中铁十五局集团第二工程有限公司 上海市青浦区 201700
摘要：本文对高速公路扩建工程拼宽桥梁的老桥台开挖土钉支护应用现状和作用机理进行论述，结合泉厦高速公路扩建工程桥台临时支护实例并根据支护机理对桥台加固进行支护设计，通过施工过程的严格控制和对土钉支护后监测研究，论证了该设计合理，其主要目的就是为了开挖老桥台后，能够支撑土体不会塌方，为后续桥梁拼接打下良好基础，并对今后类似工程的设计与施工提供借鉴用。
关键词：桥台；临时加固；土钉支护；设计与施工
1、前言
目前公路桥梁的建设进入改扩建热潮，遇到很多与原有线路交叉、拓宽建设的难题，比如在高填方周围开挖深基坑、在地质不良地段进行下穿隧道施工等等。由于以前对这些问题重视不足，导致一些路段在建设过程或建成后产生滑坡或者是桥台不均匀沉降造成道路损坏，比如深汕高速公路、清连一级公路的多个路段出现不同程度的地质灾害，影响公路营运，甚至造成人民生命财产的极大损失，因而公路桥台边坡支护的设计与施工是当前公路桥梁改扩建中的一个不可回避的问题。
土钉支护结构目前广泛应用于建筑基坑临时支护上，公路桥台加固采用土钉支护结构较少，法国在工程中应用土钉支护的技术始于1972年，法国著名承包商bouygues当时将新奥法隧道施工的经验推广于边坡开挖以保持边坡稳定，在法国凡尔赛附近为拓宽一处铁路路基的边坡开挖过程中，采用了喷混凝土面层并在土体中置入钢筋作为临时支护，整个开挖和支护工作室分步进行的，开挖的坡度为70°，长度为965m，最大坡高21.6m。现场土为粘性砂土，摩擦角为33°～40°，粘结力c=20Kpa。施工时每步挖深为1.4m，放置土钉的钻孔直径为100mm，其水平和竖向间距均为0.7m，钻孔方向向下倾角20°，在钻孔前先用钢筋网挡住坡面，在每一钻孔中放入两根直径为10mm的钢筋后注浆，土钉长度为上部4m，下部6m，面部的混凝土喷射厚度为50～80mm。现场抗拔力分别大于15、30、70和90KN，这是有着详细记载的第一个土钉工程，故本文结合工程实例针对公路桥台土钉支护效果进行分析。
2、土钉支护作用机理
土钉支护机理以新奥法理论为基础，利用土钉体作用把潜在滑体转化为具有自支撑能力的稳定土体，以防止土体侧向位移过大形成土体破坏。增加土体的侧压力，保证土体的整体稳定性。可以认为经过加筋的土体形成了类似重力式挡土墙。
土钉支护结构中的土钉是在土体发生变形后才起承受拉力作用。土钉在整个支护结构中起到作用如下：
2.1锚固作用
密布的锚杆与砂浆柱体相结合对周围土体产生有效的锚固作用，限制了砂浆柱体周围的土体变形。①土钉不需要施加预应力，而是在土体发生变形后使其承受拉力工作；②土钉支护在边坡中比较密集，起到了加筋的作用，提高了土的强度，为被动受力机制。由于土钉在全长范围内与土体接触，其荷载传递沿整个土体进行。
2.2土钉浆孔对土体的挤密作用
由于土钉锚杆的密度比较大，挤密作用的影响也较大，使加固区的土体比非加固区土体密度大。密集的土钉与土钉之间土形成复合土体，其结构类似重力式挡土墙，个别土钉的破坏不会使整个结构的功能完全丧失。
2.3护坡作用
土钉的面层喷射砼不是主要受力结构，其主要作用在于保持土体的局部稳定性。在公路边坡治理中，土钉的面层砼还起到防止冲刷、防止雨水渗入坡体影响边坡稳定性的重要作用。
对于公路边坡不连续面以上的土体，土钉需要锚固于岩石，成为入岩土钉，这样可以起到加筋的作用，使土体和岩体形成一个整体，提高内部稳定性，防止局部破坏并起到护坡的重要作用。同时入岩土钉又可起到锚固的作用，提高不连续面以上土体的整体外部稳定性。
3、工程实例
3.1工程概述及工程地质概况
福建省泉厦高速公路K410+407.984上五龙分离立交中桥泉州台、厦门台原桥桥台为U型桥台，台高为9m。该老桥是十年前建成的，其台背填料比较松散，而且土质为砂土和粘性土组成。
3.2桥台临时支护设计
在拼宽桥梁承台基础范围内地层为软土的承台开挖支护，纵桥向侧壁垂直开挖至原地面，原桥台后填土体用土钉支护，土钉间距1m×1m，，梅花型布置，土钉孔径为9mm，采用φ32mm螺纹钢筋，开挖深度0～0.5H，L＝0.8～1.2H，倾角10°；开挖深度0.5～1H，L＝0.5H，且L≥5m，倾角20°；土钉外挂φ8＠20×20cm钢筋网，喷10cm厚C20砼，形成面层。其分项工程数量见下表：
根据滑坡的成因、场地施工条件、安全可靠和经济实用等原则，同时考虑到维护滑坡体上部原有高速公路路基的稳定，采用对老高速路面上进行交通组织布控、支护、排水及坡面防护的综合治理措施。
3.3施工控制
3.3.1施工准备
施工前期必须做好三通一平工作，道路必须修通，确保运输车辆，机械设备能顺利到位。搅拌站及现场施工用电的变压器、支路接电、发电机等必须安装就位，并确保施工中供电顺利；施工用水必须采用抽取检验合格的水质；主要生产设备、设施如搅拌站、替孔钻、空压机、工棚、砂、碎石材料堆放场、钢筋堆放加工场等都建设完善且场地必须经过平整，并保证排水良好。
施工必须的原材料比如土钉支护各种混凝土配合比及原材料必须经过试验并确定，符合《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB 50086-2015）的规定。
3.3.2加固施工控制要点
（1）土体开挖
首先按照设计图纸放样开挖线，核查无误后，方可进行开挖施工。土钉墙的施工严格按照控制单层开挖深度，少扰动坡面范围土体，随挖、随锚和勤监测的原则进行施工。要求分级进行开挖，分级高度不大于2m，土钉钻孔、安装、锚固随开挖工作面从上至下分层施工。开挖后立即进行土钉施工并挂网喷砼，避免坡面长时间暴露。当用机械进行土方作业时，严禁边壁出现超挖或造成边壁土体松动，当基坑边线较长，可分段开挖，开挖长度宜为10～20m。若开挖揭露地层与设计底层不符，应及时通知设计代表和监理，对设计进行调整，进行动态设计。
（2）土钉成孔
边坡开挖完成后，根据地质条件和使用要求选择QZJ-10B型钻机，调整好钻杆角度，按设计要求定位钻孔。土钉孔直径90mm，间距1m*1m，按梅花型布置。钻孔采用干钻，钻孔完成后，经监理工程师检查签认后及时安放土钉，注浆锚固，以防塌孔。
土钉成孔误差保证在以下范围：孔位误差±50mm；孔径误差±10mm；孔深误差不大于50mm；方位角、倾角误差±1.5%；土钉钢筋保护层厚度不小于25mm。
（3）土钉制作安放
土钉采用Φ32螺纹钢筋，开挖深度0～0.5H范围内，土钉长度L=0.8～1.2H，水平倾角10°；开挖深度0～0.5H范围内，土钉长度L=0.5H，且L≥5m，水平倾角20°。为防止土钉偏离孔位，可沿钉身每2m设置一对半圆形对中支架，对中支架可用φ8钢筋弯制。
安放土钉前，架设对中支架、排气管、注浆管及止浆袋。再次检查孔内是否存有杂物和泥浆，确认孔内无杂物和泥浆时，将土钉推入孔底。推送过程中，不转动土钉，防止对中架破坏孔壁；不强行推送，防止土钉头部插入土体中，土钉送不到孔底时，将土钉拔出，修孔后再行推送。检查排气管、注浆管是否畅通。
（4）注浆
浆液用M30水泥砂浆。水泥强度等级宜在42.5R以上，水灰比1：1～1：2，砂粒直径不大于2mm。土钉注浆采用注浆泵，注浆压力为0.6～0.8MPa。为防止水泥砂浆在硬化凝固过程中，产生干缩，并保证浆体与周围土体的紧密结合，提高注浆体与土体间的剪切强度，改善锚固效果，配制砂浆时掺入适量的膨胀剂。具体掺入量由试验进行确定。
为提高水泥砂浆的和易性及注浆体的早期强度，可在浆液搅拌时加入适量的减水剂和早强剂；为防止水泥浆过多流失，并使浆液在土钉周围分布均匀，在搅拌浆液时掺入少量的水玻璃；掺入量由试验确定。
注浆前再检查确认是否发生塌孔，如塌孔应拔出锚杆重新清孔，合格后再插入钻孔，同时检查注浆设备和管路是否完好，孔口部位是否设置好止浆袋和排气孔，注浆时从孔底向外顶浆，以保证注浆饱满。如浆液初凝后收缩及时补浆，并查明原因，调整施工工艺和膨胀剂的掺入量。
注浆时，将注浆管插至孔底，在注浆的同时将注浆管缓缓地拔出，但注浆管端头始终保持在浆液之中，待注浆管口距钻孔口20—30cm时，即停止注浆。为保证注浆饱满，在孔口部位设置止浆袋及排气管。注完浆后，将注浆口处覆盖。
（5）挂网喷砼
土钉注浆强度达到70%后，挂钢筋网使其紧贴坡面。土钉露出坡面部分弯折成90°且弯头朝上以便挂住网片，确保喷射砼时钢筋网无晃动。喷射砼结束后钢筋网不得外露。喷射机安装调试好后，先注水再通风，清通机筒及管路，同时再用高压水或高压风清洗受喷表面。连续上料，保持机筒内料满，在料斗上设一15 mm孔径筛网，避免超径骨料进入机内。喷射砼强度应大于20MPa，喷射厚度不小于10cm，砂率宜大于30%，碎石最大粒径不大于15mm，水泥强度等级不低于42.5R，按试验配合比准确配料，掌握好拌合时间，坍落度控制在8～15cm之间，以砼的和易性和强度为控制指标，根据受喷面和喷出的砼情况，对配合比进行调整。喷射部位顺序应分段、分片进行，每片均自下部起水平方向旋转移动往返一次喷射，然后向上移。喷射前个别受喷面凹洼处，先喷找平。最佳喷射距离与角度：喷嘴口至受喷面以0.6～1.0 m为宜，喷射料束以垂直受喷面为最佳。喷射料束运动轨迹为环形旋转水平移动并一圈压半圈，环形旋转直径约0.3 m。喷射第二行时，依顺序由第一行起点上方开始，行间搭接约为2～3 cm。喷射料束旋转速度及一次喷厚。一次喷厚以不坠落时的临界状态或所需厚度时，才向前方移动，一般不应少于5cm。
挂网喷砼回弹量的控制：喷砼回弹损失与外加剂性能、施喷工作条件、施喷技巧、钢筋布置状况等有关，据此拟采取以下措施控制回弹损失。
a.控制一次喷层厚度。
b.控制骨料粒径大小，符合标准。
c.掺加粘稠剂，增加喷砼粘度。
d.控制施喷面最佳距离在0.6～1.0 m范围内，喷射角度垂直岩面为佳。
施工注意事项：
a.喷射砼原材料先检验合格后才能使用，速凝剂注意保管防止受潮变质。
b.喷射前仔细检查危石并处理。喷射机布置在安全地带，并尽量靠近喷射部位，便于掌机人员与喷射手联系，随时调整工作风压。
c.经常检查喷射机出料弯头、输送管和管路接头，发现问题要及时处理。
d.喷射过程中，确保成品砼运输不能间断。喷射作业结束时，将机内和管路中的拌合料用完后，再停机和断风。
e.按配合比投料，计量要准确。定时校验计量器具。运输道路畅通，电源、照明应保证。
f.喷射砼选用的喷射机性能良好，空压机应满足喷射风压和耗风量要求，选用电动空压机。喷射砼前，坡面上埋设控制喷射砼厚度的鲜明标志，安装泄水管硬塑管，清理干净喷射面，检查机械设备、电、风管路是否满足要求，并进行试运转，确保喷射砼能一次性顺利完成，确保施工质量。喷射砼应分段、分片依次进行。同一段内喷射砼顺序至下而上，喷射手掌握好喷头与受喷面距离、角度，控制好喷头运行轨迹，以保证砼密实，表面平整，湿润光泽，无干斑或滑移流趟现象。
g.坡面上有明显出水点处应设置导管排水。
（6）养护
喷射砼终凝后2h进行喷水养护，并设专人养护一周，确保喷射砼质量。
（7）施工注意事项
①土钉钢筋材质、规格、直径符合设计要求，使用前调直、除锈、除油。
②注浆用的水泥砂浆搅拌均匀，随拌随用，一次拌和的水泥砂浆在初凝前用完，严防杂物混入，影响压浆质量。
③土钉墙支护按设计要求自上而下分段分层施工，严格控制每层开挖深度（不能超深开挖）、开挖纵向长度，尽可能缩短开挖后岩体的暴露时间。土钉墙施工过程中及完工后设置监测桩监测边坡位移及变形。
④土钉（包括钢筋及周围的注浆体）在整个复合结构中扮演了主要角色，增强了土体的抗剪强度。因此施工中对钢筋的长度、孔径（直径）、孔距的数量及形式、成孔倾角、水泥注浆量及水灰比等严格控制。
⑤面层砼虽不是主要受力部位，但对于增强土钉的整体性、限制坡面膨胀及防止降雨冲刷等具有重要作用。喷射砼在同一分段内自下而上喷射，砼配合比准确无误；砼终凝后喷水养护；砼厚度采用钻孔检测。
⑥喷射砼及砂浆面层达到设计强度的70％后方可开挖下层土方进行下层土钉施工，避免造成已加固和未加固上下同时大塌方的恶果。
4、结论
本工程从2008年5月10日土体开始开挖，6月2日边坡支护结束，边坡均处于稳定状态，结构物未出现沉降、变形等现象，护臂效果非常好，说明本工程的土钉支护施工是安全可靠的。经过此项工程的实践，这项方案以其施工简单土钉的制作与成孔简单易行、成本低特点是其它方法不可比拟的，它不仅具有安全可靠性，适应性也很强，施工工期短可以随时开挖随时支护，施工不需单独占用场地，对于施工场地狭小，放坡困难，有相邻建筑，大型护坡施工设备不能进场时，该技术显示出独特的优越性。以上种种优点、特点表明，该临时支护设计方案操作性强、简单可行，在今后的高速公路扩建工程中有很好的推广价值，应用前景十分广泛。
参考文献：
[1] 陈肇元，崔京浩.土钉支护在基坑工程中的应用.北京：中国建筑工业出版社，1997。
[2] 黄明年，黄力平，张凤钧.土钉墙在边坡支护工程中的应用[J].工程勘察.1995，（6）：1-5。
论文作者:李学东
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/6/21
标签：桥台论文; 注浆论文; 钢筋论文; 钻孔论文; 砂浆论文; 作用论文; 锚固论文; 《防护工程》2019年第6期论文;