锚杆、锚索制作方法
(一)锚杆制作方法
1.锚杆的组成
锚杆是受拉杆件的总称。当与构造物共同作用而要采用锚杆作为加固或支撑的受力杆件时,从力的传递机理来看,锚杆由锚固体、拉杆及锚头3个基本部分组成,其构造如图5-14所示。
以主动滑动面为界,分为锚固段和非锚固段(图5-15)。拉杆与锚固体的黏着部分为锚杆的锚固长度,其余部分为自由长度,其四周无摩阻力,仅起传递拉力的作用。
图5-14 锚杆的构造
图5-15 拉杆的长度
(1)锚头
为构造物与拉杆的连接部分。由台座、承压垫板和紧固器等组成,通过横梁及支架将来自构筑物的力牢固地传给拉杆。台座用钢板或混凝土做成,要求有足够的强度和刚度。临时性锚杆如用型钢垫座,两型钢间隙应≤100mm,钢筋混凝土垫座锚孔应≤120mm,混凝土强度等级应不小于C35。当构筑物与拉杆方向不垂直时,需要用台座作为拉杆受力调整的插座,并能固定拉杆位置,防止其横向滑动和变位。承压板一般采用20~40mm厚的钢板,用以使拉杆的集中力分散传递,并使紧固器与台座面保持平顺和紧密接触。紧固器的作用是将拉杆与垫板、垫座、构筑物贴紧并牢固连接。如拉杆的材料为粗钢筋,一般在拉杆的端部焊螺丝端杆,用螺母作为紧固器,必要时也可用焊接的方法如拉杆用钢绞线等,则应用锚具作为紧固器。
(2)拉杆
拉杆又称锚拉杆。拉杆材料可用钢筋、钢管、钢丝束或钢绞线。一般多采用钢筋(或钢管)做拉杆,有单杆和多杆之分。单杆多用热轧螺纹粗钢筋,直径采用22~32mm,近年发展采用45SiMnV高强钢材,直径为25mm多杆锚杆直径为16mm,一般为2~4根。锚杆的结构如图5-16所示,承载力很高的土层锚杆多采用钢丝束或钢绞线。
图5-16 锚杆结构
(3)锚固体
上层锚杆是通过锚固体与岩土之间的相互作用,将力传给地层。锚固体是由水泥浆在压力浇筑下成型的。锚固体按力的传递方式又分摩擦型和承压型。前者靠柱状锚固体周表面与岩土层之间的摩擦抵抗力将来自拉杆的拉力传递给地层后者锚固体有一个支撑面,是依靠作用于锚固体的被动岩土压力来支撑锚杆的拉力的。
2.锚杆的制作(组装与安放)要求
砂浆锚杆可用粗钢筋(光杆或螺纹钢筋)、钢丝束、钢绞线等材料组装成拉杆,也可将钻孔用的钻杆作为钢拉杆。主要应根据锚杆的承载能力和可供应的材料情况来选择。承载能力较小时,多用粗钢筋承载能力较大时,多用钢绞线。如用钢筋做拉杆,其单根强度不足时,可以将2根或3根点焊成束,并排在一起使用。
(1)对一次注浆的锚杆组装要求
对于一次注浆的锚杆,当采用粗钢筋做锚杆杆体时,拉杆的组装应符合以下规定:
1)组装前,钢筋应平直、除锈和除油,以保证砂浆与钢筋间有足够的裹握应力。
2)粗钢筋拉杆如很长,为了安装方便可分段制作拉杆,钢筋接头可采用对焊、搭接焊等方法进行连接。电焊要符合《JGJ18—2012 钢筋焊接及验收规范》的有关规定:例如,搭接焊的焊接长度为30d(d为钢筋直径),且接头长度不宜小于300mm。钢筋连接也可采用帮焊方法,帮焊长度按《GB50628-2010 钢筋混凝土工程施工质量验收规范》有关要求:采用2根帮条4条焊缝,帮条长不小于4d,焊缝高不小于7~8mm,焊缝宽不小于16mm。
3)若采用2根(或3根)并排钢筋做拉杆时,应间隔2~3m点焊一点,焊接长度按搭接焊要求执行。
4)对于10m以上锚杆,为了使拉杆安置在钻孔中心,确保钢筋保护层厚度,应沿杆体轴线方向每隔1~2m设置一个对中支架(或撑筋环),支架外径比锚孔直径小10mm左右。为使拉杆插入时不刮孔壁的土体,土层锚杆的拉杆底端可焊锥形挡土板或圆弧形锚靴。
5)注浆管以及排气管应与拉杆依一定间隔捆扎在一起,以便同时下入。
6)拉杆自由段应用塑料布或塑料管包裹,与锚固体连接处应采用铅丝绑牢。整个拉杆亦应按防腐要求进行防腐处理。
7)若用精轧螺纹钢筋(45SiMnV)的出厂产品,其钢筋之间可用配套螺帽连接,不用焊接。
(2)对二次高压注浆施工的锚杆组装要求
采用二次高压注浆施工的锚杆,拉杆的组装还应符合下述规定:
1)组装拉杆时,应同时安放两根注浆管,并设置止浆密封装置,如图5-17所示。
图5-17 二次高压注浆拉杆组装图
2)止浆器应设置在自由段与锚固段的分界处,并具有良好的密封性能。宜用密封袋做止浆器,其两端应牢固绑扎在拉杆杆体上,且被密封袋包裹的一次注浆管应至少留有一个出浆小孔,也可以用海带或橡胶塞等作为止浆器。
3)第一次灌浆用注浆管的底端,距拉杆底端0.2m左右,且管底出口处用黑胶布等封住,以防下入时孔壁土进入管口堵塞。
4)第二次灌浆用注浆管的管端,应距离锚拉杆末端0.8m左右,管底出口处亦用黑胶布封住,且从注浆管端50cm处开始向上每隔2m左右做出1m长的花管,花管的孔眼直径8mm,每段5~10个孔眼,花管做几段视锚固段长度而定。花管在第一次注浆时起到排气作用第二次注浆时,就从花管的孔眼向锚固体喷射高压水泥浆。组装好的拉杆(包括注浆管)应在钻孔结束后立即放入孔内。安放时,应防止杆体扭压、弯曲,并确保拉杆处于钻孔中心位置。拉杆插入孔内深度,不应小于锚杆长度的95%,注浆管头部距孔底宜为50~100mm。杆体安放后不得任意敲击,也不得悬挂重物。对于用凿岩机钻进的小直径岩石锚杆,可以在灌入水泥砂浆后,再插入钢拉杆。
3.锚杆布设
锚杆布设包括锚杆埋置深度、锚杆层数、锚杆的垂直间距和水平间距、锚杆的倾斜角、锚杆的长度、钻孔直径等。
(1)锚杆的埋置深度
应保证不使锚杆引起地面隆起和地面不出现地基的剪切破坏,最上层锚杆的上面需要有一定的覆土厚度,一般覆土厚度不小于4~5m。
(2)锚杆的层数和间距
应通过计算确定,一般上下层间距为2~5m,锚杆的水平间距多为1~4.5m,为锚固体直径的10倍。
(3)锚杆的倾角
为了受力和灌浆施工方便,不宜小于12.5°,一般与水平成15°~25°倾斜角。
(4)锚杆的长度
根据需要而定,一般要求超过挡墙支护背后的主动岩土压力区或已有滑动面,并需在稳定地层中具有足够的有效锚固长度。通常长度为15~25m,单杆锚杆最大长度不超过30m,锚固体长度一般为5~7m,有效锚固长度不小于4m。在饱和软黏土中锚杆固定段长度以20m左右合适。
(5)锚杆钻孔直径
一般为90~130mm。用地质钻机也可达146mm用风动凿岩机钻孔,最大直径为50mm左右。
锚杆设置时应注意以下几点:
1)岩土层锚杆的允许拉力与岩土层的性质关系很大,在硬岩土层内最大拉力可达1500kN,在一般黏性土或非黏性土中,单锚拉力约为300~600kN,因此锚杆的锚固层应尽量设置在良好的岩土层内。
2)锚杆设置前,应对地基层的构成、岩土的性质、地下水情况进行详细勘察,不允许将锚固层设置在有机土层或液性指数IL<0.9或液限ωL>50%的黏土地基,或相对密度Dr<0.3的松散地层内。
3)在允许情况下,尽可能采用群锚,避免使用单根锚杆。
4)各个部分的锚杆都不得密接或交叉设置。
5)锚杆要避开邻近的地下构筑物和管道以及其他障碍物。
6)岩土层锚杆非锚固段部分,要保证不与周围岩土体黏结,并适当隔离,以便当岩土滑动时,能够自由伸长,有利于锚固力均匀地传给锚固段,而不影响锚杆的承载能力。
7)在有腐蚀性介质作用的岩土层内,锚杆应进行防腐。
4.土层锚杆的施工
(1)施工准备
1)根据地质勘查报告,摸清工程区域地质水文情况,为规划设置土层锚杆提供科学依据,同时查明锚杆设计位置的地下障碍物情况以及钻孔、排水对邻近建(构)筑物的影响。
2)编制施工组织设计,根据工程结构,地质、水文情况及施工机具、场地、技术条件制定施工方案,进行施工部署及平面布置,划分区段选定并准备钻孔机具及配套和材料加工设备委托安排锚杆及零件制作进行技术培训提出保证质量、安全和节约的技术措施。
3)按设计地面标高进行场地平整,拆迁施工区域内的报废建(构)筑物、水、电、通信线路,挖除工程部位地面以下3m内的地下障碍物。
4)开挖边坡,按锚杆尺寸进行钻孔、穿筋、灌浆、张拉、锚锭等工艺试验,并做抗拔试验,检验锚杆质量,以取得必要的技术数据。
5)在施工区域内设置临时设施,修建施工便道及排水沟,安装临时水电线路,搭设钻机平台,将施工机具设备运进现场并安装维修试运转,检查机械、钻具、工具等是否完好齐全。
6)进行技术交底,搞清锚杆排数、孔位高低、孔距、孔深、锚杆及锚固件形式,清点锚杆及锚固件数量。
7)进行施工放线,定出挡土墙、桩基线和各个锚杆孔的孔位,锚杆的倾斜角。
8)做好钻杆用钢筋、水泥、砂子等的备料工作,并将使用的水泥、砂子按设计规定配合比做砂浆强度试验。锚杆对焊或帮条焊应做焊接强度试验,验证能否满足设计要求。
(2)施工程序
土层锚杆施工程序为(水作业钻进法):土方开挖→测量、放线定位→钻机就位→接钻杆→校正孔位→调整角度→打开水源→钻孔→提出内钻杆→冲洗→钻至设计深度→反复提内钻杆→插钢筋(或钢绞线)→压力灌浆→养护→裸露主筋防锈→上横梁(或预应力锚件)→焊锚具→张拉(仅用于预应力锚杆)→锚头(锚具)锁定。
土层锚杆干作业施工程序与水作业钻进法基本相同,只是钻孔中不用水冲洗泥渣成孔,而是干法使土体顺螺杆挑出孔外成孔。
(二)锚索制作方法
1.锚索的结构
锚索的结构如图5-18所示。一束锚索主要由以下几部分组成:钢绞线(或钢丝)、定位支撑环、限位器(或内锚头)。
图5-18 锚索结构示意图
(1)钢绞线
钢绞线是锚索的主体部分,它承受全部拉力,一束锚索根据设计承载力的大小,由一定直径的几根钢绞线组合而成,钢绞线的规格如表5-6所示。
表5-6 钢绞线基本参数表
注:未注括号直径为《GB/T5224—2003预应力混凝土用钢绞线》,注括号直径为GB5224—1985标准。
(2)定位支撑环
用来分隔支撑钢绞线和注浆管,应根据孔径和钢绞线根数制作。
(3)内锚头
抵抗张拉力,将力传递给锚固段岩体。图5-19所示为锚索与胀壳式锚头组装示意图。
图5-19 锚索与胀壳式锚头组装示意图
2.锚索施工流程
锚索制作→锚索安装→注浆→张拉→锁定→补浆→封锚。
3.锚索的制作及要求
应按设计孔深要求并预留张拉段,按尺寸下料、平放、安装、定位支撑环等。
(1)材料及检验
1)预应力钢绞线进场时,应按现行国家标准《(GB/T5224—2003)预应力混凝土用钢绞线》等的规定抽取试件做力学性能检验,其质量必须符合有关标准的规定。①检查数量。按进场的批次和产品的抽样检验方案确定。②检验方法。检查产品合格证、出厂检验报告和进场复验报告。
2)无黏结预应力钢绞线的涂包质量应符合无黏结预应力钢绞线标准的规定。①检查数量。每60t为一批,每批抽取一组试件。②检验方法。观察:无黏结预应力钢绞线护套应光滑、无裂缝,无明显褶皱。检查:产品合格证、出厂检验报告和进场复验报告。
(2)锚索下料
钢绞线下料长度应符合锚索的设计尺寸及张拉工艺操作需要。计算公式如下:
L=s+h (5-3)
式中:L为钢绞线下料长度(m)s为实测孔深长度(m)h为锚垫板外钢绞线使用长度,包括工作锚板、限位板、工具锚板的厚度、张拉千斤顶长度和工具锚板外必要的安全长度之和(m)。
钢绞线必须采用切割机下料,严禁使用电弧或乙炔焰切割。雷雨时不应进行室外作业。
设计长度相同的锚索,其钢绞线下料长度应相同,其长度误差不应大于±10mm。
(3)锚索制作
1)编束前对钢绞线进行外观检查,要确保每根钢绞线顺直,不扭不叉,排列均匀,除锈除油污,对有死弯、机械损坏及锈坑处应剔除。编束时,严格按照设计图纸安装,保证锚索的“平、直、顺”。
2)锚索制作应在专用工作台上进行,应具有良好的防雨、防污染设施。
3)无黏结钢绞线编索前,应将锚固段及锚头FG套管剥去,使用清洗剂洗去油脂并套上止油护套,并对裸露钢绞线进行防护。
4)锚索根据设计结构进行制作,隔离架应按设计要求设置,其间距允许偏差50mm。
5)锚索编制中钢绞线应一端对齐,排列平顺,不得扭结,绑扎牢固,绑扎间距宜为2.0m。
6)导向帽应按设计要求制作,与索体连接应牢固可靠。
7)隔离架、导向帽和架线环应由钢、塑料或其他对杆体无害的材料组成,不得使用木质隔离架。
8)锚索制成后,经检验合格应签发合格证,并进行编号,挂标示牌,注明生产日期、使用部位、孔号。
合格锚索应按编号整齐、平顺地存放在距地面20cm以上的支架或垫木上,不得叠压存放。支架间距宜为1.0~1.5m,并进行临时防护。锚索存放场地应干燥、通风,不得接触硫化物、氯化物、亚硫酸盐、亚硝酸盐等有害物质,并应避免杂散电流。
4.锚索安装
(1)锚索安装有关要求
1)无黏结钢绞线若PE套管破损,必须修复合格后方能安装。
2)核对锚索编号与孔号一致,安装时利用锚索的重力,人工与机械结合,平顺缓缓推进,使之下滑到位,放后不得随意敲击,不得悬挂重物,注浆管与锚索一同放入钻孔。
3)施工现场待安装的锚索,应按序号顺直存放在距地面20cm以上的承索架(台)上,并采取必要的防污染措施。
4)锚索应一次放置到位,避免在安装过程中反复拖动索体。
5)锚索安装完毕后,应对外露钢绞线进行临时防护。
(2)安装机械式内锚头
(3)防腐处理
非锚固的无黏结部分,除锈,涂润滑油、沥青,外套塑料管、接头及端头处用防水胶带缠封,以免水及砂浆渗入。
第1章一般规定1. 当基坑开挖不能放坡时,可采用土层锚杆支护。2. 土层锚杆施工前,应确定基坑支护所承受的荷载、锚杆的布置、锚杆承载能力、锚杆稳定性、锚固段长度、直径和落杆直径等。第2章钻孔1.钻孔方法和机具的选择,应根据地质条件、设计要求、现场情况等因素确定。宜采用旋转式钻机。当在孔隙率大、含水量低的土层中钻孔时,可采用冲击式钻机时。当在呈非浸水状态的黏土、粉质黏土、砂土等土层中钻孔时,可采用旋转冲击式钻孔机。2. 钻孔应符合下列条件:A. 在注浆完成前,钻孔不得坍塌;B. 钻孔时不应采用膨润土循环泥浆护壁;C. 锚固段应进行局部扩孔,并应深至土体主动滑动面5 米以外;D.钻孔的垂直允许偏差不宜超过孔深的20%;第3章锚杆1.钢筋锚杆应除锈,并应作防腐处理。钢绞线锚杆锚固段的油脂应清除。2. 锚杆布置应符合下列要求:A. 最上层锚杆的锚固段的上覆土层厚度不应少于3 米;B. 锚杆上下层的间距宜为1.5~3.0 米,同层锚杆的间距宜为1.0~2.5 米;C. 斜锚杆的倾角宜为15°~45°。3. 锚杆安装应符合下列要求:A. 锚杆应安置于钻孔中心;B. 在锚杆表面上应设置定位器。定位器的间距,在锚固段宜为2 米,在自由段宜为2.5~3.0 米。4. 根据基坑土的性质、开挖深度等,可对锚杆施加预应力,其数值宜为设计荷载的70%~80% 。第4章注浆1. 土层锚杆注浆可采用水泥浆或水泥砂浆。水泥宜采用普通硅酸盐水泥。当地下水有腐蚀性时,应在水质化验后,确定注浆材料。 2. 水泥浆的水灰比宜为0.45~0.5;水泥砂浆的灰砂比宜为1:0.5~1:1;水泥浆宜掺加0.3%的木质素磺酸钙外加剂。 3. 锚固段注浆必须饱满密实。宜采用二次注浆,注浆压力宜大于2MPA。 4. 注浆管制作应符合下列要求:A. 当采用一次注浆时,注浆管长度应比锚杆长度长500 毫米;当采用二次注浆时,二次注浆管长度应比一次注浆管长度短500 毫米; B. 注浆管接头宜采用外缩节,注浆管与锚杆应固定; C. 注浆管管口1.0~1.5 米长度内宜作成梅花管,其孔眼间距宜为100~120 毫米。 第5章 张拉锚固 1. 当土层内锚固段的浆液达到设计强度后,土层锚杆方可张拉固定。 2. 锚杆应进行抗拉性能试验,其数量宜为总数的2%,且不应少于2 根。 3. 锚杆进行抗拉性能抽检时,加载宜按设计荷载的25%、50%、75%、100%、120%依次进行,直至达到极限荷载。 第6章 工程验收 1. 土层锚杆施工后,应进行验收试验,验收试验的锚杆数量不应少于锚杆总数的5%,且不应少于3 根。 2. 土层锚杆验收试验设备,宜采用传心式千斤顶。 3. 进行土层锚杆验收试验时,加载宜按设计荷载的25%、50%、75%、100%、120% 依次进行。
通常锚杆的成孔是锚固工程中费用最高和控制工期的作业,因而也是影响锚固工程经济效益的主要因素。
锚杆的成孔应满足设计要求的孔径、长度和倾向,采用适宜的钻孔方法确保精度,使其后续杆体插入和注浆作业能顺利进行。
1.一般要求
1)在钻孔过程中,对锚固区段的位置和岩土分层厚度进行验证,如计划锚固地层过分软弱,则要采取注浆加固或变更锚固地层。
2)根据不同的岩土条件,应选用不同的钻机和钻孔方法,以保证在杆体插入和注浆过程中孔壁不至于塌陷钻机直径符合设计要求,以使孔壁不至于过分扰动。
3)钻孔以清水为好,膨润土悬浊液和泥浆水都会减弱锚杆的锚固力,应避免使用。钻孔用水对周边地基和锚固地层地基有不良影响时,应考虑无水钻孔法。
4)锚固长度区段内的孔壁呈沉渣或粘土附着,会使锚杆锚固力下降,因此,要求清水充分清洗孔壁。
5)施工过程中若有地下水从钻孔内流出,必要时采取注浆堵水,以防止锚固段浆液流出而影响锚杆的锚固力。
6)可采用透水试验或从钻孔送入水的回流情况判断地层的透水强度。
7)对于滑坡整治和斜坡稳定等工程,钻孔水会产生不良影响,可采用固结灌浆以改良地层,或采用无水钻孔法。
2.钻孔精度
钻孔精度视结构物的重要程度和使用目的不同而有所不同,钴孔过程中,应经常检查钻孔的准直度,一般偏离钻孔轴线的误差为钻孔长度的2%。
我国工程建设标准化协会编制的《土层锚杆设计与施工规范CECS-90)》规定:
1)钻孔水平方向孔距误差不应大于50mm,垂直方向孔距误差不应大于100mm
2)钻孔底部的偏斜尺度不应大于锚杆长度的3%。
国际预应力混凝土协会(FIP)编制的《注浆锚杆规范(1982年)》提出的钻孔精度如下:
1)钻孔入口点的允许误差为±75mm
2)钻孔入口点与轴线的倾角、水平角的允许误差为±2.5°以下
3)锚杆孔任何长度上偏离轴线的允许误差不大于锚杆长度的1/30。
3.钻孔机械
国内常用锚杆钻机的类型及主要性能参数见表5-1。
表5-1 国内常用锚杆钻机的主要性能参数
4.钻孔方法
在锚固工程中所钻进的岩土体绝大部分为软弱土层和复杂破碎或坚硬不稳固地层,常常是在一个钻孔中出现几种岩土层,因此,锚固工程施工成孔工艺较为复杂,往往采用综合性成孔方法。目前常用的钻进方法除常规正循环回转钻进外,大量使用的是长螺旋回转钻进、长螺旋冲击回转钻进、风动冲击器冲击回转钻进、跟套管长螺旋回转钻进、跟管冲击回转钻进、冲击挤密钻进和反循环冲击回转钻进等钻进方法。在软土地层中,由于冲洗液循环时对孔壁的渗透作用,削弱了地层的抗剪强度,不利于锚杆的承载能力,而在硬岩石斜孔钻进时,采用硬质合金钻头破碎岩石,效率低而成本增加,采用金刚石钻头破碎岩石时钻头寿命短,易产生偏斜,且成本高,所以,正循环回转钻进在锚固工程施工中不提倡使用。这里介绍其他的钻进成孔方法。
(1)长螺旋回转钻进
长螺旋回转钻进不使用冲洗介质,是在各类土层中成孔的优选方法。钻进中土屑沿螺旋叶片在惯性离心力和向上推力作用下返出孔口。这种方法钻进效率高,最高可达20m/h,操作简单,要求设备功率低,转速控制在50~80r/min之间,给进压力小,深孔时利用钻具回转力和自身重力即可钻进。无污染、噪音小,是城市深基坑支护中土层锚杆施工成孔的主要方法。
(2)长螺旋冲击回转钻进
长螺旋冲击回转钻进是在土层中含有块石、碎石或破碎的岩层中使用的成孔方法。它是将风动冲击器安装在长螺旋钻杆的前端,利用风动冲击器破碎孔内硬岩块,而用螺旋叶片排除岩土屑。由于在土层中夹块石、碎石时螺旋钻进效率极低,且易发生孔内事故,而冲击回转钻进时地层破碎而风量漏失后,上返气流减少,携带岩粉屑能力降低,易造成埋钻事故。将两种方法结合起来,解决了硬岩破碎困难和排粉困难的双重问题,由此提高成孔效率和施工质量。此种方法的技术参数只要满足风动冲击回转钻进的要求,就能满足钻进成孔的需要。为防止叶片在软硬不均的地层中卡钻,在软地层前部,当硬岩层和软地层厚度超过单根螺旋钻杆长度时,慎用此法。
(3)冲击回转钻进
在锚固工程施工中,多采用气动冲击回转钻进方法。冲击回转钻进的主要优点是在硬岩层中成孔效率高,质量好,钻孔偏斜小,成孔后洗孔时间短,施工工期容易保证。冲击回转钻进的主要技术参数是风动冲击器所需要的风压、风量和转数,给进压力控制在10kN左右。钻进过程中经常进行强力排粉,以达到孔内安全。所选用的风动冲击器可根据设计的钻孔直径选择。
(4)冲击回转挤密钻进
冲击回转挤密钻进方法主要是在软弱土层中为了提高锚杆的承载能力,减小坍塌和孔内残留钻渣而使用的一种新型成孔方法。将冲击器安装在钻杆底部,冲击器装有特殊形状的挤密钻头。钻进时利用冲击器的冲击力将钻头击入土层中,同时钻机的给进力推动钻头压入土层之中,并且在钻机回转力的作用下钻头转动一定角度对土层作剪切破碎,产生的土屑被冲击力、给进压力双重作用挤到孔壁之中,并使土层结构破坏,排挤土颗粒间的结合水、孔隙水,土颗粒重新排列而密实,内聚力增加,抗剪强度增大,因此,增加了锚固体与土层的黏结力和摩擦阻力、增大锚杆的承载能力。
冲击回转挤密钻进方法的优点是在钻进中无岩屑,无污染,钻进效率高,成孔质量好,纯钻进时间利用率可达70%~80%。对于不同土层可适当调整给进压力,钻进过程中不需反复提拉钻具。冲击回转挤密钻具结构如图5-8所示。
图5-8 冲击回转挤密钻具结构示意图
(5)跟套管冲击回转钻进
跟套管冲击回转钻进成孔有3种方式:双动力头跟管钻进、偏心钻头跟管钻进和冲击器跟管钻进。在双动力头跟管钻进时,地层为软土或含碎石较小、较少时,小径钻具可用长螺旋钻具在硬岩层或含岩块较大、较多时,多用冲击回转钻具作为超前小径钻具。这里主要以冲击回转钻进为主进行介绍。
1)双动力头跟管钻进:利用钻机上的前动力头和后动力头同时回转,同步进行跟套管护壁,套管内小径钻具破碎孔内岩土体,当钻进至稳定的岩土层时,后动力头停止转动,并不再接套管,利用小一级冲击回转钻具钻进至设计孔深,提出钻具,下入锚拉杆后,起拔套管或边灌浆边起拔套管。双动力头跟管钻进的钻具结构如图5-9所示。在双动力头跟管钻进时必须注意:①套管必须是左螺纹连接,套管长度必须与单根钻杆长度相匹配。②前动力头和后动力头的转数要匹配,前动力头为正向转动,而后动力头为反向回转,两者不同转数过多时,易将套管螺纹反脱扣而造成孔内事故。③给进速度要同步,不然会造成小径冲击器空打或套管底部硬质合金钻头过早磨损。④套管最好选用内平式连接,底部钻头的内出刃应小于0.5mm或无内出刃,以免刮伤冲击器。
图5-9 双动力头跟套管钻进的钻具结构示意图
2)偏心钻头跟套管钻进:这是一种用偏心钻头代替冲击器下部的球齿型硬质合金钻头,在含碎石、卵砾石及破碎的硬岩层中钻进成孔,代替双动力头跟套管钻进成孔方法。潜孔锤跟管钻进充分利用了风动冲击潜孔锤高效率冲击破碎岩石的优势,在高效率碎岩钻进的同时,同步跟入套管保护钻孔孔壁,利用套管的刚性导向作用还可以抑制钻孔弯曲,保证钻孔的直线度。其工作原理是:钻进时偏心式钻具通过套管内孔中进入套管靴位置,当中心钻具正转时,偏心钻头在套管靴前顺着回转方向偏心张开,在潜孔锤驱动下钻头钻出比套管外径大的钻孔。冲击力同时还作用在套管底部的套管靴上,带动套管与内部的小径冲击回转钻具同步前进,套管不回转,冲击器边冲击边回转,在破碎孔底岩土层的同时,用冲击力带动套管一起进入孔内。此种方法只要有单动力头钻机即可,且偏心钻头只伸出套管靴底部150~200mm,不容易发生卡钻事故。需要提出中心钻具时,只要使中心钻具反向扭转一定角度,偏心钻头便可以收拢,然后从套管内孔中提出。当到稳定地层后,提出小径钻具,将偏心钻头更换成普通钻头,继续钻进完成设计孔深,安装好锚拉杆后,方可起拔套管。偏心钻头跟管钻具结构如图5-10所示。所用偏心钻头结构如图5-11所示。导正花键轴一端的花键直接与潜孔冲击器相连接,另一端的偏心孔与偏心钻头相配接,配接后的偏心钻头可绕导向花键轴上的偏心孔转动一定角度,转动位置分别为偏心钻头的张开和收拢状态。偏心钻头跟管钻进时应注意:①组装钻具前必须仔细检查偏心块的活动程度、销钉的完好度和轴的润滑度。②套管必须采用左螺旋联结,且内平。套管靴与钻头外径是否匹配合理,能否使钻具顺利通过。③套管长度与单根钻杆长度必须匹配,便于拧卸钻具,增加纯钻进时间。④小径钻具下入套管内,钻头到达套管靴部位时,用人工反转将钻头伸出套管靴到孔底,避免使用机械回转。提升小径钻具前必须强风排渣,用人工反转小径钻具,边转边提,禁止用机械反转回转,防止将套管一起转动或螺纹脱扣。⑤套管在下入锚拉杆后起拔,可以在灌浆前起拔,或边灌浆边起拔。一般孔壁不稳定地段为锚杆自由段,灌浆前起拔套管对锚杆承载能力影响不大。⑥选择的套管应具有足够的强度,最好用高频淬火后的套管。
图5-10 偏心钻头跟管钻具结构示意图
图5-11 偏心钻头结构
3)冲击器跟管钻进:在无双动力头钻机和偏心钻头的情况下,可以采用双套冲击器联合使用进行跟管钻进。这种方法适合于含碎石、块石较小和较少的土层、松散的砂层、小砾石层和破碎带地层使用。冲击器跟管钻进的钻具结构如图5-12所示。冲击器跟管钻进的操作较为复杂。首先将冲击器与动力头和套管连接,用冲击器将套管打入地层进行开孔,当套管打入困难时,去掉冲击器和套管接头,下入小径冲击器钻具,将套管内的岩屑全部排出后继续钻进3~5m当排出岩渣困难时,将钻具提升到套管底部0.2~0.3m位置,去掉超出套管上头的钻杆,并且用丝堵封闭钻杆头,将套管接头、冲击器接于动力头上,送高压空气给进,将套管击入到已有小孔的地层中同样当套管击入困难时,去掉冲击器及接头,连接钻杆,用小径钻具将套管内岩土屑排出后,继续钻进,反复上述工序,至稳定岩土层后,用小径钻具钻至设计孔深,提出钻具,下入锚拉杆,起拔套管。冲击器跟管钻进时要注意:①套管应采用厚壁,且强度要大,左螺纹联结的内平式套管。②套管击入时不能强力打击,当进入困难时,可用人工转动一个角度或进行排渣及超前钻孔。③钻具在击入套管时必须提至套管内,防止套管切削下的岩土屑埋住冲击器而发生孔内事故。④套管上部钻杆拧卸后,钻杆头必须封闭,以免脏物进入钻杆内腔,堵塞冲击器而无法工作。⑤超前钻具钻进时不宜过长,防止埋钻。
图5-12 冲击器跟管钻进的钻具结构示意图
5.锚杆孔的扩孔方法
为了增大锚杆的承载力,有时需要对钻孔深处的端部进行扩孔处理。可通过专门的扩孔机具或在孔内放入少量炸药进行扩孔,扩孔的方法有:机械扩孔、爆炸扩孔、水力扩孔和压浆扩孔。
(1)机械扩孔
机械扩孔需用专门的扩孔装置。该扩孔装置是将一种扩张式刀具置于一鱼雷形装置中,这种扩张式刀具能通过机械方法随着鱼雷式装置缓慢地旋转而逐渐张开,直到所有切刀都完全张开完成扩孔为止。如英国Fondedile公司生产的一种专门用于粘土层的扩孔设备,该设备能在钻孔中同时形成几个扩大的铃状体。该机械由一系列铰刀组成,操作时铰刀能连续开启,在孔中形成与扩孔点数量相同的串联四边形。与此同时,被铰刀切削下来的破碎物料则通过冲洗水带至钻孔表面。
我国台湾卢锡焕先生发明的保壮PCBA扩孔地锚,已在很多工程中应用,并积累了丰富的经验,该扩大头锚杆的构造如图5-13所示。
机械扩孔方法适用于密实土和粘土的扩孔作业。
(2)爆炸扩孔
爆炸扩孔是把计算好的炸药放入钻孔内引爆,把土向四周挤压形成球形扩大头。此法一般适用于砂性土。对粘性土,爆炸扩孔扰动大,易使土液化,有时反而使承载力降低。即使用于砂性土,也要防止扩孔塌落。爆炸扩孔在钻孔灌注桩施工中已有成熟的经验,但在锚杆施工中我国尚缺乏完整的经验,在城市中采用要慎重。
(3)水力扩孔
水力扩孔在我国已成功地用于土层锚杆施工,用水力扩孔,当土层锚杆钻进锚固段时,换上水力扩孔钻头,它是将合金钻头的头端封住,只在中央留一直径为10mm的小孔,而在钻头侧面按120°,与中心轴线夹角为45°开设三个直径为10mm的射水孔。水力扩孔时,保持射水压力为0.5~1.5MPa,钻进速度为0.5m/min,用改装过的直径为150mm的合金钻头即可将钻孔扩大为直径200~300mm,如果钻进速度再减小,钻机直径还可以增大。
图5-13 扩大头锚杆的构造
在饱和软粘土地区用水力扩孔,如果孔内水位低,由于淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土本身呈软塑或流塑状态,易出现缩颈现象,甚至会出现卡钻,使钻杆提不出来。如果孔内保持必要的水位,钻孔则不会产生塌孔。
压浆扩孔在国外广泛采用,但需用堵浆设施,我国多采用二次灌浆法来达到扩大锚固段直径的目的。
一般设置为一桩一锚或两桩一锚(水平间距);锚索竖向间距可根据岩层或周围建筑物对变性的要求、地面超载决定;一般土层竖向间距为2-4m,岩层3-4m。
锚杆的水平间距不宜小于1.5m,当锚杆的间距小于1.5m时,应根据群锚效应对锚杆抗拔承载力进行折减或相邻锚杆应取不同的倾角;多层锚杆,其竖向间距不宜小于2.0m;锚索一般设置在桩间,因为如果设置在桩上,则锚索钻孔可能碰到桩主筋。
基本情况
锚杆支护是通过围岩内部的锚杆改变围岩本身的力学状态,在巷道周围形成一个整体而又稳定的岩石带,利用锚杆与围岩共同作用,达到维护巷道稳定的目的。
锚杆的力学作用主要有悬吊作用 、组合梁作用 、 组合拱作用、减跨作用 、加固作用。锚杆不但支护效果好,且用料省、施工简单、有利于机械化操作、施工速度快。但是锚杆不能封闭围岩,防止围岩风化;不能防止各锚杆之间裂隙岩石的剥落。
以上内容参考:百度百科-锚杆支护
层锚杆的施工过程包括成孔、安放拉杆、灌浆和张拉锁定等工序。
①成孔土层锚杆的成孔可采用螺旋式钻孔机、旋转冲击式钻孔机和冲击式钻孔机。应用较多的是压水钻进法成孔工艺。它可把成孔过程中的钻进、出渣、清孔等工序一次完成。当土层无地下水时,亦可用螺旋钻干作业法成孔。
②安放拉杆 拉杆在使用前要除锈,钢绞线要清除油脂。土层锚杆的全长一般在10m以上,长的达到30m。
③灌浆 是土层锚杆施工中的一个关键工序。锚杆灌浆一般用纯水泥浆,水泥常用普通硅酸盐水泥,地下水如有腐蚀性,宜用防酸水泥。水灰比多用0.4左右,其流动度要适合泵送,为防止泌水、干缩和降低水灰比,可掺加0.3%的木质素磺酸钙。常用的灌浆方法为一次灌浆法,即利用压浆泵将水泥浆经胶管压人拉杆内,再由拉杆管端注入锚孔,灌浆压力为0.4MPa。待浆液流出孔口时,用水泥袋纸塞人孔内,用湿粘土堵塞孔口,严密捣实,再以 400~600kPa的压力进行补灌,稳压数分钟即告完成。
④张拉和锁定 土层锚杆灌浆后,预应力锚杆还需张拉锁定。张拉锁定作业在锚固体及台座的混凝土强度达15MPa以上时进行。