端头扩大型土层锚杆在砂质风化岩中的施工技术
【摘要】抗浮锚杆的锚固强度作为建筑工程结构安全的重要指标, 而选用端头扩大型土层锚杆技术（以下称扩头锚杆）,有利于解决普通锚杆在深岩区域嵌岩困难、同长度锚杆在砂土层锚固力不能满足设计要求的疑难问题。本文主要介绍扩头锚杆在广州市萝岗区某项目的应用情况，以及施工过程中遇到技术难题的解决措施。
1. 工程概况
1.1 现场概况
某工程南区占地约12万平方米，开挖面积约8.6万平方米，深度9.9米，基坑边长约1600m。根据勘察报告和现场开挖的情况看，局部位置开挖至设计标高后，仍有淤泥、淤泥质土、松散砂或松散粉质粘土等软弱地基，达不到设计要求的地基承载力，已采取碎石换填的方法进行处理。
1.2 地层岩性
地下部岩土大体可分11层，依次为人工填土层，粉质粘土，粘土层，细砂，淤泥质土，粗砂，砂质粘性土，全风化花岗岩，强风化花岗岩，中等风化花岗岩及微风化花岗岩，场地孤石发育，孤石一般分布于残积土、全风化层、强风化层中，孤石线高度为0.2～3.9m不等。
岩土体工程地质分层表
定名 素填土 人工 填石 杂填土 粉质粘土 冲洪积 粘土 细砂 第四系 淤积 淤泥质土 Q 冲淤积 含淤泥粗砂 细砂 粗砂 冲洪积 粉质粘土 粉质粘土 坡积 粉质粘土
时代 成因 状态 分布特点 松散 除北区北侧丘坡和东侧地段外绝大地段有分布 松散 主要分布在北区东侧地段 松散 分布在南侧西北角地段 可塑 主要分布在北区西侧及南区东北、西北侧地段 可塑 南区的东北侧和西北侧地势低缓地段 稍密 仅钻孔SS12揭露 流塑 分布于南区东侧和西北侧等地形低缓地段 松散 零星在南区东侧域地形低缓地段分布 中密 分布在北区西侧和南区地形低缓地段 中密 分布在北区西侧和南区地形低缓地段 可塑 分布在北区西侧和南区地形低缓地段 软塑 仅钻孔SS41揭露 硬塑 场地除北区东侧外大部分地段有分布 1
粉质粘土 可塑 砂质粘性土 硬塑 残积 砂质粘性土 可塑 全风化 燕山二期 强风化 岩浆岩 花岗岩 ηγ2(2)中等风化 5 微风化 1.3 设计方案
场地部分地势低缓地段有分布 场地除北区东侧外绝大部分地段有分布 场地地势低缓地段局部分布 场地除北区东侧外绝大部分地段有分布 场地除北区东侧外绝大部分地段有分布 场地局部地段有分布 场地均有分布 根据本工程岩土勘察报告，锚杆分为两类型，一类锚杆为普通锚杆即非扩大头岩石锚杆，另一类是为了提高锚杆抗拔力，减少锚杆锚固段长度，降低成本而在土层范围设计成高压旋喷扩大头土层锚杆。
图1
扩头锚杆技术参数图
2. 施工难点与技术重点
1）碎石换填层极易出现塌孔，堵塞已钻孔完毕锚杆孔，造成下锚困难；
2）高压旋旋喷扩大头土层锚杆的扩大头直径难以保证，主要原因是残积砂质粘性土、全风化花岗岩等土层在遇水容易崩解或软化。
3）场地孤石发育，分布于残积土~强风化层中，孤石直径大小不等，在钻孔时，如遇孤
2
石，高压旋喷钻机不能继续钻孔，达不到设计要求的扩大头尺寸。
针对以上施工难点，本工程的技术重点偏向于克服成孔下锚困难及保证入岩深度或扩头质量。
3. 扩大头锚杆的直径试验及拉拔试验
1）直径试验
为实现高压旋喷钻头土层按设计要求扩孔，我监理部提出：扩孔压力在30MPa条件下，进行了扩孔注浆试验。
试验条件：试验土层为粉质粘土、扩孔深度2.5米、清水扩孔、扩孔压力30MPa、扩孔完毕注入水泥浆（水灰比为0.45）；
图2 试验扩孔压力和扩大头直径图
试验结果：在深度为2.5米的粘土环境中，扩孔压力达到30Mpa的扩大头部分超过设计文件要求的500mm直径。
2）拉拔试验
根据地质资料，设计单位现场拟定四个代表点，并提供了相关的技术参数，施工单位根据设计要求在代表点进行锚杆施工，作为扩头试验锚杆；试验锚施工过程顺利，杆体达到龄期后对试验锚进行拉拔试验，结果抗拔力满足要求；
4、大面积施工遇到的困难及解决办法
扩大头段直径试验和承载力试验都满足设计要求，现场决定大面积施工。随之而来的是意料之外的问题，并非如试验锚施工时顺利，实际地下土质情况比想象中复杂，可溶性砂质土分布不均匀、孤石密度较大、换填层未碎石层，成孔、下锚、注浆都存在一定困难、高压旋旋喷扩大头土层锚杆的扩大头直径难以保证。在钻孔时，如遇孤石，高压旋喷钻机不能继续钻孔。
3
a) 塌孔解决办法
地基处理时，设计单位确定为满足地基承载力要求，本工程部分采用级配碎石换填垫层法对软弱土和中软土进行加固处理。
图3
级配碎石换填垫层法加固处理现场图
然而在锚杆施工过程中，锚杆在级配碎石层难以下锚，分析原因是由于级配碎石区区域在在钻机拔出后塌孔，造成锚杆孔堵塞。
针对本工程反复讨论施工流程，碎石换填区域采用套筒护壁是最优的选择。
图4
碎石层采用套筒护壁钻孔
在碎石换填区域采取钢套管跟钻成孔技术，先引孔，再下DN200的钢套管，然后再按常规工艺施工。对跟管深度不太深时，可根据现场情况使用双套管法进行施工，成孔后将内套管（DN160的PVC管）埋在孔中，外套管拔出。
b) 扩大头直径的保证措施
在施工完成前3根高压旋喷扩大头土层锚杆中，都采用两水一浆的施工工艺，为查看此工艺扩大头的质量，我们在其中两根锚杆500mm范围内对其四点对称抽芯。
4
图5
杆体旁抽芯图
在抽出的芯体发现，在扩大头位置的芯体浆体不连续，夹杂泥砂，甚至抽不到水泥芯体。经过专家分析，扩大头段在绝大部分区域处于强风化花岗岩，而强风化花岗岩遇水易崩解，也容易出现塌孔，造成扩大头直径不满足设计文件直径为500mm的要求。
经过反复商讨之后，我们决定直接用机械扩孔钻机500mm直径钻头扩孔，扩孔完成后立即换回高压旋喷钻机两次水泥浆再次扩孔。一方面，采用机械扩孔钻机可以保证扩大头500mm尺寸，并减小孔边土最大剪切应力，降低塌孔几率。另一方面，扩孔注浆所用的水灰比为0.5，在扩孔过程中，水泥浆向孔壁外的土层渗透，孔壁就会形成一层胶泥，具有护壁作用；同时将孔内外水截断，起到稳定孔内水压的作用；再者，较大比重的水泥浆能够有效地将钻渣排出，提高后续注浆质量。在第一次水泥浆扩孔之后立刻进行第二次水灰比0.5注浆补强扩孔护壁。
图6
机械扩孔钻机
在后期的施工对比中，此类锚杆注浆充盈系数回归正常。抽芯检测、抗拔力检测，没有出现不符合要求的锚杆。
5
c) 遇孤石处理
由于本场地孤石率达到57.3%，线孤石率达6.1%，在锚杆非扩大头段施工中，遇到孤石，这就给锚杆高压旋喷扩大锚杆施工造成麻烦。高压旋喷钻机在岩质坚硬的地质中不能继续钻孔。根据设计文件，本工程还有少量锚杆为类型一即普通岩石锚杆。这类型的锚杆钻孔是需要采用全自动液压化潜孔钻机。当高压旋喷钻机不能钻下的时候，换用全自动液压化潜孔钻机击穿孤石，最后在扩大头段换回高压旋喷钻机。
在实际施工过程中，发现有的孤石标高刚好在扩大头段处。高压旋喷钻机和机械扩孔钻机并不能让孤石、微风化花岗岩等岩质较硬的地质形成扩大头。那高压旋喷扩大头土层锚杆就没有扩大头或扩大头段长度不满足设计要求？为解决这个现场实际问题项目部积极与公司总工联系，经过计算分析，得出下列结论：
（1）孤石在扩孔段且直径小于1m：则先换潜孔钻机将孤石打穿再扩孔，孤石不计入扩孔段长度；
（2）孤石在扩孔段且直径大于1m：则先换潜孔钻机将孤石打穿再扩孔，击穿孤石段长度作为扩大头长度计算。
这种特殊情况的锚杆，即利用了普通岩石锚杆锚固段与土体之间的侧摩阻力，又利用了扩大头土层锚杆端面支撑力。
3）结语
根据项目施工、试验检测等情况，可以得到如下结论：高压旋喷扩大头土层锚杆在实际工程中，还存在一定局限性。在粘性土中，高压喷射扩孔法工艺成熟，能有效按设计要求对锚杆端部进行扩大头施工。而在遇水崩解或者遇水软化地质情况下，扩大头直径难以保证。在工程地质复杂情况下，普通岩石锚杆和高压喷射扩孔法同时运用，既承载力大幅度提高，又经济效益可观。
参考文献：
[1] 基坑工程手册第二版 刘国彬 王卫东主编 [S]北京：中国建筑工业出版社 2009 [2]泥岩遇水崩解软化机理的研究刘长武，陆士良 [S]《岩土力学》2000年第1期 [3] 高压喷射扩大头锚杆的设计与施工 曾庆义，邵孟新 [S]《建筑监督检测与造价》2008年第11期
6
