新型多节扩孔土钉护坡加固施工技术研究与应用*

程少东，郑玉鹏，刘 鑫，李超刚，张 伟，邱正清，王 尧，魏 磊，陈 华

(北京城建远东建设投资集团有限公司，北京 102209)

0 引言

土钉墙是一种原位土体加筋技术，是一种将土钉打入边坡，表面铺设1道钢筋网再喷射1层混凝土面层的边坡加固施工方法。在城市中进行市政管线施工时往往需要进行较长段落的开槽，土钉支护因其良好的经济性和护坡效果，目前广泛应用于基坑及边坡支护工程，其常见的施工方式有两种:一种是在土中先钻孔，成孔后插入带肋钢筋并在孔中注入水泥浆液，浆液硬化后将土钉体与周围土体牢固粘结构成一个整体；另一种是采用钢花管，可以直接打入基坑侧壁，打入后可以向管内注入水泥浆液，也可不注浆。第1种方法主要用于易成孔的黏性土体，而第2种方法主要用于易塌孔的砂性土体。但是市政地下管线复杂繁多，一方面采用常规土钉施工时容易造成周边管线破损，另一方面，留置在土体的土钉可能对后续施工的盾构机、顶管掘进机造成损伤。针对以上基坑支护土钉墙施工工艺存在的缺陷，本文以北京市五环路—上清桥疏堵改造工程为依托，结合工程实际和以往施工经验，提出了一种安全可靠、成本低廉、对地下环境影响小的基坑支护土钉墙施工技术——新型多节扩孔土钉加固施工技术。该技术以其在保证施工质量、提高施工效率、节约资源等方面的良好效果，为工程项目的顺利实施提供了保障。

1 工程概况

北京市五环路—上清桥疏堵改造工程需要拆除改造京藏高速清河收费站及其收费车道并对京藏高速主路及五环辅路加宽并进行地下管线改移(见图1)。工程改造起点位于科荟路南约1 400m位置,改造终点位于上清桥去往西五环匝道入口,改造范围全长2km。

图1 道路加宽断面Fig.1 Road widening section

其中，五环辅路加宽涉及电信、电力、雨水、污水、燃气等20多家权属单位的地下管线，尤其是加宽新旧路面放坡投影下正好存在现状污水主管，无法采用钢板桩、钢管桩、工字钢桩等型钢护壁措施。而加宽路接面内部存在多种地下管线，最近管线离新旧路交接面约5m,采用常规土钉墙支护势必造成现状市政管线破损。为保证工程顺利进行，项目技术人员需进行技术攻关，优化边坡加固结构，在保证墙体支护效果的同时，将土钉入土长度限制在5m以内。经过多次研究后初步确定了对土钉孔道结构进行改进，实现多节扩孔、增大拉拔抗力的技术方案。

2 新型多节扩孔土钉结构及技术原理

2.1 孔道挤阔装置

为保证土钉孔道节点扩大效果与施工的便利性，研发了一种孔道挤阔装置，如图2所示，装置端部挤阔头具有收缩和挤阔两种状态(见图3)，在其收缩状态下可伸入加筋杆件孔道(D=70～120mm)内部，挤阔头上部与杆件连接部位杆件可自由转动,挤阔头上部与杆件连接部位设有螺纹，通过装置旋转钢条带动芯杆旋转收缩使端部挤阔头转变为端部膨胀的挤阔状态(D=100～240mm)。

图2 孔道挤阔装置Fig.2 The aperture extrusion device

图3 孔道挤阔原理Fig.3 Principle of aperture squeezing

2.2 技术原理

多节扩孔土钉的设计灵感来源于公路桥涵挤扩支盘桩，通过分节局部扩大孔径的方式，有效提高土钉的抗拉拔性能。在杆件孔道成孔后，使用加筋杆件孔道挤阔器对孔道进行分节点扩孔，将传统土钉仅靠土体摩檫力抗拔加固的简单结构改进为土体摩擦力与节点抗拔承载力结合的异形土钉结构。在大大提高土钉抗拔力的情况下显著缩短土钉入土长度。通过注浆使加筋杆件成为兼具土体摩擦力、黏聚力和多端支承点的新型加筋杆件。这种新型结构改变了杆件周围土体的受力状态(见图4)，较大限度地释放了边坡土体的锚固潜力。

图4 土钉受力形式Fig.4 Force form of soil nails

3 新型多节扩孔土钉加固性能计算分析

3.1 性能分析理论

根据地勘报告,该工程设计雨水方沟开挖土层主要为0.5m厚人工填土、1.8m厚粉土、3.9m厚粉质黏土。选定粉质黏土层内布设土钉进行进一步分析，粉质黏土的内摩擦角φ一般为18°～25°(摩擦系数f为0.32～0.46)，黏聚力c一般为5～10kPa，极限粘结强度标准值为42kPa。

采用常规土钉时，依据JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》，土钉抗拔承载力可以按(1)式计算：

(1)

式中：Rk,j为第j层土钉的极限抗拔承载力标准值；qsik为第j层土钉在第i层极限粘结强度标准值，根据地质勘查报告取值，无地勘数据时可按表1进行取值；dj为成孔直径；li为第j层土钉插入第i层土的长度。

表1 土的极限粘结强度标准值Table 1 Standard value of ultimate bond strength of soil

当采用新型多节扩孔土钉加固施工技术时，目前行业内暂无完美契合的计算公式，不过恰巧在已有研究成果中，螺旋土钉抗拔承载力中单叶片情况计算时，计算模型将单叶片也视为一个扩大节点，两者受力机理相同，故可以采用单叶片土钉承载力公式代替单节点土钉承载力公式。北京建筑大学王毅娟研究分析单叶片土钉破坏机理并参照美国规范后提出：

Qc=Qbearing+Qshaft=AHCu1Nu+πdHeffαCu2

(2)

式中：Qc为极限承载力标准值；Qbearing为扩大节点极限承载力；Qshaft为钉身侧阻力；AH为扩大节点投影面积,这里取0.045m2(D=0.24m)；Cu1为土体承载力基本容许值，上清桥项目粉质黏土相应的土层地基承载力为180kPa；Nu为承载力因子，取值1.2(扩大节点埋深H/节点直径D),且不大于9；Heff为钉身有效长度，扩大节点埋深H减去节点直径D；αCu2为式(1)中的qsik，极限粘结强度标准值，根据地质勘查报告取值，无地勘数据时可按表1进行取值；d为成孔直径。

单叶片螺旋土钉与单节点扩大土钉构造如图5所示。

图5 单叶片螺旋土钉与单节点扩大土钉构造Fig.5 Structure of single blade spiral soil nail and single node expanded soil nail

3.2 新旧土钉性能对比分析

当土钉有效入土深度为5m时，孔径10cm，将数据代入式(1)求解得常规土钉抗拔极限承载力为65.94kN。扩孔直径24cm，且扩孔节点置于土钉末端时，将数据代入式(2)求解得单节点扩孔土钉抗拔极限承载力为135.67kN。故单节点的新型土钉抗拔承载力计算值约等于2倍同土质下等长普通土钉(d=10cm,D=24cm,L=5m)提供的摩擦阻力。多节扩孔土钉在土体中受力机理与承载性能较为复杂，简单分析土钉模型可知，挤扩节点的密度初期与土钉抗拔力有较强正相关性，当挤扩节点达到一定的密集程度，土钉挤扩节点的抗拔承载力权重将会大大减小，这时多节扩孔土钉可等效为螺旋土钉。2020年，美国工程师Pankaj Sharma正好做过相关研究，螺旋土钉抗拔能力在一定范围内随着螺旋数量和钉轴直径的增加而增加。不过螺旋数量递增带来的土钉抗拔能力增加呈边际效应递减，直至无关。这一点也可以与王毅娟在单叶片螺旋土钉的基础公式上修正多叶片螺旋土钉承载力公式时获得修正系数大于1的结果相印证。

所以对于同等抗拔承载力，采用常规截面土钉反算长度会明显长于新型土钉结构。所以在市政工程中，采用新型多节扩孔土钉在安全性和对周边环境友善度上具有显著优势，经验算更加适用于五环路上清桥项目工程实际边坡加固需求。当然以上数据仅为理论估算，对于多节扩孔土钉的承载力性能不再做过多分析，在工程实际中可进行土钉拉拔试验验证并获取更准确参数。

4 施工工艺流程及操作要点

4.1 施工工艺流程

施工工艺流程：开挖工作面，修整边坡→成孔→扩孔→插钉→注浆→绑扎、固定钢筋网→焊接加强筋→喷射混凝土面层。

施工中，可根据现场实际情况调整成孔与钢筋网绑扎的施工顺序。

4.2 操作要点

1)基坑或基槽应竖向逐层开挖，每层开挖深度为设计土钉位置下0.5m，基坑中部开挖应注意与分层作业区的开挖相协调。

2)按既定方案的纵横向间距尺寸布设土钉，进行成孔施工时注意土钉与水平面夹角。成孔采用洛阳铲或锚杆钻机，直径70～120mm。

3)成孔后使用加筋杆件孔道挤阔装置对孔道进行分节扩孔处理，扩孔节点间距宜为1～1.5m，据边坡坡面最近扩孔节点距离宜大于1m，挤阔空间直径宜为孔道直径的1.5～2.5倍。扩孔时同节点至少扩孔操作2次，且2次扩孔角度宜为22.5°左右，以保证扩孔效果，如图6所示。

图6 新型土钉节点扩孔示意Fig.6 A new type of soil nail node reaming

4)土钉制作 钢管应平直，除油、除锈，在钢筋加工场或现场制作完成，土钉应沿土钉长度方向间距2m设定位支架，并做强度检验。钢管钻设出浆孔，间距 7.5cm 交错布置。

5)土钉安放 扩孔完成后，可置入土钉。安放杆体时，应防止杆体的变形，注浆管随杆体一同放入。注浆管距孔底宜为 50～100mm。杆体插入孔的深度不得小于杆体的 95%。杆体放入后，不得随意敲击，不得悬挂重物。

6)土钉注浆至孔口溢浆(锚杆注浆超过其锚固长度)，初凝前应补浆2～3次至浆液饱满，注浆时间间隔过长应及时洗管。对孔口不实处应用填土或喷混凝土等方法塞实。注浆材料宜选用水泥浆，水泥浆的水灰比为0.5，强度等级不低于M20。采用重力方法注浆填孔。

7)注浆时应控制好注浆压力并间隔补浆，确保注入足够的水泥浆量，有效扩大土钉的成孔直径，这是扩孔土钉施工的关键。

8)注浆完成后，土钉主筋外露端部设弯钩并与面层内连接相邻土钉端部的通长加强筋相互焊接，铺设钢筋网，而后喷射厚度≥10cm面层混凝土，混凝土强度等级不宜低于C20。锚杆则锚固在外部护坡墙体上。新型土钉墙成形断面如图7所示。

图7 新型土钉墙成形断面Fig.7 New soil nail wall forming cross-sectional

5 技术应用效果

在北京市五环路—上清桥疏堵改造工程项目中，按照《建筑基坑支护技术规程》附录D要求进行新型多节扩孔土钉试验，验证抗拉拔承载力满足工况要求后，基坑边坡邻近地下雨污水管线的土层土钉长度均限制在5m范围内，使得地下管线改移及道路加宽工程顺利施工。整个工程边坡支护时间为47d，经测量监测无边坡位移现象发生，新型多节扩孔土钉加固施工技术取得了较好的效果。

2021年石景山区衙门口10号路(衙门口北路—衙门口1号路)道路工程也存在类似情况，该工程为现有城市道路改造工程，道路下方设计雨水管道总长1 639.1m，沟槽开挖深度2～5m，周边现有市政管网密布复杂，经过方案对比、技术论证，也采用新型多节扩孔土钉加固施工技术进行雨水管道沟槽基坑工程的边坡加固。

6 结语

北京市五环路—上清桥疏堵改造工程是典型的市政改造工程，现状道路之下存在错综复杂的地下管线。通过对现有传统土钉结构工艺的探索与改进，提出了新型多节扩孔土钉加固技术，进一步丰富了边坡加固施工技术。在工艺技术难度小幅度提升的情况下，此种技术更加适用于加筋杆件形成柱体抗拉拔力较小、加筋杆件长度较大的工况，不适用于有邻近地下构筑物限制孔道长度的工况。改善了传统工艺浪费资源、造成后续地下工程隐患和污染周边土体等缺陷。相较于传统工艺其综合成本更低，边坡支护稳定性更好，施工影响范围更小。

综上所述，新型多节扩孔土钉加固施工技术与常规技术相比，成本投入较低，适用范围更广，加筋杆件受力形式更优。具有提高施工质量、保障劳动安全、节约施工成本、保护邻近地下构筑物等效果，既是对现有施工工艺的补充和完善，也对地下基坑工程施工技术的发展有良好的促进作用。