行业要闻

 

［摘  要］ 在对土层的锚杆技术进行锚固机理分析的基础上，采用高密度挤压摩擦锚固的理念设计自旋式锚杆。通过对自旋锚杆锚固机理的研究并结合数值模拟分析，设计出适合砂土层施工的锚杆。在西安地铁 2#线 TJSG-4 标段的基坑支护中经过工业试验，证明了该锚杆支护技术的可靠性。

［关键词］ 地铁基坑; 锚杆; 支护设计

 

      锚固技术的研究在近几年取得了突飞猛进的成果。地下工程中锚杆的应用给施工带来了质的飞跃。尤其是一些临时工程中采用锚杆支护技术更是显示出锚杆技术优良的工程特点。

      土体锚杆的应用几乎都是以砂浆灌注粘结式结构为锚固体。这种锚固形式虽然能够广泛适应各种土体结构工程。但其施工的复杂性，尤其是锚固体灌注后的强度等待时间往往严重影响工程进度。而土体的特性恰恰是需要及时的锚固才能很好的满足工程。因此，如果能够解决土体的快速锚固技术问题，对于黄土地区地铁基坑的快速、安全施工具有十分重要的意义。

      现阶段土层锚杆( 索) 主要的锚固形式是灌注砂浆将锚固体粘裹和土体形成摩擦阻力。这类砂浆锚杆具有施工适应性较强的优点，但在实际工程应用中也存在着以下的缺陷:

      ( 1) 砂土体中成孔速度慢;

      ( 2) 锚固体灌浆后需要 10d 以上的凝固期;

      ( 3) 砂浆锚杆不能及时形成支护工程结构体;

      ( 4) 在难以成孔砂土层甚至需要采用泥浆护壁成孔工艺。

 

      为了克服砂土层砂浆锚杆和普通锚杆技术的缺陷，作者在研究土层锚固的作用机理的基础上，尝试以挤压密实摩擦锚固为主导的自攻旋进形式作为锚杆的设计方案。自旋式可回收锚杆的完整结构示意图如图 1 所示。

      可回收式自旋土层锚杆是一种新型螺旋形式的受拉杆件，它不强调锚叶的作用，而是以锚固段通过强力旋扭作用使锚固段对锚固体周围土体挤压形成较高的锚固力。以承受结构物的上托力、拉拔力、倾侧力或者挡土墙的土压力、水压力。它的锚固作用能改变地层力学特性以提高土层结构体的自身稳定性。这种土层自旋锚杆无需打孔，利用机械钻具直接将自旋锚杆强力旋进土体中。扭进过程中杆体所占空间的土体被强行挤压向周边分布，使得锚杆体近周围土体形成不均匀挤压区，强化了锚杆的锚固力。在一般砂土层中锚固力可以达到 11kN/m 以上。在古土壤中一般可以达到 25kN/m 以上。对于城市地铁开发具有如下优点:

      ( 1) 自旋安装过程中将锚杆周围土层挤压使其物理力学特性得到大大提高，使得较小的杆体就可以获得较高的锚固力;

      ( 2) 无须钻锚杆孔直接自攻旋进安装，比起传统的砂浆锚杆( 索) 施工速度提高十几倍;

      ( 3) 锚杆安装完成就立刻达到锚固力，使结构得到及时加固，大大提高施工安全性;

      ( 4) 自旋锚杆可以自带钻头和注浆连接体，对松散层位可实现打孔注浆加固一次完成;

      ( 5) 自旋式可回收锚杆对地层不会造成城市地层污染，又能回收再用降低成本;

      ( 6) 自旋锚杆的参数可根据工程随时调整，在遇到工程薄弱部位时迅速加打，对工程局部进行加固，因此可以保证工程有足够的安全度。

 

      自旋锚杆主要是利用多点接触力学原理来传递荷载的。锚杆以自攻旋进形式进入土体中，杆体上的旋丝深深地刻入到土体中形成多点接触。由于杆体上旋丝与土接触，在与土体接触面产生摩擦力，当土体沿杆体轴向滑移时，杆体与土体产生较大的摩擦力，阻止了土体的滑移。基坑或边坡开挖后的土体在重力和构造应力等因素作用下必将产生变形，由于土体变形产生侧向应力，挤压锚杆，侧向应力作用在旋丝之间的杆体上，而旋丝产生反作用力作用在土体上，这样，锚杆在侧向应力的作用下与土体形成多点接触，提高了锚杆的锚固作用。

      自旋可回收锚杆的受力状态有两种情况: ①安装状况，主要受安装扭矩和少量的轴向压力; ②承载状况，锚杆的受力根据工作的实际情况而不同，主要受轴向的压力或拉力，以及水平力产生的弯矩。

      ( 1) 安装时锚杆受扭矩作用。安装时锚杆主要受扭矩作用，所受的轴向压力可以忽略不计。锚杆所能承受的最大扭矩按下式计算:

式中，T_max为螺旋锚承受的最大扭矩; W_p为锚杆抗扭截面模量; R、D、d 分别为圆形锚杆的外半径、外径和内径; J_p为锚杆截面极惯性矩

      安全系数为:

式中，［τ］为锚杆材料的允许剪应力。

      通常安全系数 n≥2。

      ( 2) 承载时锚杆受拉压荷载作用。在螺旋锚承载时锚杆通常受拉压荷载作用，锚杆的正应力为:

式中，P_max为螺旋锚承受的最大荷载; A_g为锚杆的截面面积。

      安全系数为:

式中，［σ］—锚杆材料的允许正应力。

      通常安全系数 n≥2。

      ( 3) 旋丝的强度校核。在安装时和承载时旋丝根部都产生剪应力。安装时单导程旋丝的剪应力为:

      承载时单导程旋丝的剪应力为:

 

      西安市地铁 2 号线 TJSG-4 标段张家堡基坑设计长度为 263m，宽度为 55m。地表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、粉质粘土、粉细砂、中砂、粗砂，局部为砾砂、圆砾; 上更新统冲积的粉质粘土，中、粗砂层，局部为粉细砂、砾砂。工程勘察报告提供的数据表明，抗剪强度 C_u在 15 ～ 45kPa 之间，摩擦角在 15° ～ 25°之间，土的加权平均重度为 20kN/m³。

      利用 FLAC 数值模拟软件模拟自旋锚杆施工工况。模拟基坑深 12m，土质为粉土，土体参数为: 土体重度 32kN/m³，内摩擦角为 15°，粘聚力 40kPa，试采用自旋锚杆支护此基坑。此基坑网格单元划分为size 25 × 12 × 10。重力加速度为 10N / kg。图 2 为基坑模型图。

      模拟工况自旋锚杆排与排之间的水平间距为1. 5m，相邻锚杆之间的垂直间距为 2m，锚杆与水平面的夹角均取 15°，全长锚固，锚杆长 14m，直径28mm。图 3 为自旋式锚杆位移图。 通过基坑位移云图可以发现，基坑位移在自旋锚杆的支护下得到有效控制，可以应用于实际施工。

      在基坑边缘布置三个观测点，试验选用可回收式自旋锚杆。图 4 和图 5 为自旋锚杆可行性研究试验现场情况。

      关于自旋锚杆的设计参数如下:

      杆体: Ф21mm 壁厚 2. 75mm 的钢管;

      旋丝: 高度 8mm，间距 25mm；

      长度: 根 据 需 要 可 任 意 确 定，现 定 长 度3000mm;

      土钉托盘: 120mm × 120mm × 6mm。

      图 6 是三个测点的螺旋锚杆在不同时期的锚固力检测值。

      对基坑土压力进行计算得出土压力为 30kN。根据锚杆现场试验测得的极限抗拔力为 130kN，取安全系数为 2，则锚杆的容许拉力为 75kN。因此锚杆的抗拔力满足基坑安全的要求。同时观测发现，在锚杆完成安装后的一段时间内由于土体变形锚固力有了一定上升，对基坑支护的长期稳定性非常有利。

 

      可回收自旋锚杆代替传统锚杆用作地铁基坑支护，能在最短的时间内加固基坑和土体，保证了施工速度，并且安装完成后立即达到锚固力要求，显示了良好的抗拔性能，可以完全满足地铁基坑支护的要求，具有较好的工程应用推广前景。

 

［1］ 康红，王金华． 煤巷锚杆支护理论与成套技术［M］． 北京: 煤炭工业出版社，2007．

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

［3］ 惠兴田，朱国超，贾拴虎． 自旋锚杆荷载传递机理的数值模拟分析［J］． 矿业安全与环保，2008，( 9) ．