CN108643179A - 一种在松散体地层中采用手风钻施工的锚杆及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种松散体地层中采用手风钻施工的锚杆及施工方法，该锚杆是指在旋入件（花管）的上端设置与手风钻铅头焊接的套筒，下端设置圆锥体钻头，利用旋入件（花管）与套筒底端的摩插力，带旋入件（花管）转动，不仅使手风钻锥形钻头将小直径砾石块挤压至管壁外，而且通过旋动旋入件（花管），使旋入件（花管）与砂砾石地层的接触面积大为减小，从而砂砾石地层对旋入件（花管）的握裹力和摩阻力减少，使得手风钻震动锤击推送效果动更好。本发明提供的在松散体地层中采用手风钻施工的锚杆及施工方法，克服了现有松散体地层插打花管的注浆加固方法中存在的施工进度慢、钻孔难以控制偏斜、花管易折断的缺点。

Description

一种在松散体地层中采用手风钻施工的锚杆及施工方法

技术领域

本发明涉及松软地层基础处理和支护工程施工领域，尤其涉及一种松散体地层中采用手风钻施工的锚杆及施工方法。

背景技术

对于松散体地层浅层加固，大都采用小直径花管注浆方式对松散体进行水泥类或化学类材料进行灌浆，以便改善土体松散结构，提高地基承载强度；在松散体地层进行隧洞开挖时，需要对洞室围岩进行小导管预注浆，或采取钢筋锚杆形成棚架进行预支护，以防止在松散体地层开挖隧洞因土体不稳定而产生坍塌，影响工程顺利进行及施工安全。

对于浅层地基加固的小直径花管插打，一般采用锤击、冲击锤、土钉机等进行施工，在密实的松散体地层或淤泥质土层施工中，一般还先采用钻孔机械引孔后再辅以锤击方式来完成。锚杆机又称土钉机，主要用于路基、边坡治理，地下深基坑支挡，隧洞围岩稳定，预防滑坡等灾害整治以及地下工程支护的锚杆等施工。锚杆机适用于各种材料制作的土钉（如角钢、螺纹钢、钢管等）。

冲击锤是采用蒸汽锤、落锤或柴油打桩锤将下端带有桩尖的钢花管锤人土中，然后在钢花管中下入灌浆塞及进回浆管路，再灌注水泥等灌浆材料，然后通过提升或下沉钢花管，在钢花管的保护下成孔，分段灌浆完成土体加固。该工法最大的特点是不需要采用泥浆固壁，在一般粘性土和淤泥质土类地层中沉管速度较快。

锤击法是采用8~12磅的大锤锤击花管的尾部，将灌浆花管按设计角度和深度打入设计贯入的深度。锤击时，先以一定的速度轻轻将管头部位打入0.5~1.0m，然后检查管头部位是否发生偏移，确定管头部位未发生偏移后，再加大打击力度。打管入土速度要保持均匀，连续施打；锤击间歇时间不易过长，一根管击打至完成最好一气呵成。如管尖入土遇到障碍，需减轻锤击力度，慢慢锤击，打过这一段再增加锤击力度。

而有些工程细砂占地层混合料总量高，基础砂土液化下沉严重，采用现有技术的方式进行桥梁砂砾石基础灌浆花管的施工存在如下问题：

1).采用蒸汽锤、落锤或柴油打桩锤等大型施工机械需修筑高标准的施工道路，不仅工期条件不能满足，而且当地无稳定性好的料源用于道路填筑；

2）有些桥梁净空高度最大仅5m，采取冲击锤施工空间尺寸不能满足要求；

3）采用人工锤击方式插打花管，一是施工进度慢，二是钻孔难以控制偏斜，小直径钢花管在锤击施工中极易折断，影响施工效果；

4）采用反铲静压，同样存在受力偏斜和折断花管的现象；

5）利用桥梁底部混凝土面制作反力架采取静压方式将花管压入砂砾石地层中，因要逐孔拆卸、转移和安装反力架，存在工序繁琐的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有松散体地层插打花管的注浆加固方法中存在的施工进度慢、钻孔难以控制偏斜、花管易折断的缺点而提供一种在松散体地层中采用手风钻施工的锚杆及施工方法，该方法利用旋入件（花管）与套筒底端的摩插力，带旋入件（花管）转动，不仅使手风钻锥形钻头将小直径砾石块挤压至管壁外，而且通过旋动旋入件（花管），使旋入件（花管）与砂砾石地层的接触面积大为减小，从而砂砾石地层对旋入件（花管）的握裹力和摩阻力减少，使得手风钻震动锤击推送效果动更好，旋入件（花管）不仅不易折断，同时钻孔不会偏斜、受力稳定均匀，打孔注浆速度快，效率高。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种在松散体地层中采用手风钻施工的锚杆，该锚杆包括旋入件，旋入件的下端设置高为2~3cm的圆锥体钻头，圆锥体钻头的底面与旋入件焊接固定，旋入件上端设置有一套筒，套筒的直径大于旋入件直径4~5cm，套筒的一端封口并与手风钻铅杆焊接在一起，使铅杆轴线与套筒轴线同心，另一端为敞口式，***旋入件，套筒长度20~30cm。

所述旋入件为若干通过管箍连接的花管，花管的端部车丝与管箍套接。

旋入件上端为不开设花管孔的套管，套管的直径、管材与花管相同，套管与花管通过管箍套接，套管的上端***套筒中。

在圆锥体的底端加工高度不小于1cm的圆柱体，形成圆锥体加圆柱体的钻头，圆柱体端的外径小于花管内径1~2丝，圆柱体***花管内，圆锥体底面与花管焊接牢固。

套管上端也套接一管箍，管箍与套管***套筒的敞口端。

一种在松散体地层中采用手风钻施工小导管和锚杆的方法，该方法包括：

步骤1：采用车床车削一个高约2~3cm的圆锥体，并在圆锥体的底端加工高度不小于1cm的圆柱体，形成圆锥体加圆柱体的钻头，圆柱体端的外径小于花管内径1~2丝；

步骤2：将钻头的圆柱体端***花管埋入端，采用电焊将钻头与花管焊接牢固；

步骤3：每根花管1~1.5m长，花管之间的连接采用管箍连接方式；

步骤4：制作一根内径大于花管直径4~5cm的套筒，套筒的一端封口并与手风钻铅杆焊接在一起，使铅杆轴线与套筒轴线同心，另一端为敞口式，以方便花管及管箍***，套筒长度20~30cm；

步骤5：将钻头的尖端对准钻孔位置，人工扶正花管保持花管垂直，将与套管焊接在一起的铅杆端头送入手风钻卡铅器，然后将手风钻提起，使花管的未端进入套管的敞口端内，并相互顶紧；

步骤6：向手风钻供风，启动手风钻操作手柄，先用低风压将花管旋入地层0.5m后，再调大风压，随手风钻的铅杆的转动和震动，将花管打入砂砾石地层；

步骤7：花管打入砂砾石地面基础5~7m后，离地面1.0~1.5m为不灌浆段，不灌浆段的花管为不开设花管孔的套管，套管的直径、管材均与花管的相同，在地面上以套管为中心,开挖直径0.5~0.8m、深0.5m的坑,坑内回填粘土，并击打粘土使其密实，回填粘土的顶部采用速凝水泥砂浆封闭，防止花管灌浆过程中浆液由套管与砂砾石结合面串浆渗漏；

步骤8：速凝水泥砂浆终凝后4~5h后，将套管与输浆管路相接，进行砂砾石地层套管及花管的灌浆施工；

步骤9：重复2-7步骤，进入下一孔施工。

步骤5中套管重量按4~5kg重量制作，增加花管套打过程中的冲击力。

手风钻铅杆远离套管的一端设置铅头，以便与手风钻上的卡铅器连接。

本发明的上述技术方案产生的积极效果如下：本发明采用手风钻与旋入件（花管）套接方式施工旋入件（花管），旋入件（花管）在地层中扭力加大后，手风钻自动震动达到了钻机孔外冲击锤的效果，使得锤击与旋动有机的结合，提高了推进效益；与此同时，适当给手风钻一个轴向推力，旋入件（花管）与套筒底端的摩插力，带旋入件（花管）转动，不仅使手风钻锥形钻头将小直径砾石块挤压至管壁外，而且通过旋动旋入件（花管），使旋入件（花管）与砂砾石地层的接触面积大为减小，从而砂砾石地层对旋入件（花管）的握裹力和摩阻力减少，使得手风钻震动锤击推送效果动更好。

在尼泊尔荪沙里灌溉工程布的大桥基础细砂砾石插打花管施工过程中，采用本发明的手风钻与花管套接方式施工，其施工效率达到了1.0m/min的速度，每个钻孔仅用不到10min即可完成，取得了良好的经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例一手风钻铅杆、花管、钻头的连接结构示意图。

图2为本发明圆锥体加圆柱体钻头的结构示意图。

图3为本发明实施例二中手风钻铅杆、套筒、钢筋的连接结构示意图。

图中标注为：1、圆椎体；2、圆柱体；3、花管；4、管箍；5、套筒；6、手风钻钻杆；7、套管；8、铅头；9、钢筋；10、圆锥体钻头。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的在松散体地层中采用手风钻施工小导管和锚杆的方法的技术方案进行进一步的阐述和说明。

实施例一：尼泊尔荪沙里布的大桥除险加固工程

尼泊尔荪沙里灌溉工程布的大桥全长240余米，桥梁下部结构为混凝土承台加砖砌桥墩结构，大桥坐落在布的河主河槽及两岸的细砂砾石地层上，细砂砾石地层埋深较大，河床砂砾石基础为中等密实地层，细砂占地层混合料总量75%，2-4cm粒径砾石占25%。该桥梁建成二十年后，桥墩基础砂土液化下沉达1.0m左右，相邻桥墩差异沉降达1.0m，桥面无法正常通行车辆。为恢复大桥通行，保证桥梁上游侧与桥梁共墩的渡槽供水安全，在承担其灌溉工程时，也包括该桥梁工程的整险加固施工。

为防止砂砾石基础进一步液化灌溉工程安全，业主要求对该桥梁工程采取除险加固，除险加固工程包括在桥梁及渡槽的上下游各设一排锁口式钢板桩，钢板桩深入砂砾石基础6m，对桥墩所在区域液化地层采取先包封再灌浆加固方案，钢板桩施工完成后，对包封区域内的砂砾石地层采取固结灌浆处理，处理深度为6m。上述地基处理工程完成后，在桥梁上下游再增设海曼和护坦及分水墩进行汛期水流控制，同时，完成桥墩桥梁的修复工作。

大桥修复工程需采取倒边施工，先施工河床的一侧，等其施工完成后，进行二次导流施工河床的另一侧，原拟安排在两个枯水期完成所有修复工程施工。受尼泊尔国内条件的限制，其施工设备可选方案较少，其中钢板桩包封和砂砾石基础灌浆成为控制工程进度的两个瓶颈。

工程施工开始时，在松散地层采用手风钻套打花管原设想利用手风钻的旋转推送即可实现，后经过现场试验发现这一理念也存在一些问题，手风钻套打试验阶段采用在手风钻铅杆上焊接管箍后，将管箍与花管连接后，采取手风钻常规钻孔的方式推送花管过程中，花管丝扣破坏严重；花管在旋转推送过程中，因花管承受较大的扭力而发生折断现象；铅杆上焊接的管箍也经常脱落；花管推送速度缓慢。通过分析发现，致密的砂砾石导致花管周边的握裹力和摩阻力较大与花管管壁薄的藕合，从而使得花管发生扭断现象；同时，将手风钻与花管连接成整体，手风钻产生的冲击力很难撼动花管的上下运动，为此，将手风钻与花管的连接采取套接方式。

而后经过尝试实验设置套筒，并且决定采用本发明的在松散体地层中采用手风钻施工的锚杆进行小导管和锚杆的施工，如图1、2所示，该锚杆包括5根花管，每根花管长1m，花管的端部车丝，两根花管的车丝部位套接管箍固定，最上端的花管通过管箍套接一个套管，套管的直径、管材与花管相同，套管长度为1.5m；花管的下端设置有一个高为2~3cm圆锥体钻头，并在圆锥体钻头的底面上设置1cm高的圆柱体，圆柱体的外径小于花管内径1~2个丝，圆柱体***花管下部，圆锥体底面与花管下端接触的部位焊接牢固；套管的上端设置有一套筒，套筒的直径大于旋入件直径4~5cm，套筒的一端封口并与手风钻铅杆焊接在一起，使铅杆轴线与套筒轴线同心，另一端为敞口式，***旋入件，套筒长度20~30cm，套筒的重量为4~5kg，增加花管、套管套打过程中的冲击力。手风钻铅杆远离套管的一端设置铅头，以便与手风钻上的卡铅器连接。套管上端也套接一管箍，管箍与套管***套筒的敞口端，花管和套管在旋转推送过程中，防止套管的上端因承受较大的扭力而发生折断现象。

在松散体地层中采用手风钻施工的锚杆的施工步骤如下：

步骤1：采用车床车削一个高约2~3cm的圆锥体1，并在圆锥体的园形端加工1cm高的圆柱体2，形成2~3cm高圆锥体+1cm高圆柱体钻头，为方便圆柱体***花管内，圆柱体端的外径小于花管内径1~2丝，圆柱体端***花管内后，使圆锥体与园柱体接合处的直径略小于花管外径1~2丝；

步骤2：将钻头圆柱形端***花管埋入端，采用电焊将钻头与花管焊接牢固；

步骤3：每根花管1m长，花管之间的连接采用管箍4连接方式，连接处的花管车丝与管箍套接，设置5根花管，总长度5m，在花管的上端采用管箍连接一根套管，套管的直径、管材与花管相同，与花管不同的是套管上不开设花管孔，套管长1.5m，花管与套管总长为6.5m；

步骤4：制作一根内径大于花管直径4~5cm的套筒5，套筒的一端封口并与手风钻铅杆焊接在一起，使铅杆轴线与套筒轴线同心，另一端为敞口式，以方便套管及管箍***，套筒长度20~30cm, 套筒重量按4~5kg重量制作，增加花管套打过程中的冲击力；手风钻铅杆一端需带铅头，以便与手风钻上的卡铅器连接，另一端可不带铅头，并与套筒焊接在一起；

步骤5：将钻头的尖端对准钻孔位置，人工扶正花管保持花管垂直，将与套筒焊接在一起的铅杆端头送入手风钻卡铅器，然后将手风钻提起，使套管的末端进入套筒的敞口端内并相互顶紧；

步骤6：向手风钻供风，启动手风钻操作手柄，先用低风压将花管旋入地层0.5m后，再调大风压，随手风钻的铅杆的转动和震动，将花管打入砂砾石地层；

步骤7：花管打入砂砾石基础6m深，套管埋入地面以下1.0m，外露0.5m，用于与灌浆管路的连接；地面以下1.0m为不灌浆段，用于花管与灌浆管路的套接，在地面上以花管为中心，开挖直径0.5~0.8m、深0.5m的坑,坑内回填50cm高的粘土，并击打粘土使其密实，回填粘土的顶部采用速凝水泥砂浆封闭，防止花管灌浆过程中浆液由套管与砂砾石结合面串浆渗漏；

步骤8：速凝水泥砂浆终凝后4~5h后，将花管套管与输浆管路相接，进行花管灌浆施工；

步骤9：重复2-7步骤，进入下一孔施工。

根据设计花管贯入深度，计算花管长度和套管长度，套管由与花管直径相同的钢管制作，不得在套管段钻设孔眼，套管埋入砂砾石基础深度1.0m左右，并按此反算花管长度。当花管长度5m，套管长1.5m，如每根花管按1.0m加工，即加工5根花管，套管可一次加工成1.5m，如花管加工每根长1.5m，可先加工3根花管，即长度4.5m,另0.5m花管与套管一起加工，即套管长按1.0m下料，其中1根套管下部0.5m加工成花管，另1根不作打眼作套管。

按照上述施工要点严格操作，手风钻推送花管施工效率达到1.0m/min的速度，每个钻孔仅用不到10min即可完成，使得砂砾石地层花管灌浆难题得以破解，桥梁工程除险加固仅用一个枯水期完成，取得了良好经济效益，创造中方施工人员人均年产值250万/年的记录。

实施例二：云南保山苏帕河流域乌泥河水电站引水隧洞工程

云南保山苏帕河流域乌泥河水电站引水隧洞工程压力钢管水平段位于调压井后的水平隧洞内，隧洞穿过细度模数为1.2~1.6之间的粉细砂地层，细砂为浅黄色、黄色；隧洞出口8-10m洞段地层为稍湿细砂地层，隧洞近坡埋深大于10m为潮湿的细砂地层，细砂地层密度为中密/密实，砂质不纯，多含粘粒或粘土薄层（层厚约10cm），局部为互层状，分选性好，颗粒均匀；手搓偶有黏着感；岩心呈散状，局部饼状。隧洞开挖断面宽*高=4.8m*4.8m（城门洞加0.5m拱高的仰拱），设计一次衬砌采用挂网（钢筋直径Φ6.5mm，网格间距10cm*10cm）的喷护混凝土，喷护混凝土厚度15cm，二次衬砌采用钢筋混凝土，衬砌厚度0.6m。

该工程细砂土地层隧洞开挖采用钢筋棚架超前支护，隧洞开挖前，在安装的钢支撑顶部180度范围，打入长度3.5m的Φ25-32钢筋，形成间距为10-20cm的钢筋棚架，钢筋尾部与钢支撑焊接在一起，形成具有悬挑能力的钢筋棚架。因钢筋棚架施工工程量大，采取人工锤击方式既耗时费工，又不经济。采用尼泊尔荪沙里布的大桥除险加固工程花管套打施工经验，将钢筋棚架的一端采用车床车成锥状体，采用手风钻铅杆焊接套筒直接推送钢筋锚杆，使每循环钢筋棚架施工由原人工锤击的6-8h缩短到不到2h，降低了施工人员的劳动强度，提高了开挖循环效率。该施工的锚杆结构如下：如图3所示，该锚杆包括钢筋，钢筋下端设置高为2~3cm的圆锥体钻头，圆锥体钻头的底面与钢筋焊接固定，钢筋上端设置有一套筒，套筒的直径大于旋入件直径4~5cm，套筒的一端封口并与手风钻铅杆焊接在一起，使铅杆轴线与套筒轴线同心，另一端为敞口式，***旋入件，套筒长度20~30cm。

施工步骤如下：

步骤1：采用车床将钢筋打入细砂层一端车削一个高约2~3cm的圆锥体，将钢筋的另一端的表面切割打磨平整；

步骤2：每根钢筋3.5m长；

步骤3：制作一根内径大于钢筋直径4~5cm的套筒5，套筒的一端封口并与手风钻铅杆焊接在一起，使铅杆轴线与套筒轴线同心，另一端为敞口式，以方便钢筋打磨端***，套筒长度20~30cm, 套筒重量按4-5kg重量制作，增加钢筋套打过程中的冲击力；手风钻铅杆一端需带铅头，以便与手风钻上的卡铅器连接，另一端可不带铅头，并与套筒焊接在一起；

步骤4：将钻头的尖端对准钻孔位置，人工扶正钢筋保持钢筋外插角与设计一致，将与套筒焊接在一起的铅杆端头送入手风钻卡铅器，然后将手风钻和套筒提起，使钢筋的未端进入套筒的敞口端内并相互顶紧;

步骤5：另配备1人协助，将带套筒的手风钻用麻绳悬挂在操作平台的架子上，并人工收放绳索，协助风钻工托起手风钻，听从手风钻操作手的指挥，控制钻进角度；

步骤6：向手风钻供风，启动手风钻操作手柄，先用低风压将钢筋旋入地层0.5m后，再调大风压，随手风钻的铅杆的转动和震动，将钢筋打入细砂地层；

步骤7：钢筋打入细砂3.2~3.3m后，将钢筋尾部与钢支撑焊接在一起；

步骤8：重复4-7步骤，施工另一根钢筋；

步骤9：在钢支撑拱形部180度范围内，打入长度3.5m的Φ25～32钢筋，钢筋间距按10~20cm控制，钢筋尾部与钢支撑焊接在一起，形成具有悬挑能力的钢筋棚架。

Claims (8)

1.一种在松散体地层中采用手风钻施工的锚杆，其特征在于：该锚杆包括旋入件，旋入件的下端设置高为2~3cm的圆锥体钻头，圆锥体钻头的底面与旋入件焊接固定，旋入件上端设置有一套筒，套筒的直径大于旋入件直径4~5cm，套筒的一端封口并与手风钻铅杆焊接在一起，使铅杆轴线与套筒轴线同心，另一端为敞口式，***旋入件，套筒长度20~30cm。

2.根据权利要求1所述的一种在松散体地层中采用手风钻施工的锚杆，其特征在于：所述旋入件为若干通过管箍连接的花管，花管的端部车丝与管箍套接。

3.根据权利要求2所述的一种在松散体地层中采用手风钻施工的锚杆，其特征在于：旋入件上端为不开设花管孔的套管，套管的直径、管材与花管相同，套管与花管通过管箍套接，套管的上端***套筒中。

4.根据权利要求2所述的一种在松散体地层中采用手风钻施工的锚杆，其特征在于：在圆锥体的底端加工高度不小于1cm的圆柱体，形成圆锥体加圆柱体的钻头，圆柱体端的外径小于花管内径1~2丝，圆柱体***花管内，圆锥体底面与花管焊接牢固。

5.一种在松散体地层中采用手风钻施工小导管和锚杆的方法，其特征在于：该方法包括：

步骤1：采用车床车削一个高约2~3cm的圆锥体，并在圆锥体的底端加工高度不小于1cm的圆柱体，形成圆锥体加圆柱体的钻头，圆柱体端的外径小于花管内径1~2丝；

步骤2：将钻头的圆柱体端***花管埋入端，采用电焊将钻头与花管焊接牢固；

步骤3：每根花管1~1.5m长，花管之间的连接采用管箍连接方式；

步骤4：制作一根内径大于花管直径4~5cm的套筒，套筒的一端封口并与手风钻铅杆焊接在一起，使铅杆轴线与套筒轴线同心，另一端为敞口式，以方便花管及管箍***，套筒长度20~30cm；

步骤5：将钻头的尖端对准钻孔位置，人工扶正花管保持花管垂直，将与套管焊接在一起的铅杆端头送入手风钻卡铅器，然后将手风钻提起，使花管的未端进入套管的敞口端内，并相互顶紧；

步骤6：向手风钻供风，启动手风钻操作手柄，先用低风压将花管旋入地层0.5m后，再调大风压，随手风钻的铅杆的转动和震动，将花管打入砂砾石地层；

步骤7：花管打入砂砾石地面基础5~7m后，离地面1.0~1.5m为不灌浆段，不灌浆段的花管为不开设花管孔的套管，套管的直径、管材均与花管的相同，在地面上以套管为中心,开挖直径0.5~0.8m、深0.5m的坑,坑内回填粘土，并击打粘土使其密实，回填粘土的顶部采用速凝水泥砂浆封闭，防止花管灌浆过程中浆液由套管与砂砾石结合面串浆渗漏；

步骤8：速凝水泥砂浆终凝后4~5h后，将套管与输浆管路相接，进行砂砾石地层套管及花管的灌浆施工；

步骤9：重复2-7步骤，进入下一孔施工。

6.根据权利要求1所述的在松散体地层中采用手风钻施工小导管和锚杆的方法，其特征在于：在圆锥体的底端加工高度不小于1cm的圆柱体，形成圆锥体加圆柱体的钻头，圆柱体端的外径小于花管内径1~2丝，圆柱体***花管内，圆锥体底面与花管焊接牢固。

7.根据权利要求1所述的在松散体地层中采用手风钻施工小导管和锚杆的方法，其特征在于：步骤5中套管重量按4~5kg重量制作，增加花管套打过程中的冲击力。

8.根据权利要求1所述的在松散体地层中采用手风钻施工小导管和锚杆的方法，其特征在于：手风钻铅杆远离套管的一端设置铅头，以便与手风钻上的卡铅器连接。