预应力锚索施工技术论文

李锦峰  王治德  庄乾国

摘  要   本文简要叙述了三福高速公路K151+300处高边坡的不良地质情况，介绍了该边坡的动态加固措施，重点叙述了新型压力分散型预应力锚索加固边坡的机理和施工工艺。

关键词   压力分散型预应力锚索     施工工艺     差异荷载

1．工程概况

三福高速公路SA3标段，是国道主干线京福高速公路三明段的一部分，起讫里程K149+000～K156+1.11。线路经过地区属闽西北山区，地形复杂，变化起伏大。地质条件差，多为不良地质地段。故设计文件对该段的高大边坡未做施工图设计，而是根据施工情况，进行动态设计。K151+190～K151+420段左侧边坡段，从两山间鞍部通过， 山体表层为坡残积粘性土，厚度约3～1m，向前方向土层变厚；其下为砂土状强风化变粒岩，厚度约5.0m，碎块状强风化变粒岩，厚度约10～15m，下部为中～微风化变粒岩，节理发育，岩体极为破碎，同时存在绿泥石蚀变现象，岩质较软，边坡稳定性差，属不良地质路段，边坡共分八级，开挖高度达60余米。

边坡开挖后，坡体破碎，节理裂隙发育，且倾向路基，坡体表现为中微风化变粒岩、块状强风化变粒岩和坡残积粘性土，在中微风化变粒岩与块状强风化变粒岩间有一明显的薄弱面，边坡自稳能力差。受降雨影响，二级边坡坡体及平台整体向下滑坍，滑动岩石为块状强风化变粒岩，沿二级弱风化变粒岩裂隙面滑动，沿裂面外伸0.05～0.1m。在山体背侧出现沿路线方向的纵向裂缝，缝宽2～3cm，裂缝还有发展的趋势，有整体滑塌迹象。

针对边坡开挖情况，为保证边坡加固质量，由施工单位和业主、监理、设计等单位共同成立了边坡综合治理小组，对边坡进行动态设计、施工。通过多次理论论证，现场勘察并进行多方咨询，确定了采用压力分散型预应力锚索对边坡进行加固的实施方案。并通过了中铁西北科学院、重庆交通科研所、福建交通规划设计院、辽宁交通规划设计院等数家科研、设计单位的专家论证。

2．压力分散型预应力锚索加固方案

2．1压力分散型预应力锚索作用机理

预应力锚索框架加固防护是把破碎松散岩体锚固在地层深部稳固的岩体上，通过施加预应力，使锚固范围内的软弱岩体挤压紧密，提高岩层间的正压力和摩阻力，阻止开裂松散岩体位移，从而达到加固边坡的目的。如图1所示，通过对阴影部分坡体施加预应力锚索，把坡体锚固于潜在滑移面下稳定的中微风化变粒岩中，保持坡面状态深入坡体内部进行大范围加固。预先主动对边坡松散岩层施加正压力，增大坡体对滑移面的正压力，增大了抗滑力F，使坡体趋于稳定。通过锚索孔的高压注浆，浆液能充填坡体内裂隙和空隙，提高了坡体内破碎岩体的强度，由于水泥浆的凝固作用使破碎的岩体连成整体，增强了坡体的整体稳定性。

2．2加固方案

对边坡坡体的加固主要集中在中部，将坡体锚固于稳定的中微风化变粒岩中(如图1)，考虑锚固段中微风化变粒岩的力学参数，在第三、五级采用预应力锚索框架防护，框架单片长6m，每片设4孔锚索。第三阶K151+240～K151+384段设24片锚索框架，上排锚索长29m，下排锚索长27m，锚固段长均为12m，锚固段均采用12m，锚索张拉力均采用700KN；第五阶K151+276～K151+360段设14片锚索框架，上排锚索长37m，下排锚索长34m，锚固段长均为12m，锚索张拉力均采用600KN，框架中间采用预制六棱砼块植草防护。

图1～427段左坡边坡断面分析图

2．3锚索的杆体结构

锚索由钢铰线、导向帽、架线环、波纹管、锚垫板及锚头等部件组成(如图3)，根据其受力状态可分3段：

锚固段：其作用是依靠浆体与周围岩土之间的摩阻力来提供锚固力；

 自由段：主要起传力作用，长度与破碎岩层或滑体厚度有关；

张拉段：指锚头以外部分，为锚索张拉锁定施加预应力而预留的，张拉锁定后割断钢铰线。

图2锚索杆体结构图

3．施工工艺

压力分散型预应力锚索施工工艺流程图

图3  预应力锚索施工工艺流程

3．1钻孔

对于预应力锚索加固工程的放线，按设计桩号采用拉线尺量放线，定出孔口位置。按设计孔口位置在脚手架上安装专用机座，将钻机安放在机座上，用方向架放出锚索方向角，以测角仪调整倾角达设计要求（设计要求孔倾斜误差不大于2°），将钻机与机座及脚手架固定好，复核孔口位置、方位和倾角，确认无误后，安上冲击器和钻头，接上风管，进行钻孔，钻孔过程中应超钻2m为宜。

钻孔结束后，取下钻杆及钻具，冲洗干净，摆放整齐以备继续使用。另用一根聚乙烯管复核孔深，并以高压风吹孔，待孔内粉尘吹净，拔出聚乙稀管，以织物或水泥袋纸塞好孔口备用。

钻孔过程中应注意的事项：

1)钻锚索孔不取岩蕊，钻进过程中禁止水冲，以确保锚索施工不致于使边坡岩体工程地质条件恶化。

2)锚孔下倾角（与水平面夹角）为30°，钻孔允许误差±2°，为确保锚孔深度，钻孔深度要求大于设计孔深0.5m。

3)钻进过程中应对每一孔地层变化（岩粉情况）、钻进情况（钻压、钻速）、地下水情况，以及某些特殊情况等，进行记录，若遇坍孔，应立即停钻进行固壁灌浆处理（灌浆压力0.1～0.2Mpa），灌浆36小时后重新扫孔钻进。

4)钻进完成之后必须使用高压空气（风压0.2～0.4Mpa）将孔中岩粉及水全部清理干净，以免降低水泥净浆与孔壁岩体的粘结强度。

5)锚孔完成后须经质检部门检查方可进行下一道工序的施工。

6)钻孔中特殊情况的处理：

a渗水的处理

在钻孔过程中，或钻孔结束后吹孔时，如吹出的不是粉尘，而是一些小石粒或黄色泥团甚至泥浆，这说明孔内渗水，岩粉大多贴于孔壁，需要根据渗水量的大小进行不同的处理。

当渗水量不大时，钻机可以工作，钻至设计孔深，撤出钻杆，以0.6～0.8Mpa的高压水、气，将孔内残余岩粉或泥浆吹出，直至吹出净水为止。

当孔内渗水量较大时，则需进行固壁防渗注浆处理，具体方法是：先洗孔（方法同前），然后灌浆，浆液为水泥砂浆和水玻璃的混合液，灌浆采用从内至外分段灌注（孔浅可一次灌注），一般锚固段做一次灌注，张拉段根据孔内吸浆量可分2～3段进行。注浆压力根据钻孔深度与岩石完整情况而定，一般为0.3～0.4Mpa，在可能的条件下可适当加大压力以提高灌浆质量。待灌入的水泥浆达到一定强度后，重新钻孔至设计标准。

b坍孔处理

当钻孔穿过强风化岩或岩体破碎带时，往往会出现坍孔。坍孔的主要特征是：从孔内吹出的岩粉中夹杂一些原状（非钻头击碎的、非新鲜的、无光泽的）石块，这时，不管钻进深度如何，都要果断地立即停止钻进，拔出钻具，进行固壁灌浆。灌浆的方法同防渗处理。

3．2锚索制安

3．2．1锚索制作

锚索的设计长度是从钻孔的孔口算起的，钢铰线的总长应为锚索的设计长度（钻孔的实际长度）、框架梁厚度、千斤顶长度、工具锚和工作锚的厚度以及张拉操作预留量的总长。一般情况下，钢绞线的截余量取50cm，考虑到下料的有截长误差，且锚索越长误差越大，故采取的截余量为100cm。

压力分散型锚索钢绞线采用厂家生产的无粘结型的钢铰线，钢绞线截取以前，首先进行调直，要确保每一根钢铰线始终顺直，不扭不叉。钢铰线的截断最好采用无齿锯，尽量避免用电焊或气焊割，以免对钢铰线造成损伤。截好的钢铰线平顺地放好，并进行严格的质量检查，剔除不合格的，对合格的进行登记、挂牌、标记锚索编号（与钻孔编号对应）。

量出锚索的设计长度和锚固段三个单元的长度，分别做出标记，在每单元的起点位置安装钢质承载体及挤压套，且锚索的端部安放导向帽，下锚时能够顺利入孔。为保证锚索在整个制作及下锚过程中不变形，每隔1.5m穿一个架线环（架线环根据钢铰线数量而加工），两对架线环之间扎铁丝一道，装入塑料软管用于孔道压浆，在坡面孔口位置锚索要求增加一个架线环，保证外露部分锚索杆体不变形。

3．2．2锚索运输

本工点的锚索编制是在工地上进行的，且由6根钢铰线组成，全部由人工抬至工作台上。当离工地较远或组成锚索的钢铰线数量较多时，可以盘成直径1.5～2.0m的圆盘，以便于吊装和运输。

3．2．3锚索安装

在向钻孔中安放锚索之前，要认真核对锚索的编号是否与钻孔编号一致，确认无误后，再以高压风清孔一次，即可着手安放锚索。对于下倾锚索安装较易，由人工缓缓地将锚索插至孔底即可，送索入孔时，要注意使锚索顺直，用力均匀，不要左右摆动。注浆管与锚索同时安放，从架线环的中心钢管内穿过，管口距离孔底30～50cm。

3．3注浆

注浆采用孔底返浆法（注浆管不拔出），先将注浆管与锚索同时安装，注浆管插入距孔底30～50cm处，用压浆机将M40水泥净浆注入孔底，注浆压力为0.4Mpa左右，当孔口出现溢浆且持续时间不低于2min后，方可停止注浆，且需二次补浆。

3．4锚索框架

框架为C25级钢筋混凝土结构，是一个完全受压构件，它把锚具的集中荷载均匀地传递到岩面。因孔口岩面与锚索轴线不垂直，故框架有调整岩面受力方向的作用。框架必须连同HVM锚垫板及孔口波纹管、螺旋筋、注浆管一起现场浇注。

3．4．1测量放线：根据设计将各条框架在道路方向的点位放出，拉线放样。

3．4．2刻槽及找平：坡面开挖完成后，坡面整体会有不平整现象，为减少坡面不平整对框架的影响，采用人工刻槽大致找平，并在刻槽面用2～5cm砂浆进行调平，遇局部架空采用M10浆砌片石嵌补。

3．4．3钢筋制作及安装：钢筋先除锈、调直，然后按大样图下料，加工成型，主筋搭接长度为30d，各项误差均应在规范允许的范围之内。纵横梁交叉处让横梁顶部钢筋从纵梁顶部钢筋下部通过，而其底部钢筋则从纵梁底部钢筋上面通过，钢筋不得断开。

3．4．4模板制作及安装：因坡率较陡，支护存在困难，在侧模边打入钢筋头并用方木条和木楔支护以确保侧面不跑模，顶模支护着力点则放在施工搭设的钢管架上，使模板支撑稳固。

3．4．5C25砼浇注：先将模内浮渣余土清除干净，在伸缩缝处预埋2cm厚泡沫隔板，按锚索倾角要求预埋φ146mm的PVC管，浇注砼时从基础沿纵梁逐步浇注，一片框架砼一次性浇注完毕，尽量不留置施工缝，浇注完成后及时洒水养护。对于框架竖肋部分的采用临时模板，随混凝土的浇注高度进行增加模板，该模板要砼终凝前及时拆下，竖肋部分砼应抹平压光。砼浇注过程中，严格按配合比控制好坍落度，坍落度大，竖肋部分模板不能及时拆下，影响压光；坍落度小，影响砼的振捣密实。

3．5锚索张拉

锚索张拉前，需对张拉设备进行标定。标定时，将静探数显仪、传感器、和高压油泵连好，高压油泵启动增压，反复试验3次，取平均值，绘出传感器仪表读数（相应荷载吨位KN）和油泵仪表读数（MPa）曲线，作为锚索张拉时荷载控制的依据。

3．5．1试验孔张拉

在锚索施工中，为确保高边坡采用预应力锚索加固的经济合理性、安全可靠度，及验证锚索杆体施加应力的准确性，用以确定岩土体力学参数，在预应力锚索施工前应进行拉拔破坏试验。每处边坡选三个试验孔，锚孔长度采用22m、20m和20m，孔径φ130mm，倾角30°，试验孔的张拉力采用所在坡面锚索的张拉力。锚固段长度分别采用为10m、8m和6m，自由段不注浆，锚固段如遇土质或砂土状强风化岩应采用二次高压劈裂法注浆。试验孔下锚时在自由段和锚固段相连处安装止浆带，使锚固段全长注浆，自由段不注浆，以防止锚索全长注浆后对试验结果造成人为偏差，保证试验结果正确性。

由于压力分散型锚索各单元锚索长度不等，张拉时，同时施加张拉力，会使各组锚索产生不同的拉力，进而达到的破坏荷载仅是各组锚索分别破环的荷载，达不到试验的效果。根据有关规范，采用将各组锚索分布先后张拉，统一达到所有锚索极限破环荷载的80%时，使各组锚索拉力相等，具体步骤如下：

⑴先将所有锚索一超拉至15% A×fpuk，将钢绞线拉直，然后松开；

⑵将第一单元拉至分步荷载的对应荷载△L×P/(3×L)（第一张拉组张拉单元的差异荷载），然后再与第二单元一起拉至第二单元对应荷载[2/L+1/(L-△L)]×P×△L/3（第二张拉组张拉单元的差异荷载）；

图4锚索差异荷载计算示意图

⑶此时加上第三单元锚索，按照第二单元对应荷载的1.5～2.0倍作为循环荷载起始点，进入循环加载试验。

其中，L为孔深，△L为各单元锚索长度差，P为锚索极限破环荷载A×fpuk的80%。

通过试验数据分析，坡体的预应力锚固效果比较好，安全系数符合规范要求。

3．5．2锚索张拉

锚索的张拉按一定次序分单元采用差异分步张拉（根据设计荷载和锚筋长度计算确定差异荷载）。锚索的锁定荷载分5级施加，即设计拉力的25%、50%、75%、100%和110%。锚索在正式张拉前，应取10～20%的设计荷载，对其张拉1～2次，使其各部位接触紧密，钢绞线完全平直。考虑到地层松弛徐变等影响，预应力锚索超张拉吨位取设计荷载的10%，每一级荷载达到时要持荷不少于5分钟，最后一级持荷至观测位移稳定为止，记录拉力和锚头位移值，按设计要求进行锁定。

张拉过程中，应按设计荷载进行编制张拉作业指导书，设计张拉力与锚索长度的变化都将会引起补偿荷载的差异性。张拉油表读数及钢绞线伸长量应作详细记录，用荷载和钢铰线伸长量进行双控，保证锁定荷载的准确性。

3．6封口注浆

张拉结束后，立即注入不小于M40级的水泥净浆封口，注浆管从预留孔插入直至管口达到锚固段顶面约50cm。注浆至孔满溢出，拉出注浆管，边拉边注浆，以防形成空隙，孔中的空气经外锚墩预留气孔中排出。

3．7外部保护

注浆封口后，从锚具量起，留30mm钢铰线，其余部分截去，在其外部覆盖厚度不小于50mm的与锚梁同标号的砼封头，以防锈蚀破坏。为保证框架的整体美观性，封头应采用相同的模具进行封头。

4．结束语

该边坡于2002年3月施工完毕，经过南方4月～6月份雨季之后，进行观测，各项指标符合要求，边坡稳定性良好。目前该技术已在三福高速公路中广泛应用。由于能充分地调动和提高岩土体的自稳能力和自身强度，大大减小结构物体体积和减轻结构物自重，显著节约工程材料，并有利于施工安全优点，已成为提高岩土稳定性和解决复杂的岩土工程问题最经济最有效的方法之一。

参考文献

1．中华人民共和国国家标准．锚杆喷射混凝土支护技术规范．中国计划出版社．2001年

2．中国工程建设标准化协会．土层锚杆设计与施工规范(CECS22：90)．中国计划出版社．1991年

3．SA3合同段高边坡动态设计．福建省交通规划设计院、中铁西北科学研究院

技术总结、论文申报评审表