自旋式土层锚杆在西安地铁中的应用

张少兵

(西安市地下铁道有限责任公司,710016,西安∥工程师)

自旋式可回收土层锚杆是一种无粘结剂的新型锚杆,是基于摩擦力的锚固技术,其锚固力主要由刻入土体的螺丝与土体之间的摩擦力提供。锚杆的一端与工程结构物联结,另一端锚固在基坑或边坡中,以承受结构物的上托力、拉拔力、倾侧力或者土压力、水压力,利用地层的锚固力来维持结构物的稳定。

1 自旋式锚杆的锚固原理

自旋锚杆是一种无粘结剂的可回收新型锚杆,主要利用多点接触的力学原理,锚杆以自旋形式进入到土层中,杆体上螺丝深深地刻入到土体中形成多点接触。杆体上螺丝与土体接触在孔壁处产生摩擦力,当土体沿杆体轴向滑移时,刻入土体的螺丝会与土体产生较大的摩擦力,阻止了土体的滑动。基坑或边坡在开挖后,周围土体在重力和构造应力等因素的共同作用下必将产生变形。当变形超过容许变形时,边坡就会发生失稳破坏。在边坡土体变形过程中,土体变形产生的侧向应力作用在螺丝之间的杆体上,而螺丝又产生反作用力作用在土体上,这样,锚杆在力作用下形成多点锚固,从而大大提高了锚杆的锚固作用。

2 自旋式锚杆的结构特点

自旋式锚杆由杆体、螺丝、螺丝端部金属头(金属头是利用电弧焊接上去的合金材料,主要是防止端头的螺丝在旋进过程中变形),以及螺母及托板等组成。其结构如图1所示。锚杆杆体为钢管体,杆体上的螺丝经机器冷加工后焊接上去。杆体超过一定长度时,可分为数段。由首段、延续段及连接件组成一个完整的锚杆。锚叶为螺旋状。安装时将旋转扭矩转变为向下的轴力,使整个锚向土层内部运动。承载时旋丝依靠和土体的剪切力承担主要荷载,锚杆有连接与传递力、力矩的作用。自旋锚杆按照旋丝的旋向又分为左旋丝自旋锚杆和右旋丝自旋锚杆。一般工程使用较多的是右旋丝自旋锚杆。

3 自旋式锚杆的工程特点

(1)用自旋式锚杆代替内支撑,能及时支撑围护结构和土层,且基坑内有较大的空间,有利于方便快速施工。

(2)对地层不会造成污染,有利于城市环保。

(3)施工机械及作业空间相对不大,可为各种地形场地所选用。

(4)锚杆的参数可根据工程随时调整,因此可以保证设计有足够的安全度。

(5)施工时随时可施加预应力,以及时控制结构的变形量。

(6)施工速度比传统锚杆(索)提高十几倍,可实现高效快速施工。

4 工程实例

4.1 工程概况

西安地铁2号线运动公园站——行政中心站区间明挖基坑位于西安市北郊张家堡北广场内。基坑全长右线约115.448 m,左线132.431 m。基坑总宽度47 m,基坑深度17 m。该明挖段为西安地铁2号线与4号线的联络线部分,同时基坑中设有盾构始发井兼轨排井。

本工程基坑开挖范围内地表一般分布有厚度不等的全新统人工填土;其下为全新统的冲积黄土状土、中砂、粗砂,上更新统冲积的粉质黏土,中、粗砂层。具体参数见表1。

表1 地层参数表

4.2 深基坑支护体系比较及选择

本工程地处西铜高速入口地段,车流量大,重型车辆多,基坑周边有北郊雨污水主干管,基坑安全等级为一级。因此需要选择一个合理的支护形式,既要保证基坑及周围环境安全,又能节约工程造价。根据深基坑各种型式的特点、适用条件,结合工程地质和周边条件,提出了三种支护方案进行比选。

方案一：围护桩+内支撑。该方案支护安全可靠,施工方案成熟,是地铁车站采用较多的一种支护型式。其缺点是内支撑需占据基坑内大量空间,严重影响土方开挖和结构施工速度,不能满足盾构始发对内空间和工期的要求。

方案二：围护桩+锚索。其优点是支护安全可靠,工艺成熟。缺点是锚索施工速度慢,且污染地下空间,给后续城市空间开发利用造成困难。

方案三：围护桩+自旋式锚杆。其优点是支护安全可靠,施工速度快,能够满足盾构始发对空间和工期要求,且不会对地下空间造成污染。但自旋式锚杆属新材料、新工艺,其在土层中应用无成熟经验。

通过对三种方案的综合比较,结合周边环境条件,确定采用复合型支护体系(见图2)。基坑上部分两阶放坡开挖,自旋式锚杆配喷射混凝土支护;下部采用围护桩+自旋式锚杆支护型式。

图2 基坑支护体系布置图

4.3 自旋式锚杆参数确定

根据自旋式锚杆抗拔力的计算理论和单根锚杆周围土体的破坏情况,将锚杆周围破坏的土体简化为锥体形状。锚杆的抗拔力主要由顶部锚叶上的剪切阻力、上下锚叶间土层的摩擦阻力及锚杆上的摩擦阻力等组成。自旋锚杆锚叶间的剪切阻力与围岩的侧压系数成正比,侧压系数越大,锚叶间的剪切阻力越大,其抗拔力也越大。锚杆试验参数、材质参数见表 2、表 3 。

自旋式锚杆的抗拔力表达式为：

式中：

γ——土层的容重;

H1——顶部锚叶的埋深;

A——顶部锚叶面积;

Ncu——岩体的抗拔因子,由试验得出;

c——岩体的粘聚力;

φ——岩体的内摩擦角;

Ls——锚叶的截面周长;

Ku——水平侧压系数;

H3——底部锚叶的埋深。

表2 锚杆试验参数表

表3 锚杆材质参数表

将表1～3的参数带入式(1)进行计算,与现场实测的锚杆锚固力对比结果见表4。

表4 锚杆的实测值与计算值对比

通过试验锚杆实测值与计算值的对比分析,自旋式土钉的基本参数确定为：杆体采用φ 16 mm钢筋,旋丝高度 8 mm,间距 25 mm,长度 3 000 mm 。自旋式土层锚杆的基本参数为：杆体采用φ 18 mm、φ 25 mm 钢筋,旋丝高度 8 mm,间距 25 mm,长度每节6 000 mm,可任意接长。

4.4 基坑监测分析

西安地铁2号线深基坑自旋锚杆支护系统监测结果见图3和图 4(图中CK1、CK2、CK3、CK4为 4个桩位测孔)。前者监测的自旋锚杆轴力随时间的增长在增长。其原因是：自旋锚杆安装过程中由于各种扰动和旋丝间距的不规则性,尤其是旋丝前后的不同步性,使得锚杆安装结束后的锚固力还没有达到顶峰。后者是对基坑维护桩位移的监测。在自旋锚杆安装后其维护桩位移量较小,完全可以满足工程安全要求。

图3 自旋锚杆安装后轴力变化图

图4 维护桩位移变化图

5 结语

自旋式可回收锚杆以其较低的施工成本、同步的安全支护、高效的作业效率,以及环保无污染等优点,在西安地铁2号线运动公园站——行政中心站区间深基坑得到成功应用,既节约了工期,又降低了成本,收到了较好的效益。但自旋式可回收锚杆是首次在土层中使用,其可靠性、适应性、极限长度及锚固力等问题还有待进一步的研究和总结。

[1] 韦正范,惠兴田,苏培莉.自旋锚杆在巷道中的试验与研究[J].矿山机械,2006(12)：20.

[2] 韦正范.自旋锚杆的研究分析与应用[D].西安：西安建筑科技大学图书馆,2006.

[3] 邓坤,惠兴田,高徐军.自旋式锚杆抗拔力的计算理论[J].矿业研究与开发,2008(4)：16.

[4] 汪滨.螺旋锚技术及其在工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社,2006.

[5] 周涛.螺旋锚杆在沿空煤巷支护中的应用[J].山东煤炭科技,2003(2)：38.