超长土钉施工工法与机具研究1

1、超长土钉施工工法与机具研究摘要：本文结合乐滩水电站左岸土石坝土钉墙工程施工实际，通过对施工技术难点的分析研究，介绍了在该工程中应用的新机具、新工艺，为超长土钉设计、施工提供了借鉴。关键词：土钉墙 造孔 超长 注浆 螺旋钻头 热压法 1. 工程概况乐滩水电站扩建工程是红水河规划开发的第八个梯级水电站，坝址位于广西忻城县红渡镇镇府上游3Km，坝址上下游分别与已建的百龙滩水电站尾水和规划的桥巩水电站正常蓄水位衔接。该扩建工程是一座以发电为主，兼有航运、灌溉等综合利用效益的水利水电工程。电站总装机容量600MW， 多年平均发电量为34.95亿kW.h。2. 工程地质条件在乐滩水电站左岸边坡（坡比1:0

2、.6）开挖施工过程中，根据沉陷、位移观测点监测数据反映，边坡出现了位移变形，为确保左岸施工和绕坝公路的安全，设计决定对边坡采用边开挖边进行土钉支护的方法进行施工。本土钉墙支护的范围为EL128.5EL113，桩号坝上0+55m坝下0+58.5m。根据2002年6月补勘钻探记录中钻孔ZK22和ZK23的地质资料以及现场开挖后出露的土层状况，结合施工钻孔资料分析，该工程地质条件如下：土坡上部23m为填土，由粘土混灰岩块石，砂土混碎石等组成，为新近未经碾压的填土，松散状。中部约611m 为硬塑状含碎石粘土，断面粗糙，稍密中密状，局部夹56mm硅质岩块石。下部为可塑状含少量碎石粘土，厚约26m。基岩主

3、要为灰岩，岩土相交面倾向基坑，倾角约30°。在基岩上覆有一层厚1.56m厚度不同的软塑状粘土，含水量高达29.6%。3. 主要施工技术参数本工程共施工土钉8排，352根（其中2根为测试钉），累计5842.42米。其中28mm1675.27米、32mm2040.01米、36mm2127.14米。土钉孔距2.0m，排距分为1.5m和2.0m两种，钻孔孔径为150mm，倾角15°，孔深多数为1520m，最大孔深为36.2m，因下伏基岩面起伏，下部3排部分钻孔嵌岩，施工中嵌岩孔均深入基岩3m。要求钻孔孔位偏差不大于10，孔斜不大于5%，孔深误差控制在0.5m范围内。典型土钉布置图如

4、下图：4. 土钉墙施工土钉墙支护是在基坑开挖过程中将较密排列的细长杆件土钉置于原位土体中，并在坡面上喷射钢筋网混凝土面层。通过土钉、土体和喷射混凝土面层的共同工作，形成复合土体。土钉墙支护充分利用土层介质的自承力，形成自稳结构，承担较小的变形压力，土钉承受主要拉力，喷射混凝土面层调节表面应力分布，体现整体作用。同时由于土钉排列较密，通过高压注浆扩散后使土体性能提高。在实际施工中采用边开挖边支护的方法施工。本土钉墙支护的施工流程为：开挖工作面，修整边坡土钉钻孔（土钉加工）安装土钉土钉注浆铺设、固定表层钢筋网，设置排水孔喷射砼面层150mm开挖下一层面。4.1 造孔施工本土钉墙工程在施工中面临的施

5、工难点有：土钉超长（最大孔深达36.20m，为当前国内之最，设计一般采用土钉长度L与开挖深度H之比为L/H=0.61.2范围，土钉长度为15.020.0米，）、设备难以满足扭矩要求；土层松散、孔隙率大、含水率高成孔难度大；以及塌孔、缩径、等方面的困难。传统施工工艺因为孔深较浅，大多采用螺旋钻进造孔，这种工艺在孔深超出10.0m以后，往往因为土体对钻具的摩擦和设备扭矩不足而钻进困难，在土体极松散的情况下，钻具拔出后也会因为塌孔而造成成孔率低的现象。 为此，我们从施工工艺、施工设备、施工技术等方面进行了探索和改进，根据施工进度要求结合施工工艺特点，我们采用一台20m3/min空压机供给风力，钻孔采

6、用英格索兰KR803-02全断面液压钻机，ODEX工法偏心跟管钻进。其钻进工艺基本原理是：使用钻杆连接一套钻具（冲击器、中心钻头、偏心钻头、稳杆器），冲击器在高风压作用下，带动中心钻头冲击钻进，偏心钻头在钻机旋转力矩作用下，甩出偏心，扩孔，套管在稳杆器作用下强行跟进的钻孔方法。钻孔开孔5.0m使用150mm螺旋钻钻进，以确保造孔施工时避免对边坡表层土体产生破坏，5.0m以后使用偏心钻头跟套管钻进，利用钻头的冲击、振动扰动孔壁周围土体，改变其密实度；利用套管跟进保证在流态粉质粘土层的成孔。针对钻孔深度大，钻进时在流态粉质粘土层和基岩界面极易产生错台，容易造成套管变形和增加土钉钢筋置入难度的情况，

7、我们采取了在界面处使用低压、低速、反复扫孔的措施加大该部位孔径，以保证钻孔孔斜、消除错台的方法进行处理。本工程累计施工钻孔352个，均一次性成孔。由于下设土钉不及时，有28孔因为降雨，边坡土体含水率增加，在置入土钉时发现有塌孔、缩径现象。实践证明，该项造孔工艺的改进在造孔施工进度、成孔率等方面较传统工艺均有很大提高，不仅顺利的完成了工程施工，确保了工程质量，同时也为后续工序的施工在质量、工期上提供了可靠的保证。4.2 土钉加工本工程土钉钢筋采用28、32、36螺纹钢进行加工，使用10圆钢按每23m间距设对中支架，长度不低于50，采用焊接的方法将其焊接在土钉钢筋上。加工时配备好注浆管、排气管、止

8、浆袋。技术难点：本工程土钉最大长度为36.20 m，单根钢筋长度为12.00 m，土钉需进行加长连接，土钉设计强度为250KN，采用什么连接方式和如何确保连接强度是土钉加工的技术难题之一；另外，本工程地质条件为松散土体，成孔性差，常规的钉头和对中支架加工方法极易在置入时嵌入孔壁土体中，如何保证土钉钢筋在置入时顺利施工就成了加工时的又一技术难点。加工时，我们采用热压法钢筋直螺纹连接技术对进行钢筋连接加长，使用SM40等强度直流螺纹滚压机对钢筋进行螺纹加工，使用连接套筒进行加长连接。该连接方法与传统搭接、错结、对结等焊接加工工艺相比（特别是32、36等大直径钢筋），具有加工方便，现场连接速度快，连

9、接强度高（套筒连接抗拉强度试验结果为520570MPa），能保证被连接的钢筋在同一轴线上等优点。加工时保证接头螺纹长度不低于8，丝扣完整度不低于80%，连接套筒长度不低于15，以保证钢筋端头连接长度。 针对钉头和对中支架容易嵌入孔壁土体的情况，我们采取了纺锤形钉头和在对中支架设置船形滑板的加工工艺，纺锤体和滑板均采用1.0镀锌铁皮制作，纺锤体直径加工为130140，使它在土钉置入时起到探头和扩孔的双重作用。其加工形式示意图如下： 经改进加工工艺，本工程土钉置入施工进展顺畅，注浆施工证明孔内畅通，拉拔试验在设计荷载的1.35倍拉拔力作用下仍无位移，证明土钉连接工艺可靠，强度满足施工要求。4.3

10、注浆本工程注浆要求采用纯水泥浆进行注浆，注浆强度等级不低于12Mpa，3天强度不低于6 Mpa。注浆采用425普通硅酸盐水泥，配备水：水泥0.400.45:1的纯水泥浆，浆液中加入适量的膨胀剂，采用重力低压方法注浆，注浆压力采用以确保土体不出现隆起或外移的0.40.6Mpa。技术重点：土钉土体松散、裂隙发育，下伏基岩起伏、裂隙、溶沟、溶槽发育，施工中如何在保证质量的前提下控制浆液注入量及其扩散范围，是注浆工序的技术控制重点和难点。施工中，我们配备一台ZJ400型高速搅拌机和一台J600型储浆搅拌桶用于制浆，另配备2台BW20040型中压泥浆泵用于输送浆液和注浆。注浆时，在泥浆泵和土钉孔口各安装

11、压力表一只，由安装在泥浆泵上的压力表控制送浆压力，保证输浆管路安全，由安装在孔口的压力表进行孔内注浆压力控制。施工中严格控制浆液浓度，对超耗现象适时采用限压、限流、间歇等方法进行处理。针对地层裂隙发育，注浆后浆液存在流失的情况，在注浆结束第二日采取对注浆孔进行检查复灌的方法以保证注浆段长度。本土钉墙工程累计钻孔5842.42m，耗浆量为340750.5L，耗灰量为416851.45，平均每米耗灰量为71.35。这与该工程土体松散、裂隙喀斯特地形发育的特征是相符合的。5. 拉拔试验 本工程拉拔试验在注浆结束28天注浆强度达到70后进行。拉拔试验孔位由监理工程师根据注浆记录指定。本工程指定的拉拔试

12、验孔为F8和F53号孔。本工程拉拔试验采用 1台ZB4500型电动油泵，1台YC60型千斤顶（均为海威姆公司产品）在临时搭设的施工平台上进行张拉试验施工。其拉拔试验施工方法见下图。测试钉的试验采用分级连续加载，加载时保持匀速、缓慢，首先施加初始荷载，使加载装置保持稳定后，以后的每级荷载增量为设计荷载的20%。在每级荷载施加完毕后立即记下位移读数并保持荷载稳定不变，继续记录以后1、6、10min的位移读数。施工时，首先施加初级荷载20KN，以后每级荷载增加40KN，直至达到设计要求的250KN。经拉拔试验数据分析，试验土钉F8在设计荷载作用下无位移，F53在设计荷载的1.35倍拉拔力作用下仍无位移，证明该土钉墙工程施工质量优良，各项施工工艺的改进均取得了成功。6.结论 通过本土钉墙工程施工实践和拉拔试验证明，本工程在土钉施工机具、施工工艺、施工技术上的改进是成功的，其意义如下：1. 为超长土钉设计、施工的可行性进行了施工实践，提供了宝贵的技术参数；2. 为超长土钉施工在造孔工