预应力锚索在兰州市北环路安宁隧道滑坡治理中的应用

2013-03-19裴国钧

城市道桥与防洪 2013年3期

裴国钧

(兰州市城市建设设计院，甘肃兰州 730030)

1 滑坡概况

兰州市北环路工程是兰州市政府确定的重点工程建设项目。北环路安宁隧道滑坡位于兰州市安宁区徐家湾洄水湾沟北部山坡上。安宁隧道为双向隧道，单侧隧道为3车道，隧道宽16.5m，高9 m，两个隧道相距50 m，隧道进口均为滑坡西侧的大关山沟。由于隧道临近金城关断裂，受此断裂影响，岩体破碎，次级构造发育，开挖时左、右隧道均发生大范围坍塌。其中左线(北侧)隧道在ZK0+270处发生坍塌(距隧道进口118 m)，坍塌石方量达1 000m3；右线(南侧)隧道在YK0+418处发生坍塌(距隧道进口246m)，坍塌石方量达200m3。引发山体变形的工程活动主要为南侧隧道，大跨度隧道的开挖改变了周围原有岩体的应力分布条件，加之开挖时爆破作业的影响，使表层本已破碎的岩土体开裂下错，形成滑坡，目前还未形成统一的滑面，坡体未出现整体下滑。

2 滑坡治理的原则、目标及方案

2.1 滑坡治理原则

(1)因地制宜，便于实施。

鉴于该滑坡处于不稳定状态，没有削坡条件，应选用占地少、简单易行、具备施工条件、便于实施的治理方案。

(2)经济合理，行之有效。

选用的治理方案和措施应经济合理，又能够有效地遏止滑坡变形破坏的进一步发展，基本保障人民群众的生命财产安全。

2.2 滑坡治理的目标

根据上述治理原则，提出如下治理目标：

(1)通过对滑坡体治理后，保证不发生滑坡整体滑动，保护滑坡体上或其影响区内人民群众的生命财产安全，达到减灾防灾目的。

(2)各类支护结构设计均能满足稳定性、强度验算。

2.3 治理方案

安宁隧道滑坡位于山体中上部，坡面较陡，滑坡体厚度大，拟采用预应力锚索对滑坡体进行深层加固，将滑坡推力传入锚固段以稳定滑坡。预应力锚索对坡体扰动小，对隧道建设影响小，施工技术成熟，安宁隧道滑坡应用预应力锚索框架治理最为适宜。

3 锚索工程设计

3.1 滑坡推力计算

安宁隧道滑坡防治工程等级按Ⅰ级考虑，防治工程设计按自重工况安全系数K s=1.30计算滑坡推力，推力计算断面经现场划分为2-2’、3-3’、4-4’三个验算面(见图 1)，计算结果详见表 1。

由表1可知，滑坡下滑段与阻滑段以隧道为界，隧道处下滑力达到最大值，因此锚索框架布置于隧道以上滑体内，滑坡剩余下滑力以最大值3 706 kN/m(3号断面计算值)考虑。

3.2 锚索设计

(1)锚索设计锚固力

根据传递系数法进行计算，考虑预应力锚索沿滑面施加的抗滑力，不考虑垂直滑面产生的法向阻滑力，所需锚固力为：

式(1)中：T——设计锚固力，kN；

P——滑坡推力，取3 706 kN；

θ——锚索倾角，取15°。

计算得：T=3 837 kN。

滑坡剩余下滑力最大值为3 706 kN/m，设计锚固力3 837 kN/m，拟布设锚索水平间距4.0 m，即设计锚固力15 348 kN。拟布设锚索18排，下部12排锚索设计锚固力11 520 kN，每束锚索所承受的轴向拉力设计值Na=960 kN；上部6排锚索设计锚固力3 828 kN，每束锚索所承受的轴向拉力设计值Na=638 kN。

图1 断面推力计算图

表1 滑坡剖面推力计算表(K=1.30)

(2)锚索钢筋截面面积

锚索钢筋截面面积应满足式(2)的要求：

式

(3)中：la——锚固段长度，m；

D——锚固体直径，9φs15.2锚索直径0.15，6φs15.2锚索直径0.13 m；

frb——地层与锚固体粘结强度特征值，kPa，取320 kPa；

ξ1——锚固体与地层粘结工作条件系数，对永久性锚索取1.00，对临时性锚索取1.33。

计算结果分别为：la≥6.4 m，la≥4.9 m

锚索钢筋与锚固砂浆间的锚固长度应满足式(4)要求：

式(2)中：As——锚杆钢筋或预应力钢绞线截面面积，mm2；

ξ2——锚筋抗拉工作条件系数，永久性锚索取0.69，临时性锚索取0.92；

γo——边坡工程重要系数，取1.3；

fy——锚筋或预应力钢绞线抗拉强度值，取1 860 MPa。

计算结果分别为：As≥972 mm2、As≥646 mm2，单根Ф15.2钢绞线公称截面积为139 mm2，每束锚索分别需9根与6根Ф15.2钢绞线。

(3)锚索锚固段长度

锚索锚固段长度除应同时满足地层对砂浆粘结力和砂浆对钢筋的握裹力要求外，还应满足构造设计规定的最少锚索锚固长度的要求。

锚索锚固体与地层的锚固长度应满足式(3)的要求：

式(4)中：la——锚筋与砂浆间的锚固长度，m；

d——锚筋直径，取0.015 2 m；

n——钢筋(钢绞线)根数，取6根；

γo——边坡工程重要系数，取1.3；

fb——钢筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值，取 2.95 MPa；

ξ3——钢筋与砂浆粘结强度工作条件系数，对永久性锚索区0.60。

计算结果分别为：la≥1.6m、la≥1.6m

根据锚固段长度计算结果，结合经验数据，确定锚固段长度为9m。

(4)群锚效应

锚索间距宜大余4m，该工程设计锚索间距4m，应进行群锚效应分析，计算公式如下：

式(5)中：D——锚索最小间距，m；

L——锚索长度，50m；

T——设计锚固力，960kN；

ρ——修正系数，取10(6kN·m)。

计算得：D=3.83m。设计锚索间距大于最小间距，符合规范要求。相邻锚索不宜等长设计，本次锚索内端排列长短差在2～5m之间。

(5)锚索构造

根据以上分析计算结果确定锚索结构：

9φs15.2锚索孔径φ150mm，锚索由9根φs15.2高强度低松弛预应力钢绞线制成，设计载荷960kN，锚固段长度9m，安装倾角15°，锚索间距4×4m，锚索孔内灌注纯水泥浆或M30水泥砂浆，水灰比0.45～0.5，灰砂比1∶1，砂浆体强度不低于30MPa，注浆压力不低于0.1MPa。

6φs15.2锚索孔径φ130mm，锚索由6根φs15.2高强度低松弛预应力钢绞线制成，设计载荷638kN，锚固段长度9m，安装倾角15°，锚索间距4×4m，锚索孔内灌注纯水泥浆或M30水泥砂浆，水灰比0.45～0.5，灰砂比1∶1，砂浆体强度不低于30MPa，注浆压力不低于0.1MPa。

3.3 框架梁设计

锚索框架坡率以现有坡形设计，坡率1∶1～1∶1.3，框架每片横向宽度7.98m，垂直高度11.0m，坡面长度15.6～18.0m，每片框架由2根竖肋和3道横梁及顶梁连接而成，在节点处设置锚索。框架梁、竖肋截面尺寸0.6m×0.7m，竖肋横向间距4m，横梁竖向间距4m，框架为C25现浇钢筋混凝土，竖肋及其所连横梁和顶梁组成一片框架，每片框架整体浇筑，一次完成。每两片之间设置2cm伸缩缝，内填沥青木板条，深度20cm。混凝土框架嵌置于斜坡中，嵌置深度大于框架截面高度的2/3。

3.4 其它工程设计

(1)被动防护网(见图 2、图 3)

在边坡施工中，不论是挖掘机施工，还是人工施工，都将扰动山体，使一些活石、危石松动坠落，造成事故，因此必须采取防止滚石、落石措施。设计采用柔性防护体系支护即SNS系统进行落石的拦截，被动防护网长度146m，型号RX-050，防护高度6.0m。

(2)坡面清理

施工前，进行巡山清除活石，对坡面上的危岩体、碎石、滚石进行清除。锚索框架工程区局部山体存在小陡坎，为方便框架工程施工，外观横平竖直，设计对局部小陡坎进行修整。

(3)滑坡监测

为及时了解滑坡的动态变形情况，确保治理工程施工安全，在施工期间及施工完后一段时间内对滑坡地表位移变化进行观测，共设置了地表位移观测点6个，简易裂缝测点6个。地表位移观测点检测周期为2012年4月至2012年12月，4～8月份监测频率每月30次，9～12月份监测频率每月15次。简易裂缝测点检测周期为2012年4月至2012年6月，监测频率每月30次。

4 滑坡治理的要求及注意事项

4.1 锚索

安宁隧道滑坡位于兰州市安宁区徐家湾洄水湾沟北部山坡，洄水湾沟道出口与洄水湾路相接，且有盘山简易道路可至滑坡顶部，交通较为便利。

图2 被动网示意图

图3 设置被动网现场照片

由于斜坡锚固工程主体为地下隐蔽工程，且工程质量与施工技术密切相关，对锚固工程施工队伍的专业技术水平要求较高，应加强施工质量监督与管理，确保边坡稳定和结构安全。

(1)锚固工程是该工程项目的重要组成部分，按照规范要求，应在现场进行锚固力试验，以检验和确定各项设计参数，确保工程安全有效。

(2)施工方法：采用机械成孔、机械注浆。

(3)施工工序：测量→定位→搭脚手架→安装钻机→成孔→清孔→安装锚索→注浆→张拉锁定→验收。

(4)施工总体要求：钻机安放平稳、角度正确，保证孔深、孔径，锚索居中，注浆饱满，张拉到位。

(5)锚索成孔后的孔径不得小于设计值，钻孔时应采用干钻。钻孔完成之后必须使用高压风将锚孔清洗干净，以免降低水泥砂浆与孔壁岩土体间的粘结强度。锚孔成孔并清孔完毕后，应立即放置锚筋并注浆。

(6)锚索锚筋采用高强度低松弛预应力钢绞线制作，强度等级为1 860 MPa。要求钢绞线顺直、无损伤、无死弯。锚索锚筋制作时，应先剥除锚固段PE并除油除锈，按设计要求设置架线环；制作的锚筋长度应增加1～2 m的张拉段，具体根据张拉设备要求确定；锚索孔位、孔径、孔深和布置形式应符合要求；钢绞线下料采用砂轮切割机切割，避免电焊切割。

(7)锚索张拉要求：锚索张拉前必须对张拉设备进行标定，正式张拉前先进行预张拉，荷载为设计值的0.1倍。锚索张拉荷载为设计值的1.1倍，依次按上、下(或中、上、下)的次序分两次进行张拉，每次张拉值为总张拉值的一半。必须待每根锚索张拉完第一次后，再按(或中、上、下)的次序进行第二次张拉，且每次张拉分五级进行，每次荷载分别为锚索设计拉力的 0.25、0.5、0.75、1.0、1.1倍，除最后一级需要稳定10～20 min外，其余每级需要稳定5 min，并分别记录每一级钢绞线的伸长量，在每一次稳定时间里必须读锚头位移3次，待锚索预应力没有明显衰减时再进行锁定，锁定荷载与设计拉力值相同。机具切除多余的钢绞线，严禁电割，并留10 cm钢绞线，以防拽滑，对锚头经除锈、涂防腐漆三度后封锚。

(8)为保证工程实施效果，在整个项目实施过程中须遵循“动态设计、信息化施工”的原则。

4.2 框架梁

(1)由于框架设置在现有坡面上，各段边坡坡率可能不一致，因而框架竖肋长度可根据实际情况进行相应调整。

(2)施工方法：采用人工开挖、人工浇筑。

(3)施工工序：测量→放线→基槽开挖→制安钢筋→支模→浇筑→养护→验收。

(4)施工总体要求：放线准确、基槽开挖平直，钢筋居中、支模牢固，浇筑密实、振倒均匀、及时养护。

(5)框架梁施工要保证框架梁顶面的平顺和美观，钢筋间距要满足设计要求。

(6)坡面不平顺处应先清理，坡面浮土需清除，梁底凹处应采用同标号混凝土找平后，再绑扎钢筋。

(7)框架按沿边坡走向每8m为一片进行施工，同一片框架混凝土浇筑应一次完成。

(8)框架混凝土浇筑时应振捣密实，以保证质量，特别是节点处更应加强振捣，以防锚索张拉时产生破坏。

5 滑坡监测

5.1 地表位移监测

地表位移观测采用大地测量系统，布控三角观测网来实现，滑坡地表位移观测采用全站仪，观测的精度和观测网的布置精度不低于测量规范要求的国家三等技术标准。根据监测工作的目的及主要任务要求，监测工作的主要内容有以下几个环节：

(1)建立控制基准网。根据该工程及地面情况，水平控制基准网为任意坐标系位移监测网，严格依照国家大地测量规范三等要求建网，并精确测定一条基线，基线边采用往返多测回，导线闭合差不大于3 mm。相对中误差不大于1/50 000。高程采用三角高程测量，与水平控制点重合，不再另外建立高程基准点。监测网控制点应埋设在远离被观测对象的稳定体上，尽可能没有人为干扰的地方，采用现浇水泥强制对中桩，埋深不得小于80 cm，地面以上至少大于1 m。

(2)在滑坡周界以外及坡体上布设简易裂缝检测点，地面测点示意见图4。简易裂缝检测点需设在最能反映边坡变形特征的位置，依照国家大地测量规范三等要求，设立强制对中装置，并标识警示给与保护。简易裂缝观测布置示意见图5。

(3)依据项目实际要求，参照《国家三角测量和精密导线测量规范》(GB-T17942-2000)、《工程测量规范》(GB50026-93)等技术准则确立观测精度。

(4)采用全站仪测水平角、水平距进行计算的方法，对设于变形体上的工作点进行定期观测。每次观测遵守“三固定”的原则，即：观测所用设备固定、观测人员固定、观测路线固定，尽可能减少观测中误差，误差范围不大于3 mm。