安裝打樁機擊振器：將打樁機擊振器安裝在軌道滑車上，并將軟軸與擊振器和動力裝置(柴油機)相連，注意安裝擊振器時軟軸接口位于側面。

c.錨桿(錨頭)連接：連接桿與傘型錨錨頭或者連接桿與連接桿通過螺紋相接，連接桿與激振器通過夾樁器相連，有鎖緊件。每增加連接桿時，應先松開激振器前端夾樁器，通過升搖輪提升滑車，再更換連接桿件；由于新增加錨桿長度過長，為了穩定擊入，可將錨桿與軌道前端定位卡相連，定位卡為可閉、可合裝置。

d.擊入錨桿：開啟動力裝置，通過激振器將傘型錨連接桿擊入土體內，直至超過鉆孔深度1m以上。在擊入過程中，注意控制柴油機動力閥大小，應該由小到大逐漸進行，特別是剛開始帶有錨頭的錨桿應慢進入。傘型錨擊入過程中，隨時監控擊入進程，并通過手搖卷揚裝置，使軌道上滑車鋼索始終處于松弛狀態。

4.3.5 傘型錨張拉鎖定

錨頭擊入土體預定深度后，在邊坡位置安裝承壓板，邊坡土體承載力不足時，在承壓板下安設槽字鋼，在槽字鋼下鋪設墊板，墊板鋪設方向與槽字鋼軸線垂直。

傘型錨張拉施工示意圖如圖7所示，施工步驟如下：

圖7 傘型錨張拉施工示意圖

a.卸掉激振器：從導向支架滑車上卸掉激振器時，注意保持導向支架穩定、不變形，可采用砂袋壓住支撐腳，并提升滑車至軌道上部。

b.安裝張拉設備：張拉設備安裝具體步驟：?安裝承壓板，注意承壓板兩卡槽朝下，卡入導向支架前支撐桿；?安放千斤頂支架(前座)，注意前座底板靠緊承壓板，底板插銷嵌入承壓板槽內；?安放底端鎖定裝置卡套；?安裝千斤頂支架(后座)，并將后座螺桿插入前座頂板螺孔內擰緊，將前、后座相連。

c.安放油壓千斤頂：油壓千斤頂安放在千斤頂后座支架上，錨桿穿過千斤頂中空腔內。

d.安裝頂端鎖定裝置。

e.張拉傘型錨：通過電動油壓泵張拉傘型錨錨桿至預定錨固力，注意千斤頂一次張拉行程40cm，如千斤頂行程已滿，應松開頂端鎖定裝置，退回千斤頂行程至起始狀，再按d、e步驟進行。張拉方式采用多級循環加卸載，否則容易造成錨板未完全打開前偏心受力，發生拉斷破壞。

f.安置底端鎖定裝置：傘型錨張拉至千斤頂壓力計顯示拉力達預定錨固力時，在千斤頂支架底座內，在b、c步已預先放入的鎖定裝置卡瓦套內嵌入卡瓦，卡瓦采用錘擊器件擊入。

4.3.6 設備拆除及后續處理

設備撤除、回填土料：松開頂端鎖定裝置，撤除千斤頂及支架，傘型錨施工完成；施工完成后承壓板底部存在缺口，可根據現場實際情況，采用土石料回填密實，如圖8中的BCD部分。因邊坡為中膨脹土，在施工結束后，要對邊坡采取及時覆蓋塑料薄膜，防止雨水浸潤邊坡土體，改變邊坡土體的物理性能。

圖8 傘型錨安裝施工完成

4.3.7 施工期間的安全監測

為了確保施工期間的邊坡安全，采取的安全監測共布置有四種監測項目，主要有：深層水平位移監測、地下水位監測、錨桿拉力監測、表面標水平位移。

深層水平位移監測渠坡潛在滑動面、裂隙密集區的深層水平位移，判斷深層滑動面位置和深度。監測方法為安裝測斜管，采用測斜儀監測其不同深度角度變化情況，以測斜管底部作為相對不動點，累計積分計算每50cm高度處土層的水平位移。測斜儀要求性能穩定，系統精度不低于0.25mm/m，分辨率不宜低于0.02mm/500mm。

錨桿拉力監測主要監控傘型錨在加固過程中的錨固力變化情況，以此掌握渠坡潛在滑體下滑力變化情況，對比其總抗滑力，便于掌握其安全余度。監測方法為使用錨桿拉力計，最大拉力量程大于180kN，振弦式，防潮防水，并具有良好的穩定性和工作性能，使用前進行標定。

表面標水平位移監測主要監測渠坡兩側水平位移，全面掌控渠坡整體變形情況。監測方法為采用全站儀視距法，監測渠坡上測點與基點之間的水平距離，以此來計算渠坡水平位移。

加固施工期監測頻率為1次/天，暗涵施工期監測頻率為1次/5天，觀測至渠道回填，可根據變形情況適當調整監測頻率，觀測次數暫定30次。如發現邊坡出現變形或破壞，應進行24小時跟蹤監測。

4.4 質量控制

4.4.1 鉆孔

a.鉆孔時配置4名專職鉆孔人員，熟悉鉆孔作業的操作流程，熟悉機器的一般性能和結構，嚴格按照規程操作設備，嚴禁非專業人員進行鉆孔作業。

b.袁沖暗涵工程本工程地質為中膨脹土深基坑邊坡，鉆孔時必須采用干鉆法鉆孔，防止中膨脹土遇水改變土體的物理性能。

c.確保鉆孔的孔徑和鉆孔深度，鉆孔直徑為90mm，實際鉆孔深度要比設計鉆孔深度至少加深0.2m，采用驗鉆和尺量檢查。

d.孔口定位采用全站儀進行定位，水平和垂直方向的孔距誤差小于30cm，并安置導向槽，確保孔位偏差符合設計要求，同時整平坡面，確保坡面與孔軸垂直，方便后續的承壓板安裝工作。

e.孔口定位后，采用卷揚機配合鉆機支架固定鉆機，做到鉆機固定牢固，防止在鉆孔過程中發生鉆機位移或傾斜。

f.孔軸傾角按照設計角度鉆孔，在施工過程中采用羅盤進行實時監測，允許傾角誤差為2%。

g.在鉆孔過程中，鉆孔的浮渣采用高壓風能清理出孔內，嚴禁采用水清理孔內浮渣。

h.為了防止在鉆孔過程中出現麻花鉆桿扭曲、彎折、斷裂等現象，嚴格控制鉆孔速度，鉆孔速度控制在0.6～0.8m/min，在鉆進的過程中如出現硬質土層，適當減緩鉆進速度。

i.經常檢查鉆孔鉆桿的螺旋槽，及時清理其中的雜物，確保供風通暢，方便清理孔中的浮渣。

j.鉆孔過程中出現塌孔現象，不允許對鉆孔進行護壁加固處理，應立即停止該孔的鉆進工作，需要在周邊進行補孔。

k.鉆孔結束后，在傘型錨沒有安裝前要對孔進行防護。

4.4.2 傘型錨擊入安裝

a.擊入時配置4名專職傘型安裝錨擊入人員，熟悉安裝擊入作業的操作流程，熟悉機器的一般性能和結構，嚴格按照規程操作設備，嚴禁非專業人員進行安裝擊入作業。

b.安裝擊入前，再次檢查傘型錨和連接桿的外觀質量，確保產品質量合格，以及連接部位的牢固可靠。

c.在鉆好的孔口位置安裝導向槽，架設導向支架，同時采用卷揚機配合固定導向支架，確保其角度與孔軸一致且在同一位置，其傾角采用羅盤進行實時跟蹤檢查。

d.錨頭與連桿、連桿與連桿采用螺紋連接，在鉆進過程中，傘型錨連接處時刻進行檢查，防止因脫桿造成材料設備的浪費。

e.在已鉆好的孔內擊入傘型錨，同時要控制擊入的速度和角度，防止對已鉆好的孔進行破壞。

f.在錨桿擊入設計孔深后，再通過便攜式打樁機，繼續把傘型錨擊入土體，其深度不小于1m，采用驗鉆進行檢查擊入的深度。

4.4.3 傘型錨張拉鎖定

a.在錨桿達到設計深度后，在坡面放置承壓板，要求坡面必須與孔軸線垂直，防止在張拉過程中因偏心受力，造成傘型錨損壞。

b.在傘型錨張拉前，檢測邊坡土體的承載力，如果承載力不足，需要在承壓板下鋪設槽鋼和竹夾墊板。

c.張拉時配置2名專職傘型錨張拉人員，熟悉安裝擊入作業的操作流程，熟悉機器的一般性能和結構，嚴格按照規程操作設備，嚴禁非專業人員進行張拉鎖定作業。

d.張拉時嚴禁人員正對千斤頂或在周邊走動。

e.通過電動油壓泵張拉傘型錨錨桿至預定錨固力，千斤頂一次張拉行程40cm，如千斤頂行程已滿，應松開頂端鎖定裝置，退回千斤頂行程至起始狀，再安裝頂端鎖定裝置，再次進行張拉。

f.在張拉過程中，采取多循環張拉方法進行，分5個循環進行加載，循環荷載按16kN、32kN、48kN、64kN和80kN進行，每級加載油壓穩定后方可卸載，直至穩定在80kN或以上時用卡瓦將連接桿鎖定，鎖定時應遵循保持各部位緊密接觸的原則；凡是張拉鎖定未達到設計要求的傘型錨，一律重新補孔張拉。

g.張拉結束后，安裝傘型錨錨力計，實時觀測錨桿受力情況。

5 結 語

袁沖暗涵傘型錨加固渠坡樁號K10+350～K11+265，全長915m，按照試驗段加固方案，需要傘型錨約2745根(左岸3排，右岸3排)，2017年8月底，完成高邊坡加固渠坡。實際施工過程中進行了優化，實際施工1911根，共30423m，總造價約1400萬元(含監測費用)，估算節約投資800萬元，效益顯著。

針對不同的工況和地質條件，選擇合適的基坑支護形式，是基坑支護設計的原則。基坑支護的本質要點就是確保基坑及周圍建筑物、管道、道路等安全。通過實際施工檢驗，擊入式傘形錨支護在確保施工安全及工程質量的前提下，能加快施工進度、減少投入、降低施工成本，而且施工簡單、效率高、占用工期少，具備在膨脹土深基坑施工中進行臨時邊坡加固處理推廣應用的條件。