预应力锚索加固厦沙高速德化段高边坡的施工技术

2017-07-05李少巍泉州德化厦沙高速公路有限公司泉州362000

福建交通科技 2017年3期

李少巍（泉州德化厦沙高速公路有限公司，泉州362000）

李少巍
（泉州德化厦沙高速公路有限公司，泉州362000）

随着高速公路的快速发展，预应力锚索锚固技术在高速公路高边坡加固上获得了良好的应用和发展。厦沙高速公路在山岭重丘区穿过山前坡麓地带多，形成不少高陡边坡，如果按普通开挖防护变得不经济或不可能，普通锚杆加固边坡已不能满足高速公路发展的需要。预应力锚固技术，以其技术先进、经济合理、安全适用等优点，得到了越来越广泛的应用。本文结合厦沙高速公路德化段ZK101+370～ZK101+525段预应力锚索框架梁加固高边坡工程实例，详细介绍压力分散型预应力锚索的施工方法和施工工艺。

厦沙高速高边坡加固压力分散型预应力锚索施工技术

1 前言

为阻止岩土体随潜在滑移面滑动，在公路边坡加固工程中，多采用预应力锚索加固坡体，预应力锚索通过潜在滑动体深入岩层基体，主动利用基层岩体来加固坡体；同时还可以利用框架梁承受并传递锚固力，提前对坡体进行加固。将锚索这一柔性支护手段和框架梁结合起来，适用于整体稳定性差、表层坡面需要防护的高陡边坡的加固[1]。

2 工程概况

福建省厦门至沙县高速公路德化段ZK101+370~ ZK101+525段左侧边坡最高为4级，级垂直高度为8m，各级边坡坡率为：第1级为1∶0.5~1∶1.25，第2级为1∶1.0~ 1∶1.25，第3级为1∶1.25，第4级为1∶1.25。该段边坡最高约33.1m，为类土质边坡：表层为全风化云母石英片岩，厚度约为2~3m；其下为砂土状强风化云母石英片岩，厚度约8~10m；下伏碎块状强风化云母石英片岩，层面产伏270°∠61°。该边坡高陡，稳定性较差，须进行加固处理。

3 边坡加固方案

为确保边坡的稳定，在第1级ZK101+390~ZK101+ 470段设置非预应力锚杆框架，在第2、3级设置预应力锚索框架加固坡体，采用宽8m，高8m 1∶1.25锚索框架结构，每片框架设置4孔6索预应力锚索。其中，第2级边坡坡面锚索框架上、下排锚索总长度为18m，锚固段长均为10m，单孔设计拉力700kN；第3级边坡坡面锚索框架上排锚索总长度20m，下排锚索长度18m，锚固段长均为10m，单孔设计拉力均700kN。如图1、2示例。

图1 ZK101+370~ZK101+525段左侧边坡防护加固工程立面图

图2 ZK101+370~ZK101+525段左侧边坡加固工程平面布置图

3.1 框架梁设计

锚索地梁框架采用C25混凝土浇筑，竖肋基础先铺垫5cm厚砂浆进行基底调平，再进行钢筋制作安装，框架嵌入坡面50cm，露出坡面10cm。如图3示例。

3.2 锚索设计

压力型锚杆（索）工作时锚固注浆体为受压状态，不易开裂，其承载能力和变形性能比拉力型锚杆（索）均有所改善，用于永久性锚固工程具有很大的优越性[2]。

本项目锚索采用压力分散型锚索，由3个单元锚索组成，每个单元锚索分别由2根Φ15.24、强度为1860MPa的高强度低松弛无粘结钢绞线内锚于钢质承载体组成（钢绞线通过特别的挤压簧和挤压套对称地锚固于钢质承载体上，其单根连接强度大于200kN）。结构如图4.1~4.2所示。

图3 预应力锚索框架图

图4 .1预应力锚索结构图

图4 .2预应力锚索结构图

4 锚索施工

4.1 工艺原理

在高边坡逐级开挖且在坡面修整完后，按一定间距利用潜孔钻钻穿假想滑动土体至稳定土体中一定深度形成锚索孔，孔道最里面的一段（在稳定土体中）为锚固段，其余为自由段，把用无粘结钢绞线加工好的锚筋体安插于孔道中，再用微膨胀水泥浆从孔底至孔口注浆饱满，充满整个孔道的水泥浆体凝固后与孔壁土体结合成整体，形成锚固体。然后在坡面上浇筑混凝土框架或竖梁，待其混凝土强度达到一定时，张拉预应力锚索形成预应力锚索防护加固边坡。

4.2 工艺流程

锚索施工工艺为∶锚孔测放、钻机就位→锚孔钻造→锚孔清理→锚孔检验→编锚→下锚→注浆、浇筑框架→第一次张拉→第二次张拉→锚孔封锚。

4.3 主要机具设备

锚索施工机具有潜孔钻机（钻孔孔径为150mm），9m3/min空压机，2SNS注浆机，ZB4500型电动油泵，YCW 150型千斤顶。

4.4 基本试验

试验目的在于验证设计采用的工作锚索各组成部分的综合性能、锚固地层设计参数及合理性，同时考虑有关锚索体在搬运、储存、安装和施工过程中抗物理破坏的能力。如确定该边坡地层中锚索的极限承载力和安全系数；揭示在该地层条件下影响锚索锚固力的各种影响因素及其影响程度；检验锚索工程的施工工艺；校核设计参数等。如发现问题，便于及时采取变更和完善等应对措施。

本段基本试验在与工作锚索相同的地层中选取3个试验孔（见图1），各项参数及施工均同工程孔。试验孔具体位置应可代表工程孔锚固地层实际情况；试验时应记录各级荷载及锚头位移等详细数据，以验证与调整设计。试验过程中有2孔锚索锚固体被拉动，锚头位移不收敛，最终张拉荷载只达到110%的设计拉力，无法满足1.5倍设计拉力。后经查明原因是孔内注浆不够饱满，经补浆整改后重新张拉，张拉荷载超过1.5倍设计拉力。

4.5 工程锚索施工

（1）锚孔钻造

①锚孔测放∶根据施工设计图要求，将锚孔位置准确测放在坡面上，孔位在坡面上纵横误差不得超过±50mm。

②钻机就位∶锚孔钻进施工时，应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，倾角允许误差不得超过±1°，方位允许误差不超过±2°。

③钻进方式∶锚孔钻进采用无水干钻，禁止通水钻进，以确保锚固工程施工不致于恶化边坡岩土工程地质条件和保证孔壁的粘结性能。钻孔速度应根据使用钻机性能和锚固地层严格控制，防止钻孔扭曲和变径，造成下锚困难或其他意外事故。

④钻进过程∶钻进过程中应对每个孔的地层变化、钻进状态（钻压、钻速）、地下水及一些特殊情况作好现场施工记录。如遇塌孔、缩孔等不良钻进现象时，应立即停钻，采用注浆固壁处理，24h后重新钻进，或采用跟管钻进工艺。

⑤孔径孔深∶钻孔孔径、孔深要求不得小于设计值，施工中使用的钻头直径应大于设计孔径，钻孔深度应大于设计深度0.5m以上。钻进达到设计深度后，不能立即停钻，要求稳钻1～2min，防止孔底尖灭，同时应及时进行锚孔清理。

⑥锚孔清理：钻孔孔壁不得有沉渣及水体粘滞，在钻孔完成后，使用高压空气（风压0.2～0.4MPa）将孔内岩粉及水体全部清除出孔外，以免降低水泥砂浆与孔壁岩土体的粘结强度。若遇锚孔中有承压水流出，待水压、水量变小后方可下安锚筋与注浆，必要时在周围适当部位设置排水孔处理。

（2）锚孔检验

锚孔钻造结束后，需对孔径、孔深进行检查。一般采用设计孔径钻头和标准钻杆验孔。验孔过程中钻头应平顺推进，避免产生冲击或抖动，钻具验送长度满足设计锚孔深度，退钻要顺畅，用高压风吹验不存在明显飞溅尘渣及水体现象。同时，要复查锚孔孔位、倾角和方位，全部锚孔施工分项工作合格后，方可认为锚孔钻造检验合格。

（3）编锚索

①锚筋体下料及安装：锚索编束前，要确保每根钢绞线顺直，不扭不叉，排列均匀，严格按照设计尺寸下料，每股长度误差不大于±50mm，预留张拉段钢绞线长度1.5m。钢绞线要求采用机械切割。严禁采用电弧切割，并经除油和除锈处理合格，对有死弯、机械损伤及锈坑材料应剔除。

设计预应力锚索为压力分散型锚索，其锚筋材料采用无粘结高强度低松弛钢绞线，对钢绞线不同单元和钢筋锚接头进行醒目可靠的标记。下料还应注意各单元锚索长度是不同的，钢绞线一律采用机械切割下料。钢绞线按设计要求平直编排，沿锚索体轴线方向自由段每1.0～1.5m设置一个架线环，应准确定位、绑接牢固，锚孔孔口位置必须设置一个架线环。

②导向帽接装：在锚索体完成隔离支架组装之后，应在锚索体底端接装导向帽，以便下锚顺利。导向帽尺寸应严格按设计要求制作，尺寸制作误差为±5mm，接装定位误差为±20mm。导向帽可点焊固定于最前端承载板上，并应留有溢浆孔，保证孔底返浆。所有的钢质部分均应均匀涂刷防腐油漆。

③锚筋体防腐∶锚筋体防腐与隔离一般采用先刷防锈油漆，然后涂脱水黄油，最后外套塑料套管处理。刷防锈油漆要刷盖均匀，不见黑底，待油漆干洁后方可进行下道工序。涂脱水黄油要求完全覆盖和填充锚筋材料与外环层之间的空间。

④架线环∶应由钢质、塑料或其他对锚筋体无损害的材料制作，不得使用木质隔离支架。

⑤塑料套管：塑料套管的材质、规格和型号应满足设计要求，具有足够强度，保证其在加工和安装过程不致损坏。尽量避免剪断和接头，如有接头应绑接牢固并作密封处理，确保不产生拉脱和破损现象。塑料套管内径宜大于筋股外径5～10mm，确保穿套顺利、编束方便和防止张拉胀裂。塑料套管应具有抗水性和化学稳定性，与水泥砂浆和防腐剂接触无不良反应。

⑥注浆管：注浆管应满足设计要求，具有足够强度，保证在注浆施工过程中注浆顺利，不堵塞、爆管或破损拉断。一次注浆管捆扎在锚筋体中轴部位，注浆管头部距锚筋体末端宜为50～100mm。

（4）下锚

锚筋体入放锚孔前，应检查锚筋体制作质量，确保锚筋体满足设计要求，锚孔内及孔外周围杂物要求清除干净。锚筋体长度应与设计锚孔深度相符，锚筋体应无明显弯曲、扭转现象，锚筋防护介质无损伤，凡有损伤的必须修复。入孔安放锚筋体时，应防止锚筋体挤压、弯曲或扭转，锚筋体入孔倾角和方位应与锚孔的倾角和方位一致，要求平顺推送，严禁抖动、扭转和串动，防止中途散束和卡阻。锚筋体入孔长度应满足设计要求，锚筋体安装完成后，不得随意敲击，不得悬持重物。

（5）锚孔注浆

①注浆材料：采用水灰比0.4～0.45的纯水泥浆。其中，锚固段遇土质或砂土状强风化岩层且富水时，应采用二次高压劈裂注浆法来提高地层锚固力。

②注浆浆液：注浆浆液严格按照配合比搅拌均匀，随搅随用，浆液应在初凝前用完，并严防石块、杂物混入浆液。注浆浆体强度不应低于设计要求的40MPa，并按批次备制预制件。锚孔注浆必须采用孔底返浆方法（注浆压力一般为2.0MPa左右），直至孔口溢出新鲜浆液，严禁抽拔注浆管或孔口注浆；如发现孔口浆面回落，应在30min内进行孔底压注补浆2～3次，确保孔口浆体充满。在注浆作业开始和中途停止较长时间再作业时，应用水或水泥稀浆润滑注浆泵及注浆管路。注浆过程应认真做好现场施工注浆记录，每批次注浆都应进行浆体强度试验，试件不得小于两组。浆体未达到设计强度的70%时，不得在锚筋体端头悬挂重物和拉绑碰撞。

（6）施作锚索框架

锚索框架采用现场浇筑，并应满足下列要求∶

①框加梁施作前进行放样刻槽；框架嵌入坡面50cm，外露10cm；框架刻槽后采用厚2～5cm的水泥砂浆进行基底调平，遇局部架空采用C25砼嵌补。

②钢筋接头需错开，同一截面钢筋接头数不得超过钢筋总根数的1/2，且有焊接接头的截面之间距离不得小于1m。

③灌筑混凝土前，必须将锚具中的螺旋钢筋、波纹管和锚垫板按设计要求固定在地梁或立柱的钢筋上，方向与锚孔方向一致，摆放平整，再一起现场浇筑、振捣，尤其在锚孔周围，钢筋较密集，应仔细振捣，保证质量。

④锚索框架应分片施工，每片由2～3根立柱及其横梁、顶梁组成，两相邻框架接触处（横梁、顶梁）留2cm宽伸缩缝。

（7）锚筋张拉

在注浆浆体与台座混凝土强度达到设计强度80%以上时，方可进行张拉锁定作业。如为选定进行验收试验的锚孔，应在达到设计强度的条件下，待验收试验结束并经检验合格后再进行。锚筋张拉注意事项：

①锚斜托台座的承压面应平整，并与锚筋的轴线方向垂直。

②锚具安装应与锚垫板和千斤顶密贴对中，千斤顶轴线与锚孔及锚筋体轴线在一条直线上，不得弯压或偏折锚头，确保承载均匀同轴，必要时用钢质垫片调整。

③固体与台座混凝土强度均达到设计强度的80%以上时，方可进行张拉。

④锚筋的张拉必须采用专用设备，设备在张拉作业前应进行标定，锚具、夹片等检验合格后方可使用。锚索正式张拉前，应取10%～20%的设计张拉荷载，对其预张拉1～2次，使其各部位接触紧密，钢绞线完全平直。

⑤本工程采用的是压力分散型锚索，张拉按设计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，并根据计算的差异荷载进行分单元张拉。

⑥锚索的预应力在补足差异荷载后分5级按有关规范或规定施加，即设计荷载的25%，50%，75%，100%和110%。在张拉最后一级荷载时，应持荷稳定10～15min后卸荷锁定。锚索锁定后48h内，若出现明显的预应力损失现象，则应及时进行补偿张拉。

（8）锚孔封锚

锚筋锁定后，采用机械切割余露锚筋，并留5～8cm外露锚筋，以防拽滑。最后用水泥浆注满锚垫板及锚头各部分空隙，并用不低于锚梁同标号砼封头，以防止锈蚀破坏。

5 锚索质量检测及边坡稳定监测

5.1 锚固工程质量检测

对边坡预应力锚索施工质量进行检测，主要有3个子项：①长度检测：不小于设计长度95%，且不足长度不超过0.5m；②抗拔力检测：试验检测荷载达到设计荷载1.5倍，伸长量满足规范要求，且未被破坏；③张拉质量检测：张拉锁定荷载不小设计荷载90%，且不大于设计荷载110%，伸长量满足规范要求，且未被破坏。具体检测结果如下表1、2、3。

5.2 边坡监测及预应力锚索应力监测

锚索加固施工完成后，在边坡上设置了观测点（详见图1、5）进行边坡长期稳定观测，布设4孔深部位移和地下水位监测孔（ZK1～ZK4)、4孔锚索预应力监测孔(JC1～JC4)及地表宏观变形巡查，通过一年多的观测检验，锚墩及边坡岩体未见变形，边坡稳定。深部位移监测以ZK4#为例，如图5、6所示，未见明显滑动变形反应，受坡体蠕动挤压变形及施工影响，监测孔数据曲线呈摆动变形特征；地下水位监测如图7所示，地下水位监测曲线呈正常季节性变化，未出现异常；锚索应力监测以MS2-1-1为例，如图8所示，应力值有所降低，但仍在650kN以上，未超过预警值，后经分析查找原因，除应力损失外，框架嵌入坡面深度不够、刻槽后砂浆基底调平不足，同时局部架空采用C25砼嵌补时不够充实，造成锚索应力张拉后坡面不均匀沉降，锚索应力值降低。