新型多節擴孔土釘護坡加固施工技術研究與應用*

程少東，鄭玉鵬，劉 鑫，李超剛，張 偉，邱正清，王 堯，魏 磊，陳 華

(北京城建遠東建設投資集團有限公司，北京 102209)

0 引言

土釘墻是一種原位土體加筋技術，是一種將土釘打入邊坡，表面鋪設1道鋼筋網再噴射1層混凝土面層的邊坡加固施工方法。在城市中進行市政管線施工時往往需要進行較長段落的開槽，土釘支護因其良好的經濟性和護坡效果，目前廣泛應用于基坑及邊坡支護工程，其常見的施工方式有兩種:一種是在土中先鉆孔，成孔后插入帶肋鋼筋并在孔中注入水泥漿液，漿液硬化后將土釘體與周圍土體牢固粘結構成一個整體；另一種是采用鋼花管，可以直接打入基坑側壁，打入后可以向管內注入水泥漿液，也可不注漿。第1種方法主要用于易成孔的黏性土體，而第2種方法主要用于易塌孔的砂性土體。但是市政地下管線復雜繁多，一方面采用常規土釘施工時容易造成周邊管線破損，另一方面，留置在土體的土釘可能對后續施工的盾構機、頂管掘進機造成損傷。針對以上基坑支護土釘墻施工工藝存在的缺陷，本文以北京市五環路—上清橋疏堵改造工程為依托，結合工程實際和以往施工經驗，提出了一種安全可靠、成本低廉、對地下環境影響小的基坑支護土釘墻施工技術——新型多節擴孔土釘加固施工技術。該技術以其在保證施工質量、提高施工效率、節約資源等方面的良好效果，為工程項目的順利實施提供了保障。

1 工程概況

北京市五環路—上清橋疏堵改造工程需要拆除改造京藏高速清河收費站及其收費車道并對京藏高速主路及五環輔路加寬并進行地下管線改移(見圖1)。工程改造起點位于科薈路南約1 400m位置,改造終點位于上清橋去往西五環匝道入口,改造范圍全長2km。

圖1 道路加寬斷面Fig.1 Road widening section

其中，五環輔路加寬涉及電信、電力、雨水、污水、燃氣等20多家權屬單位的地下管線，尤其是加寬新舊路面放坡投影下正好存在現狀污水主管，無法采用鋼板樁、鋼管樁、工字鋼樁等型鋼護壁措施。而加寬路接面內部存在多種地下管線，最近管線離新舊路交接面約5m,采用常規土釘墻支護勢必造成現狀市政管線破損。為保證工程順利進行，項目技術人員需進行技術攻關，優化邊坡加固結構，在保證墻體支護效果的同時，將土釘入土長度限制在5m以內。經過多次研究后初步確定了對土釘孔道結構進行改進，實現多節擴孔、增大拉拔抗力的技術方案。

2 新型多節擴孔土釘結構及技術原理

2.1 孔道擠闊裝置

為保證土釘孔道節點擴大效果與施工的便利性，研發了一種孔道擠闊裝置，如圖2所示，裝置端部擠闊頭具有收縮和擠闊兩種狀態(見圖3)，在其收縮狀態下可伸入加筋桿件孔道(D=70～120mm)內部，擠闊頭上部與桿件連接部位桿件可自由轉動,擠闊頭上部與桿件連接部位設有螺紋，通過裝置旋轉鋼條帶動芯桿旋轉收縮使端部擠闊頭轉變為端部膨脹的擠闊狀態(D=100～240mm)。

圖2 孔道擠闊裝置Fig.2 The aperture extrusion device

圖3 孔道擠闊原理Fig.3 Principle of aperture squeezing

2.2 技術原理

多節擴孔土釘的設計靈感來源于公路橋涵擠擴支盤樁，通過分節局部擴大孔徑的方式，有效提高土釘的抗拉拔性能。在桿件孔道成孔后，使用加筋桿件孔道擠闊器對孔道進行分節點擴孔，將傳統土釘僅靠土體摩檫力抗拔加固的簡單結構改進為土體摩擦力與節點抗拔承載力結合的異形土釘結構。在大大提高土釘抗拔力的情況下顯著縮短土釘入土長度。通過注漿使加筋桿件成為兼具土體摩擦力、黏聚力和多端支承點的新型加筋桿件。這種新型結構改變了桿件周圍土體的受力狀態(見圖4)，較大限度地釋放了邊坡土體的錨固潛力。

圖4 土釘受力形式Fig.4 Force form of soil nails

3 新型多節擴孔土釘加固性能計算分析

3.1 性能分析理論

根據地勘報告,該工程設計雨水方溝開挖土層主要為0.5m厚人工填土、1.8m厚粉土、3.9m厚粉質黏土。選定粉質黏土層內布設土釘進行進一步分析，粉質黏土的內摩擦角φ一般為18°～25°(摩擦系數f為0.32～0.46)，黏聚力c一般為5～10kPa，極限粘結強度標準值為42kPa。

采用常規土釘時，依據JGJ120—2012《建筑基坑支護技術規程》，土釘抗拔承載力可以按(1)式計算：

(1)

式中：Rk,j為第j層土釘的極限抗拔承載力標準值；qsik為第j層土釘在第i層極限粘結強度標準值，根據地質勘查報告取值，無地勘數據時可按表1進行取值；dj為成孔直徑；li為第j層土釘插入第i層土的長度。

表1 土的極限粘結強度標準值Table 1 Standard value of ultimate bond strength of soil

當采用新型多節擴孔土釘加固施工技術時，目前行業內暫無完美契合的計算公式，不過恰巧在已有研究成果中，螺旋土釘抗拔承載力中單葉片情況計算時，計算模型將單葉片也視為一個擴大節點，兩者受力機理相同，故可以采用單葉片土釘承載力公式代替單節點土釘承載力公式。北京建筑大學王毅娟研究分析單葉片土釘破壞機理并參照美國規范后提出：

Qc=Qbearing+Qshaft=AHCu1Nu+πdHeffαCu2

(2)

式中：Qc為極限承載力標準值；Qbearing為擴大節點極限承載力；Qshaft為釘身側阻力；AH為擴大節點投影面積,這里取0.045m2(D=0.24m)；Cu1為土體承載力基本容許值，上清橋項目粉質黏土相應的土層地基承載力為180kPa；Nu為承載力因子，取值1.2(擴大節點埋深H/節點直徑D),且不大于9；Heff為釘身有效長度，擴大節點埋深H減去節點直徑D；αCu2為式(1)中的qsik，極限粘結強度標準值，根據地質勘查報告取值，無地勘數據時可按表1進行取值；d為成孔直徑。

單葉片螺旋土釘與單節點擴大土釘構造如圖5所示。

圖5 單葉片螺旋土釘與單節點擴大土釘構造Fig.5 Structure of single blade spiral soil nail and single node expanded soil nail

3.2 新舊土釘性能對比分析

當土釘有效入土深度為5m時，孔徑10cm，將數據代入式(1)求解得常規土釘抗拔極限承載力為65.94kN。擴孔直徑24cm，且擴孔節點置于土釘末端時，將數據代入式(2)求解得單節點擴孔土釘抗拔極限承載力為135.67kN。故單節點的新型土釘抗拔承載力計算值約等于2倍同土質下等長普通土釘(d=10cm,D=24cm,L=5m)提供的摩擦阻力。多節擴孔土釘在土體中受力機理與承載性能較為復雜，簡單分析土釘模型可知，擠擴節點的密度初期與土釘抗拔力有較強正相關性，當擠擴節點達到一定的密集程度，土釘擠擴節點的抗拔承載力權重將會大大減小，這時多節擴孔土釘可等效為螺旋土釘。2020年，美國工程師Pankaj Sharma正好做過相關研究，螺旋土釘抗拔能力在一定范圍內隨著螺旋數量和釘軸直徑的增加而增加。不過螺旋數量遞增帶來的土釘抗拔能力增加呈邊際效應遞減，直至無關。這一點也可以與王毅娟在單葉片螺旋土釘的基礎公式上修正多葉片螺旋土釘承載力公式時獲得修正系數大于1的結果相印證。

所以對于同等抗拔承載力，采用常規截面土釘反算長度會明顯長于新型土釘結構。所以在市政工程中，采用新型多節擴孔土釘在安全性和對周邊環境友善度上具有顯著優勢，經驗算更加適用于五環路上清橋項目工程實際邊坡加固需求。當然以上數據僅為理論估算，對于多節擴孔土釘的承載力性能不再做過多分析，在工程實際中可進行土釘拉拔試驗驗證并獲取更準確參數。

4 施工工藝流程及操作要點

4.1 施工工藝流程

施工工藝流程：開挖工作面，修整邊坡→成孔→擴孔→插釘→注漿→綁扎、固定鋼筋網→焊接加強筋→噴射混凝土面層。

施工中，可根據現場實際情況調整成孔與鋼筋網綁扎的施工順序。

4.2 操作要點

1)基坑或基槽應豎向逐層開挖，每層開挖深度為設計土釘位置下0.5m，基坑中部開挖應注意與分層作業區的開挖相協調。

2)按既定方案的縱橫向間距尺寸布設土釘，進行成孔施工時注意土釘與水平面夾角。成孔采用洛陽鏟或錨桿鉆機，直徑70～120mm。

3)成孔后使用加筋桿件孔道擠闊裝置對孔道進行分節擴孔處理，擴孔節點間距宜為1～1.5m，據邊坡坡面最近擴孔節點距離宜大于1m，擠闊空間直徑宜為孔道直徑的1.5～2.5倍。擴孔時同節點至少擴孔操作2次，且2次擴孔角度宜為22.5°左右，以保證擴孔效果，如圖6所示。

圖6 新型土釘節點擴孔示意Fig.6 A new type of soil nail node reaming

4)土釘制作 鋼管應平直，除油、除銹，在鋼筋加工場或現場制作完成，土釘應沿土釘長度方向間距2m設定位支架，并做強度檢驗。鋼管鉆設出漿孔，間距 7.5cm 交錯布置。

5)土釘安放 擴孔完成后，可置入土釘。安放桿體時，應防止桿體的變形，注漿管隨桿體一同放入。注漿管距孔底宜為 50～100mm。桿體插入孔的深度不得小于桿體的 95%。桿體放入后，不得隨意敲擊，不得懸掛重物。

6)土釘注漿至孔口溢漿(錨桿注漿超過其錨固長度)，初凝前應補漿2～3次至漿液飽滿，注漿時間間隔過長應及時洗管。對孔口不實處應用填土或噴混凝土等方法塞實。注漿材料宜選用水泥漿，水泥漿的水灰比為0.5，強度等級不低于M20。采用重力方法注漿填孔。

7)注漿時應控制好注漿壓力并間隔補漿，確保注入足夠的水泥漿量，有效擴大土釘的成孔直徑，這是擴孔土釘施工的關鍵。

8)注漿完成后，土釘主筋外露端部設彎鉤并與面層內連接相鄰土釘端部的通長加強筋相互焊接，鋪設鋼筋網，而后噴射厚度≥10cm面層混凝土，混凝土強度等級不宜低于C20。錨桿則錨固在外部護坡墻體上。新型土釘墻成形斷面如圖7所示。

圖7 新型土釘墻成形斷面Fig.7 New soil nail wall forming cross-sectional

5 技術應用效果

在北京市五環路—上清橋疏堵改造工程項目中，按照《建筑基坑支護技術規程》附錄D要求進行新型多節擴孔土釘試驗，驗證抗拉拔承載力滿足工況要求后，基坑邊坡鄰近地下雨污水管線的土層土釘長度均限制在5m范圍內，使得地下管線改移及道路加寬工程順利施工。整個工程邊坡支護時間為47d，經測量監測無邊坡位移現象發生，新型多節擴孔土釘加固施工技術取得了較好的效果。

2021年石景山區衙門口10號路(衙門口北路—衙門口1號路)道路工程也存在類似情況，該工程為現有城市道路改造工程，道路下方設計雨水管道總長1 639.1m，溝槽開挖深度2～5m，周邊現有市政管網密布復雜，經過方案對比、技術論證，也采用新型多節擴孔土釘加固施工技術進行雨水管道溝槽基坑工程的邊坡加固。

6 結語

北京市五環路—上清橋疏堵改造工程是典型的市政改造工程，現狀道路之下存在錯綜復雜的地下管線。通過對現有傳統土釘結構工藝的探索與改進，提出了新型多節擴孔土釘加固技術，進一步豐富了邊坡加固施工技術。在工藝技術難度小幅度提升的情況下，此種技術更加適用于加筋桿件形成柱體抗拉拔力較小、加筋桿件長度較大的工況，不適用于有鄰近地下構筑物限制孔道長度的工況。改善了傳統工藝浪費資源、造成后續地下工程隱患和污染周邊土體等缺陷。相較于傳統工藝其綜合成本更低，邊坡支護穩定性更好，施工影響范圍更小。

綜上所述，新型多節擴孔土釘加固施工技術與常規技術相比，成本投入較低，適用范圍更廣，加筋桿件受力形式更優。具有提高施工質量、保障勞動安全、節約施工成本、保護鄰近地下構筑物等效果，既是對現有施工工藝的補充和完善，也對地下基坑工程施工技術的發展有良好的促進作用。