预应力锚索加固高边坡施工技术探析

邱河钰

（龙岩交通建设集团有限公司， 福建 龙岩 364000）

1 工程概况

莆永高速新增坎市互通工程位于福建省龙岩市永定区坎市镇西南侧佛子甲村附近，起点桩号为MK209+860，终点桩号为MK211+233，全长1.37km，双向四车道，互通主线路基宽度为24.5m，设计时速为80km/h，设计荷载为公路-Ⅰ级。共设置10条A～J匝道，匝道设计时速为40km/h，其中A匝道为分离型车道，单侧宽度为8m，AY匝道长度为591m，AZ匝道长度为858m，B～J匝道为单车道匝道，宽度为9m，长3686.87m。其中MK210+863～MK210+983段边坡长度为120m，最大高度为47.8m，除了第6级边坡高度为7.8m外其余级边坡高度均为8m，第一级边坡坡率为1:0.75，第二级边坡坡率为1:1.25，其余级边坡坡率均为1:1.5。边坡类型为类土质边坡，边坡最上面覆盖层为坡积粘性土，层厚为0.6～12.3m，其下为全风化粉砂岩，层厚为7～21m，下伏砂土状强风化粉砂岩，坡度为240°∠50°，边坡较为陡峭，需要加固处理。

2 预应力锚索加固设计

第3～6级边坡为保持原状坡面不变，第2级边坡加固防护为拱形骨架植草乔，第1级边坡加固防护为预应力锚索框架梁，框架内施打小导管挂网喷射混凝土，小导管长度为5m，采用外径为50mm的无缝钢管，壁厚为5mm，间距为1.5m，梅花形布置，导管外露10cm；挂网钢筋直径为12mm，布设间距为10cm，喷射混凝土厚度为15cm，混凝土强度为C20。框架梁的高度为8m，宽度为8m，框架梁混凝土强度为C30。框架梁设置4孔4束预应力锚索，锚索类型为压力分散型，每束锚索的设计拉力为500kN，第一排和第二排锚索总长度为32m，锚固段长度为16m，锚索孔直径为150mm，锚索俯角为20°。锚索采用无粘结高强度低松弛钢绞线，直径为15.24mm，锚具型号为HVM型。框架梁嵌入坡面深度为30cm，外露30cm，框架梁间设置变形缝，缝宽为2cm，塞缝材料为浸沥青木板。框架刻槽后基底调平采用水泥砂浆，厚度为2～5mm，局部架空采用C30混凝土嵌补。

3 压力分散型预应力锚索作用机理

压力分散型预应力锚索的受力传递介质为无粘结钢绞线，根据设计要求分为自由段与锚固段，锚孔内高压注浆形成注浆体，当施加设计预应拉力时，由于自由段的锚索与注浆体处于无粘结状态，预应拉力直接由锚固段的钢质承载体分解传递给注浆体，钢质承载体将预应拉力分散转变成压应力作用于注浆体，再由注浆体与岩土体之间的接触作用产生剪应力扩散到岩土体，使得岩土体的受力均匀，减小注浆体应力峰值，提高围岩岩土体的抗剪强度，使得边坡整体稳定性得以提高。

4 预应力锚索加固高边坡施工技术

4.1 施工工艺

预应力锚索严格按照施工工艺流程组织施工，具体施工工艺如图1所示。

图1 预应力锚索施工工艺图

4.2 施工准备

将边坡上的松动石块全部清除，采用挖掘机将坡面坡度修整成设计坡度，个别不平整部位采用人工修整。根据施工作业面布置情况搭设工作平台，尺寸为3m×2m（宽度×高度），采用双排钢管脚手架进行搭设，工作平台临空面应按照规定做好安全防护措施，脚手架搭设应稳定与牢固。按照设计里程桩号拉钢尺并以经纬仪辅助对锚孔的位置进行测量定位，采用油漆或钢钎进行标识，锚孔位置偏差≤5cm。根据锚孔深度、直径和锚固段岩土层地质条件选择100B型的潜孔钻机，钻头直径为150mm，空压机规格为22m3/min。根据锚孔位置将潜孔钻机固定在搭设好的工作平台上。在正式施工之前，根据设计要求在高边坡断面上选择3个试验孔在锚墩混凝土强度为80%设计强度且注浆体施工完成时间为28d时进行锚索抗拔拉破坏试验，以此来验证设计合理性、预应力锚索施工工艺、设计质量、工作锚索的性能与性质、预应力锚索施工中抗物理破坏能力以及锚索的设计安全储备等。基本试验时应做好各级荷载施加下锚头的位移的试验记录，将试验报告在工程锚索施工前提交给设计单位，从而对边坡锚固工程设计进行调整与验证，确保边坡设计合理性。

4.3 钻孔

将潜孔钻机的底座垫平，将钻杆与孔位对准，钻杆的角度为20°，角度校核采用罗盘，要求锚孔轴线方位偏差≤±2°，锚孔的轴线倾角偏差≤±1°。钻进方式为无水干钻，风压为0.6MPa，空压机提供的风量为13m3/min，钻压为20kN。当钻杆钻进0.5m时应重新校核方位与倾角，确保钻具轴线倾角符合设计要求。每钻进5m对锚孔的倾角误差进行检查，出现偏差应及时采取纠偏措施进行校正。在钻进过程中根据岩层的地质情况来控制钻进速度，切不可开足马力全程猛钻，防止锚孔出现变径或者扭曲的现象。详细记录钻进中不同岩土层、钻进速度、钻压和有无地下水等情况。遇到不良地质情况出现塌孔现象，应立即停止钻进，分析塌孔原因后，采用水泥砂浆固壁灌浆处理或者采取跟管钻进方式重新施钻。锚孔实际深度应比设计深度超深0.2m以上，锚孔深度满足设计要求后持续稳钻1～2min，确保孔底不出现尖灭现象。钻孔完成后采用压力为0.2～0.4MPa的高压空气将锚孔内的地下水和岩粉全部清除干净，孔壁不得有水体粘滞或者沉渣，确保围岩岩土体与注浆体的粘结强度。锚孔的倾角、位置、孔深、孔径和轴线方位等在监理工程师旁站下检验合格即可进行锚索的安装。

4.4 制锚与下锚

本工程锚索采用压力分散型锚索，锚筋材料为无粘结钢绞线，强度等级为1860MPa。预应力锚索体由2个单元锚索组成，锚固段L1=L2=8m，各单元的钢绞线长度按照设计长度+1.5m进行下料，钢绞线采用机械切割，钢绞线的长度误差≤±5cm，各单元锚索应做可靠醒目的标记，以便后续的差异分步张拉。钢质承载体的厚度为20mm，采用45号钢材制作而成，钢绞线与钢质承载体之间通过挤压套和挤压簧对称锚固牢固，单根钢绞线的连接强度≥200kN，每个单元锚索由1个钢质承载体与2根钢绞线组成。采用拉杆将钢质承载体与限位片通过栓接固定，拉杆外露长度应≥20mm，钢质承载体与钢绞线的锚固大样图如图2所示。将带有溢浆孔的导向帽焊接在靠近孔底的钢质承载体上，以便顺利下锚。钢绞线应平直编排，架线环顺着预应力锚索体轴线按照间隔1.0～1.5m进行布置，锚孔孔口地方必须设置1个架线环，锚固段的2个架线环的中部应设置1道紧箍环，并采用铁丝缠绕3圈，架线环的定位应准确，绑扎应牢固。注浆管采用PVC管，管径为25mm，注浆管绑扎在锚索体中轴位置，其强度应满足设计要求，PVC注浆管与锚索体末端的距离为5～10cm。锚索体制作完成后应对各部件质量及外观进行检查，所有部件安装位置准确，绑扎牢固可靠，锚索体应不扭不叉，平顺整齐。锚索体检验合格后应编号挂牌。锚索体运输过程中应保持顺直，无损伤。锚索体采用导向架进行安装，下锚时应按照设计的方位与倾角缓慢顺直入孔，一步到位，孔口预留1.5m的张拉长度。锚索安装后应注意保护，不得污染或者悬挂重物。

图2 钢质承载体与钢绞线的锚固大样图

4.5 孔内注浆

注浆材料为纯水泥浆，水灰比为0.45～0.5，掺加1.8～2.0kg/m3的聚丙烯腈纤维，浆液应搅拌均匀，注浆体强度为40MPa。下锚后采用挤压式注浆机进行孔底返浆法注浆，注浆压力为2MPa，当孔口溢出新鲜的水泥浆即可停止注浆。如果注浆后出现孔口浆面回落现象，应立即孔底压浆补注2～3次，补浆时间控制在30min之内，确保孔口注浆充满。当锚固段处于富水且土层为砂土状强风化粉砂岩时，为了提高地层的锚固力，需要采用二次高压劈裂注浆法。当一次注浆体强度为5MPa即可进行二次高压劈注，注浆管应采用镀锌钢管。

4.6 锚索框架梁施工

根据框架梁的施工平面图在边坡上测放出框架横梁和竖梁的位置，坡面按照设计要求进行刻槽，采用水泥砂浆对基础底面进行找平，绑扎钢筋骨架，同一截面钢筋接头应错开35d且接头数≤50%。模板安装应严密与平整。按照设计要求将钢制波纹管、锚垫板和螺旋钢筋固定在框架梁的钢筋上，摆放方向与锚孔方向一致。混凝土浇筑时，锚孔位置混凝土应振捣密实，框架梁应分片施工，相邻框架梁按照设计要求留设2cm宽的变形缝。框架内按照设计要求施打小导管挂网喷射混凝土。

4.7 锚索预应力张拉与锁定

当台座混凝土及注浆体的强度≥80%设计强度时即可进行锚索预应力张拉与锁定，锚斜托台座承压面垂直于锚索轴线，千斤顶和锚垫板应与锚具对中密贴，千斤顶轴线与锚索体和锚孔的轴线保持一致，确保承载均匀。张拉用的仪器仪表和设备应进行标定，确保其精度满足规范要求。正式张拉之前，应采用10%～20%的设计拉力对锚索进行预张拉1～2次，将4根钢绞线张拉平直，使得各部位连接紧密。由于各单元压力分散型锚索的长度不一致，根据锚索长度及设计拉力计算出差异荷载，根据设计要求采用差异分步张拉方法分单元进行张拉，锚索在补足差异荷载后按照设计张拉力（500kN）的0.25、0.5、0.75、1.0和1.1倍分级进行张拉，最后一级荷载张拉时，应持荷稳定10～15min后卸荷锁定。锚索张拉质量应以油表读数为主，以锚索伸长量为辅的“双控法”进行控制，锚头位移应≤1mm。当锚索锁定后48h内发生明显的预应力损失情况则应做补偿张拉处理。锚索锁定后采用水泥砂浆对锚垫板和锚头进行补浆，钢绞线与锚具采用C30的混凝土进行封头，做好防腐工作。

5 锚索质量验收

根据设计要求对锚索进行验收试验，在1.5倍设计拉力即750kN的荷载作用下，锚索的总位移量满足施工规范要求，锚头位移稳定，锚索的抗拉拔承载力符合设计要求。锚索的伸长量和长度实测值均满足施工规范要求，锚索质量验收合格。

6 结束语

MK210+863～MK210+983段高边坡按照设计要求设置边坡稳定监测孔，深孔位移及锚索预应力等监测数据均满足施工规范要求，边坡稳定，实践表明，采用压力分散型预应力锚索加固高边坡施工技术是成功的。预应力锚索施工过程中应严格按照施工工艺标准组织施工，做好技术交底工作，统一指挥，严格控制关键工序的质量，确保加固的高边坡整体稳定。