一种门架式锚管土钉喷网支护工艺及其所用的改性加固水泥浆

摘要

本发明公开了一种门架式锚管土钉喷网支护工艺及其所用的改性加固水泥浆，可以较大幅度地改变软土水泥土的抗压抗剪性能。门架式锚管土钉喷网支护新工艺就是在现有常规土钉喷网支护技术基础上增加了竖向大直径锚管土钉，采用“改性”固化掺合料新配方进行喷浆，并对基坑剖面作了较大改变时，对其破坏模式与变形特性进行了理论与实验研究，同时结合实际工程证明在温州开挖深度为4-6米的基坑可以采用这种新类型基坑支护形式，这样不仅解决了温州市区基坑开挖深度4米以上不能采用常规土钉喷网支护的技术难题，而且与其它可用的支护相比省钱、省时、减少危险性。具有良好的经济效益和社会效益。

说明书

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体是涉及基坑工程、边坡工程、软土地层人行过街地道浅埋暗挖工程、港口码头工程的软粘土地基处理用的一种经济高效可靠的基坑支护新技术领域，特别是涉及一种适用于基坑支护新技术的改性加固水泥浆以及门架式锚管土钉喷网支护工艺。

背景技术

自20世纪90年代末期，土钉喷网支护技术一进入市场，就以异乎寻常的速度在全国推广应用，以至温州这样典型的饱和软粘土地区，在2004年前有近70%的基坑都采用该方法作为基坑支护。

这主要是因为钢板桩或机械钻孔桩的有害噪声使它们难以在市区施工，而且各类内撑更是施工困难、开挖不便、折除费时费钱。相比而下土钉喷网支护技术则能克服这些缺点，具有传统支护技术无法比拟的优越性 ,同时土钉喷锚支护技术具有施工快捷、施工造价低的优点，而且可以“动态设计、信息施工”，因而得到了广泛的应用和发展。但常规土钉喷网支护技术自身也有很大局限性 ,主要表现对土层的性质依赖较大 ,使得该技术在软土地区的应用遇到了一定的困难。特别是饱和软粘土地区，由于变形较大，前几年土钉喷网支护事故较多。

近几年部分软土地区对它有了明确的限制，如温州市建设局限制其适用开挖深度不得超过4米。而目前地下室的开挖深度大都超过4米，例如在温州开挖深度为4-6米的基坑所占比例较高, 但是采用带内撑的基坑支护, 不但支护费用成倍提高, 而且土方开挖速度成倍降低；不但延长了施工工期, 而且也延长了基坑暴露时间。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种适用于软粘土地区作为基坑支护、且造价成本低、工期短、无噪音无污染的一种门架式锚管土钉喷网支护工艺。

本发明的另一个目的是提供一种锚管土钉喷网支护工艺所需的改性加固水泥浆。

为实现本发明的第一个目的，本发明的技术方案是包括以下步骤：

（1）按水泥浆改性加固配方进行现场取软粘土配置改性水泥浆；

（2）现场沿基坑周边用液压振管机按设计要求将大直径的竖直锚管垂直压入土中，并及时注改性水泥浆浆，压力注浆以满管孔为止，充盈系数必须大于1.05；

（3）在竖直锚管相应位置用液压振管机或挖土机将第一道水平锚管按设计角度斜向压入土中，并及时注浆；沿基坑内侧周边6-7m范围挖第一皮土, 深约2.5-2.8m，按此顺序继续施工多道后续的水平锚管，并及时注浆；本设置，设计角度可以根据实际需要设置的水平锚管的数量、间距以及基坑的厚度来界定；

（4）挖土至设计标高后，及时施工1个1000-1500mm宽的缓冲台阶，以构成门架式锚管桩支护；

（5）及时布置竖直锚管的竖直面面层网筋，网筋为竖向                                                10-12×水平向8-10；高压喷浆，喷浆砼面层增至100-120mm厚，形成喷网面层。

 进一步设置是所述水平锚管采用45×3 .0mm-53×3 .5mm焊接钢管，所述竖直锚管采用75×4.5mm--120×5mm焊接钢管。

进一步设置是所述的竖直锚管设置2-3排。所述的步骤（1）中现场取土的是淤泥，其天然含水量为70.12%，液限为51.2%，，塑限为21.3%，水灰比为0.45。

为实现本发明的第二个目的，本发明的技术方案是包括以下组分，按质量份数比计：

水                 8.142份

水泥               2.545份

干土粉             10份

生石膏粉           0.204份

粉煤灰             0.767份

复合外掺剂         0.064份。

 所述的复合外掺剂包括有以下组分，按质量份数计：

三乙醇胺          8份

盐囟               24份

水玻璃            20份

明矾               14份

绿矾               12份

红矾               10份

木质素横酸钙     12份。

本发明相较于现有技术，其优势在于：

1）采用水泥浆“改性”固化新配方进行喷浆，针对土钉喷网支护的特点，在实际工程中经过多次试验，确定水泥喷浆配合比为“水泥(掺量15%) +生石膏粉(为水泥的8%) +复合外掺剂(为水泥的2.5% )+粉煤灰(为水泥的30%)”。该新配方不但明显提高水泥土早期强度（早强对基坑开挖很重要），而且较大地提高水泥土90天无侧限抗压强度。

2）采用2-3排大直径竖直锚管，竖直锚管为75×4.5mm--120×5mm钢管，这样的竖直锚管喷浆后形成的水泥土体相当于竖直微型桩，这些竖直锚管与地基土的相互作用后在基坑支护中起了很好的抗滑作用，理论与工程实例表明，在土钉喷网基坑支护中只要这样的大直径竖直锚管有足够的入土深度，就能满足其整体稳定性与变形要求。见图1。

对实际工程可以调整竖直锚管的间距或直径或排数以满足改性土钉喷网支护的稳定性要求。如变形要求特别严格的部位可以设3排大直径竖直锚管喷浆来实现，必要时还可设置1-2排大直径水平锚管喷浆来实现。

3）采用2-3排大直径竖直锚管，设置1个1000-1500宽的缓冲台阶，以构成“门架式桩支护”，其抗变形能力大为加强。如图1为温州市区某挖深为5300的门架式锚管土钉(改性水泥浆)喷网支护典型剖面。（打了两排108×4.5mm的竖直锚管，前排@500, 深9米； 后排@500, 深11.5米，横向土钉为48×3 .5mm锚管@1000*1000）。

4）砼面层增至100mm厚，网筋改为10（竖向）×8（水平向）。

由于土钉喷网的喷层通过网筋与土层间产生“嵌固层效应”， 同时增强了土体的整体性，使之也成为支护结构的一部分。

5）坑内水泥搅拌桩加固

       对软粘土+欠固结土，或含水量大于70%的软土，如为大面积卸荷施工，采用坑内水泥搅拌桩加固对减少基底隆起及整体稳定牲效果明显。

本发明工艺所加固的软粘土是淤泥，天然含水量为70.12%，液限为51.2%，，塑限为21.3%，；水灰比为0.45。

本发明的优点在于：在原有的常规土钉喷网支护技术基础上，通过采用水泥浆改性新配方进行喷浆，通过增加了竖向（及横向）大直径竖向（锚管）土钉，并改进基坑剖面形式（门架式）等，在温州与同等条件的其它类型支护相比,可节约造价约40%左右;节省工期,边开挖边支护；适应性强、无噪音无污染、不扰民；适应于环境复杂的城市地区，从技术和经济的角度都具有很强的竞争力。

其中水泥浆“改性”新配方的施工方法与传统的水泥浆施工方法相比，仅需要事先按比例将水泥、生石膏粉、粉煤灰、复合外掺剂搅拌均匀，其他均相同。而门架式锚管土钉喷网支护方法与传统常规的土钉喷网支护技术相比，仅需要根据不同的基坑深度与周边施工场地确定增加几排竖向大直径竖向（锚管）土钉，并采取门架式基坑剖面，并适当增加砼面层厚度及网筋规格，其他均相同。

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步介绍。

附图说明

图1 本发明工艺工程剖面示意图；

图2 本发明实施例2基坑所处周围环境布置图；

图3 本发明实施例2水平位移实测曲线图；

图4 本发明实施例2地面沉降实测曲线图。

其中图1中，1为竖直锚管、2为水平锚管、3为喷网面层，4门架式支护。

具体实施方式

下面通过实施例子对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

土样取自温州市区某工地，并取埋深2.6m（淤泥质粘土）和5.0m（淤泥）处土样各一个进行化学成分分析，根据化学成分分析情况，选取三乙醇胺、盐囟、水玻璃等7种化学外加剂作为复合添加剂，与水泥、生石膏粉、粉煤灰复合而成。因目前还没有专门适合水泥土室内抗压强度试验的试验机,本试验采用建材试验室砂浆试模(7.07cm×7.07cm×7.07cm)和小压力砂浆试验机。烘干土样在碾磨机上碾碎,过筛后将事先按比例称好的上述材料和自来水按一定顺序放入搅拌锅内,用搅拌铲人工拌和均匀,然后分两次装入试模,分别用直径25mm钢筋击振50次,刮平试模,盖上塑料布。试块成型后在20C下养护24h脱模,放入标准养护室养护2d拆模,脱模后放入标准养护室,分别按7、28、60、90d龄期进行养护。

配制原料为: 水泥采用普通硅酸盐水泥,标号425, 生石膏粉为白色干粉，SO₃含量42.5% ,比表面积3500cm2/g；粉煤灰为干排粉煤灰，SiO₂、CaO的质量份数分别为30%、6%；粉煤灰的质量为水泥质量的30%，生石膏粉的质量为水泥质量的8%。

 1、单一外加剂试验

从激发固化剂本身强度，调节水泥水化环境等因素考虑，选择了石膏、外加剂a作为单一外加剂进行强度试验．试验结果见表1。分析表1的结果可以看出：外加剂均有一定的增强作用，外加剂a较石膏增强效果好，但单一外加剂的增强作用均不显著。

表1  单一外加剂试验试验结果一览表

备注：试样1为基准配方,表中每试样编号均有3个试块做正交试验，其中数值为3个试块的平均值。

同时对粉煤灰的掺入比例进行了多组正交试验，试验结果见表2。表2中配方A粉煤灰为水泥质量的50%，配方B 粉煤灰为水泥质量的100%。从表2可以看出:新配方A 、B和基准配方相比其各龄期无侧限抗压强度均有较明显增长，其90d龄期无侧限抗压强度约为基准配方的125 %，而材料消耗仅为基准配方的95%。配方B虽然粉煤灰含量是配方A的2倍，但其无侧限抗压强度却比配方A的强度低，这可能是因为粉煤灰具有冲淡和密实双重作用，粉煤灰一方面由于其成分中含有一定量的玻璃质漂珠，掺入水泥土中后会增加和易性，相应减少掺水量，增强密实度，提高强度，但另一方面，过量的粉煤灰会降低水泥的活性，减少其和软土相互反应成为凝胶体的能力。

表2   粉煤灰掺入比例与强度的关系试验结果一览表

备注：试样1为基准配方,表中每试样编号均有3个试块做正交试验，其中数值为3个试块的平均值。

2、复合外加剂试验

参考表1的试验结果，并对有关掺合量的加固机理进行了相应的研究，选择石膏、复合外掺剂、粉煤灰按一定比例组合而成的复合外加剂(掺合料)为配方进行试验，石膏掺量为3%～10%，复合外掺剂掺量为0.5%～3%，粉煤灰掺量为30%--100%(以上掺量均以基准配方中的水泥为基准)，试验结果见表3。

表3    复合外加剂试验结果一览表

备注：试样1为基准配方,表中每试样编号均有3个试块做正交试验，其中数值为3个试块的平均值。

由试验结果（表3）可知：成本没有提高而强度增加较好的配方(配方6a) 是石膏为 5% ,复合外掺剂为1.5% , 粉煤灰为50%,水泥掺合量为11%,该配方与不掺外加剂的基准配方(水泥掺合量18%)的7ｄ、28d、90d抗压强度相比 ,强度分别提高了25%、33.3%、37.1%。而配方7a（9a）的7ｄ、28d、90d抗压强度与基准配方相比分别提高了59%（93%）、56%（93%）、50%（93%），增强效果显著，而成本仅提高了5%（15%）。

另外从表3也可以知道复合外掺剂与生石膏相比影响的因素大（效果明显）,粉煤灰的影响因素居中 , 但三者复合后综合影响最大,复合外掺剂总量越高强度越大 。由于石膏的单位价格只有水泥的10%,复合外掺剂虽然成本是水泥的10倍, 但掺量仅为水泥重的0.5%-3%,故表3的消耗成本均较低, 如配方8a的7ｄ、28d、90d抗压强度与基准配方相比分别提高了59.2%、55.8%、49.5%，成本仅提高了10%,综合因素比较适中。

发明锚管土钉喷网支护改性室外新配方的目的是在合理成本的前提下尽可能提高强度。因此在常规水泥掺量不变情况下，以表3配方8a为依据，考虑粉煤灰的加入会对施工略增加难度，综合确定为配方10，其7ｄ、28d、90d抗压强度与基准配方相比分别提高了98.7%、95.3%、92.6%，成本仅提高了21%。

由此确定这种加固锚管土钉喷网支护的水泥浆“改性”加固配方为：“水泥(掺量15%) +生石膏粉(为水泥的8%) + 复合外掺剂(为水泥的2.5% )+粉煤灰(为水泥的30%)”。

实施例2

如图2所示为温州某基坑所处周围环境布置图，该基坑长123米、宽82米。该基坑南边紧靠大路（与已修路面边相距10米），路边有自来水管管线通过；北边相距12米有商品房，东边10米处为2幢民房、西边紧靠大路（与已修路面边相距10米）；基坑深度4.9米。根据以上情况，在温州该基坑不能采用常规土钉喷网支护，而应采用“钻孔灌注桩+内撑”支护。如是常规土钉喷网支护，造价约2300元/延米；而“钻孔灌注桩+内撑”支护，造价约6700元/延米；而采用“水泥搅拌桩+土钉喷网” 支护，造价约5500元/延米；经综合分析，最后该工程采用了本申报专利项目-门架式锚管土钉（改性水泥浆）喷网支护新技术，典型剖面见图1，其中图1中，1为竖直锚管、2为水平锚管、3为喷网面层，4门架式支护，造价约3700元/延米。该工程已完成2年多，施工期及工后情况都很好。

该工程的基坑四边水平位移最大点情况见表4。典型的水平位移实测曲线及地面沉降实测曲线见图3、4。

表4  基坑四边水平位移最大点情况

注：5月10日土方施工完成，6月5日地下室外墙施工完毕，基坑变形趋于稳定。

由图3图4以及表4可知该新技术对加强土钉喷网的表面刚度和控制整体位移、对抗滑及整体滑动效果明显，强度和变形都符合要求。获得了很好的经济效益和社会效益。