楠竹加筋復合錨桿成孔工藝研究

任非凡 諶文武 張景科 張 魯 和法國 崔 凱

內容摘要：錨桿成孔工藝直接影響錨孔的成孔質量及錨固質量，很大程度上決定了錨固工程的加固效果。本文首先介紹了研究試驗區工程地質環境，然后結合交河故城崖體錨固加固工程進行現有成孔工藝的總結、統計、優化，包括開孔、鉆進、出渣以及成孔時間、速度等，提出了施工過程中所遇問題的相應處理措施。研究表明，錨固對象的地層巖性、裂隙發育特征、含水量、土體破碎及危險程度等因子直接影響著成孔工藝。其中，成孔速度與土體含水率、土的類型及土體危險程度有很大的關系，成孔時應對風壓、沖擊器進行適當調整以滿足安全的需要。最后，簡要說明了成孔后安設錨桿、封孔作舊等后續工作此項研究成果為優化成孔工藝提供了依據。

關鍵詞：楠竹復合錨桿；成孔工藝；交河故城

中圖分類號：K854.3文獻標識碼：A文章編號：1000-4106(2009)06-0055-04

一引言

巖土體錨固可挖掘巖土潛能、提高巖土工程穩定性，是巖土加固工程中的一項重要工程措施。對巖土體進行錨固，能夠充分地調動和提高巖土體自身的強度及其自穩能力，大大減小了結構物體積和減輕結構物自重，很大程度上節約了工程材料，有利于安全施工。它已成為提高巖土體穩定性和解決復雜巖土工程問題的最經濟、有效方法之一，在我國廣泛應用于高邊坡加固、滑坡治理、基坑、礦井、隧洞、壩體、地基等基礎結構工程建設中。

我國西北絲綢之路上的土遺址，由于遭受嚴重的風蝕和雨水沖刷、構造和地震的破壞，大批土遺址瀕臨毀滅。針對具有特殊性的文物土體，如何經濟、安全地搶險加固為數不多的土建筑遺址，特別是由于構造裂隙、卸荷裂隙相互組合而造成的大量文物本(載)體不斷傾倒、崩塌、滑塌和規模范圍大幅度向內收縮，已經成為廣大專家學者關注的問題。錨固因其可提高土體的強度及其自穩能力，易于施工，正在被古遺址保護加固工程廣泛采用。

在土遺址加固中，傳統錨桿所使用的鋼材顯現出一系列的缺陷性，如材料的耐久性較差，材料和土體強度差異太大等。鑒于此，以敦煌研究院李最雄研究員為首的科研隊伍研發了楠竹加筋復合錨桿。此錨桿內部為φ15.2鋼絞線，向外依次為復合材料(環氧樹脂、粉煤灰、石棉等調制的膠泥)、楠竹、玻璃絲布(圖1)，滿足了文物加固的要求。復合錨桿加固技術尚屬首創，特別在陡立崖體土層中，錨固成孔工藝是整個工程的技術關鍵。成孔質量的好壞，不僅影響著施工進度和工程造價，而且還直接影響著錨固工程的質量。這就需要對上述問題進行系統科學的研究，探索比較完善的施工技術體系，直接服務于工程建設，確保了程順利實施。同時，為干旱半干旱地區土遺址高陡邊坡復合錨桿成孔技術的推廣應用，提供科學依據。

二試驗區工程地質條件及設計概況

2.1工程地質條件

交河故城位于吐魯番盆地西部，整體坐落于兩河之間的柳葉形臺地上，臺地高約30m，呈北西一南東向展布，兩條河流分別繞城在城南交匯。此地具有干熱、少雨、多大風的氣候特征，新構造運動強烈。地層平緩，為湖狀沉積。本研究主要以41-5亞區為例，出露地層巖性自上而下分布主要有：粉質粘土、砂層、含粉土細砂、粉質粘土、含砂粉土、粘土、粉土、粉質粘土(圖2)。正是由于交河故城所處的地質環境，在河流沖刷、風蝕、地震以及人為破壞等多種因素的作用下，造成了故城崖體周圍土體不斷地崩塌、滑塌、傾倒，從而使故城的面積不斷地縮小。

2.2設計概況

該邊坡近直立，為土質邊坡，結合41-5亞區的工程地質條件以及破壞情況，采用錨桿進行支護，坡底、坡頂設截排水措施。該邊坡土層含有砂層等軟弱層，若采用水循環回轉成孔，極易造成孔壁坍塌。設計要求采用干鉆成孔法，自上而下、從兩邊向中間依次進行開孔。采用近景攝影圖件進行數字化定位?？紤]到錨桿的特性、防止群錨效應以達到最佳的錨固效果，需要梅花樁式布孔。

設計參數：錨孔深5、10、15m，孔徑φ150mm，傾角15°，錨孔橫向間距2m，豎向間距2.5m。本區共布設復合錨桿57根，臨時支護鋼筋錨桿11根。自上而下分5排布設，上3排全部為15m復合錨桿，第4排后5根與第5排為5m復合錨桿(如圖2、圖3)。

三成孔工藝研究

結合崖體的地形地貌與孔位的地層巖性，本次鉆進工程采用自重輕、體積小、便于高空作業的HQD110型電動潛孔鉆機成孔，并結合Ingersoll-Rand750型空壓機邊成孔邊出渣。鉆頭直徑68～130mm，經加工改造可達到180mm，單次推進長度1000mm，成孔時孔深應比錨桿設計長度大500mm。

3.1開孔、鉆進

施工前，首先搭設一個具有一定穩固性并符合安全要求的操作平臺，作為運輸通道及升降設備。作業平臺寬度3～4m。鉆進前將鉆機移置孔位前方后，將鉆架底座固定在腳手架上，并調整鉆架角度略小于設計角度15°。開孔應采用重壓慢轉，待鉆具穩定后再正常鉆進。對于崖面不平整的部位，為了開孔方便，開鉆前須將崖面找平。針對不同危險程度的土體，其施工工藝則有所不同。

(1)對于寬大裂隙危險土體的錨固工程，為了施工安全，一般采用干磨方式鉆進，直到跨過裂隙進入穩定土體后可以酌情進行沖擊。交河故城危險區裂隙寬大，很多土體處于極限平衡狀態，在崖體成孔時，一般上部土體(第1排、第2排)采用純干磨鉆進，下部土體酌情進行沖擊成孔。

(2)對于微小裂隙，在監測危險土體穩定的情況下，可采取沖擊的方式進行鉆進，以增快施工進度。

(3)鉆進速度的大小與給風量的大小有關，風量越大，壓力越大，進尺越快，反之進尺緩慢。對于在砂層上成孔時，由于砂土較松散，粘結性差，為了防止塌孔、孔徑過大，應少用沖擊鉆進，多用干磨的方式成孔，且給風量要適當減少。

3.2出渣

鉆孔孔壁的沉渣，一般使用高壓空氣(風壓0.2～0.4MPa)將孔內巖土粉末吹凈，以免降低水泥砂漿與孔壁巖土體的粘結強度。但是，由于隨著鉆進長度的增加，土體含水量增大，鉆孔深部土渣很難被吹出。為了保證后續鉆進工作正常進行，除了來回推、提鉆桿出渣外，可用自制取土器進行掏渣(圖4)。如取土器長度不夠時，可用注漿管進行出渣，將注漿管的一端連接到鉆機風口，另一端塞入堵塞位置，將土渣吹出(圖5)。如遇堵塞嚴重時，特別是跨裂隙處鉆進時，經常發生塌孔現象，注漿管出渣由于強度不夠已不能滿足需要，這時可從連接幾根鉆桿至鉆機風口，進行強風壓出渣(圖6)。

3.3鉆進速度隨鉆孔位置及鉆進深度的變化規律性

3.3.1鉆進速度隨錨孔位置高低的變化規律性

通過對41-5亞區中的20個錨孔的鉆進數

據進行統計，正常情況下，15米的鉆孔成孔需用時2個小時左右，10米鉆孔需用時1個小時左右，5米需用時30分鐘左右。接一根鉆桿需用時30秒左右，卸一根鉆桿需用時1分鐘左右。當然隨著被錨固土體危險程度、孔位所處地層巖性以及鉆工技術熟練程度等不同，成孔效率會有所差別。另外，通過對各個錨孔的鉆進速度進行分析統計，我們發現錨孔的鉆進速度隨著錨孔高度的降低有逐漸上升的趨勢。最上面的一排錨孔，即距離崖頂2.5m的錨孔，其鉆進速度僅為0.195m/s，隨著錨孔位置的降低，鉆進速度成線性增長(圖7)，最高可達0.729m/s。究其原因，一方面是由于隨著錨孔高度的降低，土體含水量逐漸升高，對鉆進越來越有利；另一方面由于隨著錨孔高度的降低，地層巖性從粉質粘土向中砂、含砂粉土轉變，土體強度不斷減小。

3.3.2鉆進速度隨錨孔鉆進深度的變化規律性

通過對20組鉆進數據進行統計分析，我們發現隨著鉆機鉆進深度的不同，其鉆進速度也有一定的規律性。以No.14孔為例，隨著鉆進深度的增加，鉆進速度不斷增大，直到趨于一穩定值，其原因在于隨著鉆進深度的增加，土體含水量不斷增加，并在一定深度范圍內含水量趨于穩定(圖8)，從而造成鉆進速度隨鉆進深度先增加后趨于穩定這一現象。我們發現在3m處鉆進速度較2m、4m處大，這是由于3m處恰有一寬20cm裂隙通過，無疑減少了鉆進的工作量，因此其鉆進速度有所增大。

鉆孔結束后，需遵循“一孔一錨”原則立即對錨孔進行安設錨桿、錨孔注漿、安設錨具、錨孔封堵，最后進行表面作舊，以達到“修舊如舊，不改變原貌”的原則。

四結論

通過對交河故城崖體41-5亞區錨固工程的統計分析，對楠竹加筋復合錨桿的成孔工藝以及鉆進速度的規律性進行了深入研究。研究表明：

(1)開孔時應遵循重壓慢轉的方式鉆進。對于具有寬大裂隙的危險土體，特別是上層錨孔，應盡量減少對土體的擾動，采取干磨的方式鉆進；對具有小裂隙或者無裂隙的土體，可根據具體情況，在監測危險土體穩定的情況下，酌情進行沖擊鉆孔。對于在砂土層成孔，由于其粘結性差，需減小風量以免造成塌孔或者孔徑過大。

(2)采用取土器掏渣、注漿管出渣、鉆桿強風壓出渣3種出渣工藝，以滿足不同出渣的需要。

(3)鉆進速度隨著錨孔位置的降低呈線性增長，隨著鉆進深度的增大，鉆進速度不斷增大，并趨于一穩定值。

研究結果對于楠竹加筋復合錨桿這一新型錨桿的成孔工藝優化具有指導意義，并對其應用于其他文物土體的錨固工程也具有一定的借鑒意義。