预应力锚索加固路堑高边坡施工

预应力锚索加固路堑高边坡施工金斌1陈琦1傅珂2(1江西省高等级公路管理局南昌330013)(2江西省公路科研设计院南昌330002)摘要：泰和—赣州高速公路K211+650～K211+950段右侧高边坡位于山岭重丘区,最大挖方高达98m。地质情况为全风化～强风化花岗岩，呈碎裂结构，极易产生坍塌、座落和滑移等现象，影响边坡稳定。针对此段路堑边坡工程地质条件，并利用极限平衡理论作出稳定性评价后，采用预应力锚索加固的方案。本文通过工程实践简要总结介绍预应力锚索在高陡路堑边坡和地质条件复杂的情况下应用的施工方法。关键词：道路工程;高边坡;预应力锚索;施工0前言高边坡在高速公路中具有造价高、支挡难等特点，传统的支护方法无非是护面墙、护坡、挡土墙等硬性结构物，本身自重大，受力性能差，易失稳。预应力锚索通过特殊手段将钢绞线变成长期处于高温状态下的受拉结构体，从而增强被土体锚固强度，改善岩体应力状态，提高岩体稳定性。因该技术具有先进性、经济性、可靠性等优点，近年来在高速公路深挖路堑边坡支护中越来越多被采用。预应力锚索的作用机理是将岩土层对锚索锚固段的摩阻力，通过自由段传递到边坡结构物（地梁），以维持其受力平衡；其组成分为三部分：内锚头、外锚头和锚索体。内锚头又称内锚固段，置于稳定岩体中，受力后通过水泥砂浆与岩体联接而提供锚固力，锚索体一般由钢绞线组成，而外锚头主要由锚具与夹具组成，通过外锚头以实现对岩体施加预应力。一方面，由于预应力的作用，使岩体结构面呈压紧状态，从而提高岩体本身的整体性；另一方面，锚索的加固预应力直接改变了滑动面的抗滑力，使边坡得以加固、稳定。1工程概况泰和—赣州高速公路全长127.818km,为我省第一条山岭重丘区高速公路，地形、地质复杂，高边坡居多;其中K211+650～K211+950段线路右侧为其中一处，由江西省交通设计院设计，C5合同段中铁十八局四处施工。此处高边坡地处遂川县巾石乡巾石村辖区，距遂川县城30km；路线所处区域以低山丘地貌为主，山间沟谷地相对发育，地下水类型主要有：第四系松散岩类孔隙主要赋于山间沟谷地及沟谷盆地的冲洪积层中，水量较丰富，给施工带来极大难度。边坡为开挖山体后形成的人工边坡，高达98m，共11级，其中第二、三、四级边坡分别高10m，设计坡率为1：0.25。地处强风化~弱风化呈土状的花岗岩地层，局部可见棕褐色、呈球状风化壳，支护采用预应力锚固技术，边坡第二、三、四级分别设置预应力锚索框架加固边坡，锚孔最深达到37m。每级边坡设置为3排预应力锚索地梁，地梁锚索间距为3m，地梁尺寸为0.8*0.6m，采用C25钢筋混凝土浇注。2预应力锚索施工2.1工序流程预应力锚索施工工序流程为：准备工作→测量放线→工作平台搭设→钻孔→制作锚索→下锚索→注浆→纵、横地梁施工→张拉和锁定→封锚。2.2主要工序质量控制2.2.1钻孔锚孔钻进施工，搭设满足相应承载能力和稳固条件的脚手架，根据坡面测放孔位，准确安装固定钻机，并严格认真进行机位调整，确保锚孔开钻就位纵横误差不得超过±50mm，高程误差不得超过±100mm。钻孔采用风动干钻施工法，不能采用水钻。钻孔直径为130mm，孔深必须保证索孔嵌岩深度不小于设计嵌岩深度，孔比杆长0.3m,根据现场施工钻孔记录,随时调整钻孔深度。造孔必须精确：孔位必须对照锚索空间位置准确放样，保证同一排锚索横、纵向位置必须分别在同一横、纵梁的中部，孔斜按设计要求与坡面成150的俯角,确保每根锚索在空间平行。 此段高边坡有些地层松散、破碎，为保证钻孔完整不坍塌，采用了跟套管跟进技术；有些地层出现了孤石，当出现卡钻、堵孔或坍塌时，应在孔中局部注浆后同一位置进行二次造孔。另外，该处高边坡地下水非常丰富，施工时设置了泄水孔，用潜孔钻打孔，有的深度达37m，降低了地下水位，水压、水量明显变小，给钻孔施工带来便利，同时对边坡稳定起到了很大作用。2.2.2制作锚索、下锚索锚索内锚固段采用了胶结式，胶结材料为水泥浆，强度等级为M30，并掺入高效减水剂以提高早期强度，锚固段设计长度为10m，使用前应除锈。第三、四级边坡锚索体采用4φ15.24mm(每根由7*φ5mm扭成)高强度低松弛钢绞线；根据现场条件，原有边坡变更为9级边坡，荷载极大，考虑到边坡稳定及今后行车运营安全，参建各方一致达成意见将第二级边玻锚索钢铰线由四束改为六束，为此更换了锚索锚具、定中件、扩张件，并重新送检，每根锚索设计吨位500KN。外锚头形式多种多样，此处采用夹片式，对应锚具为XM15－4型锚具。锚索制作前应对钻孔实际长度进行测量，并按孔号截取锚索体材料，钢铰线必须采用机械切割。在编束前要对钢铰线进行筛选，有死弯、机械损伤及锈坑的应剔除。锚固段扩张件与紧箍件每隔1m间隔交替，紧箍环用16号铁丝绑扎，≮2圈。绑扎完后，在自由段每根钢铰线上涂上黄油，并将钢铰线绑扎成束，各外套厚≮2mm的热缩型塑料管。在第二级锚索施工时，根据现场钻孔记录,原有设计不能满足深度要求,可能导致失稳,施工方及时调整锚索参数，增长锚索,同时为加强锚固力,10m锚固端增加扩张件个数,调整间距,由原设计的2m调整为1.5m;自由段定中件个数随之增加,间距由原来2.0m调整为1.8m。锚索制作完成后，按锚索长度、规格编号进行外观检验，下锚索：下锚前应对前钻好的孔进行清孔，待终孔后，用高压风（0.2MPa~0.4MPa）将孔中余碴、岩粉及水全部清除出孔外。安装锚索时，为防止索体扭压弯曲，无对中支架的面朝上。锚索的运输和吊装应因地制宜拟定详细的方案，推送锚索时用力要均匀一致，确保锚索快速、平稳进入孔内，不得损伤锚索及其防护涂层。2.2.3注浆锚索注浆采用水泥单液浆中掺入减水剂，浆液采用水灰比0.41的纯水泥浆,选用UBJ-0.8型注浆泵，并在水泥浆中掺入8%～10%的膨胀剂。为保证注浆效果，通过对注浆塞制作进行了5种方案比选，作了注浆试验，最终采用35#水泥砂浆直接堵塞孔口，结果注浆效果良好，能使注浆压力达到设计要求。注浆采用二次注浆,首次注浆至排气管冒浆时，停5min,然后进行第二次注浆，待注浆至排气溢出与搅拌浓度相同的浆液，然后封闭排气管，用2MPa的压力注浆，压力达到设计值时，持续5min停止。每次注浆完成后应将注浆管、注浆枪和注浆套管清洗干净。值得注意的是，由于本高边坡地质破碎，注入孔内的浆液向岩石周围的裂隙扩散，一定要观察是否有浆液流出，以保证注浆的饱满。2.2.4地梁施工按照设计要求尺寸开挖地梁基槽，将预制好的钢筋放入基槽内，用25#混凝土浇注，考虑到整体更好受力，选浇注好纵梁后再浇注横梁。为减少结构物自重将横梁尺寸由原设计的80cm厚减少为60cm，同时配筋适当减少。浇注混凝土时固定好模板，不要因为捣固混凝土而使模板变形。地梁施工宜在锚索注浆完成7d后开始施工，同时采用加设套管措施对锚索进行保护。2.2.5张拉和锁定为验证锚索锚固力是否符合设计文件要求，张拉前必须进行单锚抗拔试验，切忌不能将千斤顶配合钢板直接在边坡上试验，从而导致抗拔力失真。张拉设备必须采用专用设备，并送相应资质单位标定、检验合格后方可投入使用。待锚孔内的水泥浆和地梁混凝土达到设计强度才能进行锚索预张拉。张拉采用“双控法”即采用张拉系统出力与锚索体伸长值来综合控制锚索应力，以控制油表读数为准，用伸长量校核，实际伸长量与理论值差别应在6%以内表明张拉正常，否则应查明原因并采取措施后方可进行张拉。锚索张拉前安装好锚具，并使锚垫板和千斤顶轴线与锚索轴线在一条直线上，且不可压弯锚头部分。张拉分两次进行：预张拉和超张拉。预张拉采用整体张拉，张拉力为0.1～0.2倍设计应力值，并进行1～2次。为考虑到后期锚索的预应力损失，超张拉力提高到设计预应力1.05倍,张拉采用五级张拉，每次加载与卸载速率要平缓，并作好加荷和观测变形记录，第二级边坡锚索设计预应力为750KN,采用超张拉5%，即张拉到787.5KN时锁定。2.2.6封锚张拉最终锁定后将锚具外多余的钢铰线须用机械切割，并应留长5cm-10cm外露锚索，以防滑落，然后用混凝土将锚垫板、锚具及外露的钢铰线封住。3监控量测 针对此处高边坡高、陡、地质条件差且与相应地层岩性存在不相符等特殊条件，建设单位委托华东交通大学从2002年10月起对施工现场长期进行高边坡变形监测与稳定性评价。在分析研究勘察、设计资料基础上，依据其地层岩性，断层和节理裂隙，结合施工中遇到的问题，建立坡体地表、深度位移监测体系，并对成果进行分析。3.1坡体地表位移监测通过在边坡平台、坡顶布设相应的观测点实现监测网的需要。该工点建立的位移监测网，主要集中于边坡加固的结构物、坡体前缘及估计可能变形达到的点。对这些点每一次与第一次的位移变化,做出位移-时间曲线,通过对曲线的分析判断坡体的变形趋势。3.2坡体深度位移监测沿该处高边坡纵断面线路打3孔，通过地质条件分析其最可能的滑段及潜在最深的滑动面，其深度大约50m、70m、60m，避离锚索体在极有可能的滑动段在坡顶前缘依次布置3个孔。3.3钻孔水位分析在进行深度位移监测的同时可以获得地下水位的相关资料，通过对钻孔位移和水位的综合分析，可大致了解坡体变形和地下水位间的关系，及时有效的对边坡的排水措施进行必要的修正和巩固。对已加固过边坡建立有限元模型进行数值模拟,得出如下结果：在不考虑锚索作用下，坡体沿现潜在滑动面安全系数Ks为1.02，认为处在临界状态；考虑锚索作用，将锚索作用力等效成力矩，安全系数Ks为1.23，可以认为坡体在预应力锚索框架的反压下，在当前可保持稳定。通过对该高边坡监测结果及数值模拟、极限平衡法验算结果的分析，认为其整体保持稳定。4施工中应注意事项1、边坡锚索工程施工须开挖一级、加固一级，避免边坡长时间裸露，使边坡在施工过程中保持稳定，在降雨前后和下一级坡面开挖中，应对已建好锚索进行位移监测，以判别锚索工作及后续施工提供依据；2、钻孔过程中，若发生卡钻、堵孔或塌孔现膨胀土体修路难题被攻克如何在膨胀土土体上修路,一直是困扰工程界的一道难题。日前，武汉工业学院交通研究所何晓鸣教授的有关研究成果通过鉴定，圆满地解决了此类问题。该研究项目依托湖北省襄十高速公路养护工程，针对工程的地质条件，实施膨胀土种植灌木和草皮，还原生态环境。这项成果的成功应用，创造直接经济效益上千万元。《交通决策参考》周刊2006年第12期象，应立即停止检查，在孔中局部注浆后在同一位置二次造孔；3、每一孔必须按设计要求与坡面成150的俯角，以确保每根锚索空间平行；4、每一锚索必须对空间位置准确放样，同一排锚索横梁位置必须在同一横梁中部，纵向位置必须在同一纵梁中部；5、地梁施工必须平顺，且与坡面保持一致。对于局部出现坍塌地段，地梁的设置不得随坡面起伏，地梁正常位置与坍空部位必须以片石混凝土或地梁的同级混凝土回填，不得用片石回填；6、为保证锚索张拉时锚具与钢铰线正交，每一地梁必须按设计要求设置调坡楔块；7、锚具下设的锚垫板，施工时必须固定、以确保混凝土浇注时移位，同时为防止钢铰线张拉时扭曲，钢铰线束必须在锚垫板的中央；8、施工记录必须详细、真实反映施工现场情况，及时总结、积累经验；9、锚索锁定48h后，若发现有明显的预应力损失时，应进行补偿张拉。5结语随着经济发展，我省高速公路事业方兴未艾，高边坡也越来越多，处治难度日趋增大，这就需要制定合理的综合治理办法。通过本工程施工过程中、业已通车2年的后期位移观测表明，预应力锚索工程在控制高边坡防护结构变形方面作用显著，进一步验证预应力锚索纵、横地梁是高速公路边坡防护中的一种有效加固措施。参考文献：[1]中国岩土力学与工程学会岩石锚固与注浆技术专业委员会编.锚固与注浆技术手册[M].北京中国电力出版社,1999[2]GBBJ86-85，锚杆喷射混凝土支护技术规范[S].