预应力锚固技术在岩土工程施工中的应用分析

刘宇辉

（华东冶金地质勘查局屯溪地质调查所， 安徽 黄山 245000）

近年来， 随着我国工程建设领域规模的持续扩大， 投资方、 业主方和施工方对于施工质量、 进度和效率的要求也在不断提高， 在岩土工程施工过程中，为提高建筑结构的稳定性， 增加岩体结构强度， 预应力锚固技术逐渐被探索应用， 有效提高了施工质量和效率。 为充分发挥预应力锚固技术优势， 提高使用范围， 保障岩土工程施工过程的中的安全和质量， 需要结合实际， 探索该技术的应用， 通过深入分析论证，研究预应力锚固技术的可靠性和稳定性， 对于岩土工程施工具有重要的意义。

1 预应力锚固技术理论概述

锚固技术已经是工程建设领域被广泛熟知的防护和加固技术之一， 主要是指利用锚杆等构件对岩土土体进行加固和防护， 防止坍塌和变形， 凭借成本低、安全性高、 稳定性好等优点， 被广泛应用于工程建设的各个领域。 随着工程技术的发展和革新， 以及面对复杂多变的工程项目环境， 岩土工程施工对于施工要求开始进一步提高， 预应力锚固技术开始逐渐被应用和实践， 预应力锚固技术通过事先向锚固构件施加预应力， 提高岩体的抗剪程度， 相对于传统的支护方法， 具有很强的先进性和可靠性。

预应力锚固技术主要是由预应力锚杆和锚头等构成， 通过向锚杆施加预应力， 再通过锚头和锚固体的分散， 从而实现预应力的传递， 预应力锚固技术一般用于深基坑的支护以及隧道和边坡的防护等领域。 在现代施工方法体系中， 该技术凭借节约施工成本， 提高施工质量等优点被施工单位广泛应用。

2 预应力锚固技术的应用原则

2.1 实用性原则

岩土工程施工中要重视各种新技术的应用， 以及综合分析各种施工技术的适用性， 提高工程项目施工质量。 预应力锚固技术在岩土工程施工之前， 需要现场仔细勘查工程项目环境， 收集气候、 地质、 水文等资料， 探讨分析是否适合预应力锚固技术的使用， 以及在使用过程中需要注意的问题。 由于预应力锚固技术对于环境和地质条件有要求， 施工单位需要事前进行科学评估， 提出合理性的措施和技术方案。

2.2 实践性原则

岩土工程施工无论技术层面还是工作环境层面都较为复杂， 在预应力锚固技术具体应用之前， 需要实际勘察分析锚固技术的适用性， 全面了解在实际应用中可能存在的问题及相应的技术解决方案， 同时考虑与其他技术和设备的配合使用， 并制定详细的施工组织计划。

2.3 经济性原则

在整个岩土工程施工预算中， 虽然锚固技术的资金投入相对不高， 但是仍然需要考虑最佳的经济效益结构， 由于岩土工程施工环境复杂， 有时候需要多种锚固技术的结合使用， 因此， 在制定岩土工程施工方案时需要选择合适的锚固技术， 从而实现经济费用效率最高。

3 岩土工程施工中预应力锚固技术存在问题分析

目前， 虽然预应力锚固技术已经较为成熟， 但是在岩土工程施工中仍然存在一些问题需要注意和避免。 对于预应力锚固技术的应用， 首先需要正确认识和了解整个锚固系统和锚固机理。 锚固机理主要包括锚固体系本身的受力以及对岩土土体的加固效果， 在面临复杂多变的工程环境和地质环境， 在实际施工过程中， 需要及时针对锚固流程进行适当的调整和优化。

3.1 锚固杆体的规格型号问题

锚固技术对于锚杆的杆体长度和粗细都有十分明确的要求， 锚杆长度过长， 会导致抗拔力不够， 锚杆长度过短， 会失去支护效果， 由于我国在岩土工程施工锚固技术研究还不够深入， 目前只有国际预应力混凝土协会规范有此规定数值， 并不适用于我国工程项目环境要求， 因此在实际施工过程中， 锚固杆体的长度具体要求， 需要进行现场试验和连续监测， 从而确定锚固杆体的合适长度， 对于施工本身来说， 不利于施工成本和时间的节约。

3.2 锚固体系的设计问题

在岩土工程施工过程中， 锚索对于整个锚固结构至关重要， 而锚索的防腐问题又是直接影响到锚固的效果， 如果质量把关不严谨， 很容易导致锚固体系的失效， 从而影响整个工程进度， 因此在设计锚固体系时， 要充分考虑各种不利因素， 构建符合要求的锚固体系。

3.3 锚固系统的稳定性问题

岩土土体在锚杆的作用下， 能够维持相对平衡的状态， 但是受到复杂多变的环境和工程因素影响， 比如地下水的侵蚀、 锚头变形、 震动等， 以及施加预应力的锚固系统在长期负荷状态下容易造成预应力损失和锚杆杆体松弛， 从而影响整个锚固系统的稳定性。

4 预应力锚固体系的构建

在岩土工程边坡防护的过程中， 预应力锚固体系的设计和构建直接影响支护结构的稳定性和安全性，锚固体系是整个支护结构的核心要素， 也是核心组件， 通过选择合适的锚杆、 锚头以及张拉器具等， 构建完整的锚固体系， 是预应力锚固技术在岩土工程施工中应用的关键。

4.1 预应力锚杆的基本构造

预应力锚杆由外锚固段、 张拉段 (自由段) 以及内锚固段等组成， 内锚固段主要包括机械式和黏结式两种样式， 其中黏结式内锚固段应用最为广泛， 对环境的适应性也很强， 但是承载速度较慢， 而机械式内锚固段虽然应用范围不大， 但是承载速度却较快。 锚固力的产生主要依靠张拉段， 由张拉段承载和传递应力， 张拉段在张拉的过程中受到多种因素影响， 包括施加应力设备的重量等， 张拉段在自然状态下是保持平衡状态的受力条件， 只有施加预应力时才能发挥作用。 外锚固段的作用主要是起固定作用， 同时为后续相关检测装备和设施提供安放空间。

4.2 内锚头的确定

内锚头的安放位置和角度是影响锚固力大小的主要因素之一， 因此， 为了在实际施工过程中， 预应力技术能够发挥作用， 就必须保证内锚头的安放是精确的， 否则达不到应有的支护效果。 一般情况下， 在坚硬的岩层土体环境下， 内锚头的使用还要满足锚固力能够持续提供平衡状态的条件。

4.3 外锚头和张拉设备的确定

随着预应力锚固技术的广泛使用以及对岩土工程施工要求的更加严格， 锚固技术在不断的改进和完善， 其中包括外锚头在内的多个机具也在多年经验积累下， 形成了多种性能、 质量的外锚头类型。 一般情况下， 需要根据施工现场条件选择合适的外锚头类型， 满足安全、 经济、 高效的使用原则， 在选择张拉设备时， 也要考虑张拉设备吨位对张拉力的影响， 选择合适的张拉设备， 减少锚索张拉时间， 优化张拉效果。

5 预应力锚固技术在岩土工程施工中的应用分析

5.1 项目工程概况

A市某大型水电站于1998 年建成使用至今， 由于使用年限较长， 目前存在坝体渗水以及基座发生偏移等情况， 为保证大坝坝体的安全以及水电站的正常运转， 甲施工单位拟采用预应力锚固技术方案把坝体和坝基基座进行修复和维护， 从而保证大坝的安全与稳定。

在预应力锚固技术应用之前， 需要对相关影响因素进行排除， 包括施工现场环境进行勘察和分析、 锚固材料选择和检测等， 通过深入分析并记录详细数据， 排除各类影响因素， 并制定合理有效的防治措施， 保障施工工作的顺利开展。

在岩土工程施工过程中， 工程地质环境特殊复杂， 岩土土体、 地下水以及雨水等都会对锚固技术的开展产生不利的影响， 比如岩土土体中受到雨水的作用， 会引起锚杆拉伸变形， 从而导致整个锚固结构受力的改变。 因此， 在现场施工之前， 需要认真勘察地质条件和环境因素， 针对可能引起锚固系统失效的情形制定相应的防治措施， 保障工程结构的稳定性。

5.2 锚杆杆体的安放要求

在岩土工程施工过程中， 对于锚杆的使用方法以及锚杆杆体的规格、 型号、 安放位置等都有着严格的规定和要求， 否则很容易导致整个锚固技术失去应有的效果。 在实际施工过程中， 根据工程特征以及现场地质环境， 选择合适的锚杆， 并且在确定杆体及锚杆支护环境没有问题之后， 才能将锚杆置入钻孔， 同时放入注浆管， 为后续锚固注浆做好准备。

5.3 锚孔钻造

锚孔钻造的时候需要根据土层结构和地质环境等设计相应的孔洞密度， 同时需要结合精密仪器， 对孔洞的直径、 大小以及位置进行详细的计算和分析。 孔洞开挖之前， 需要进行测量找平， 标记好锚孔的位置之后， 用颜料、 标签等标记物进行标记， 然后开始钻孔作业。 在钻孔结束之后， 要及时进行冲洗， 清理孔洞中残留的粉末等。 全部工作完成之后， 开始进行试验检测， 检测完成之后， 进行锚固杆件的安装工作。

5.4 钻杆冲洗

钻孔作业是锚固技术应用的一项重要工作， 而钻杆冲洗又直接影响到钻孔作业能否顺利实施。 在钻孔作业时， 钻杆冲洗会影响钻造的质量和效果， 在岩土工程施工中， 由于岩层土体较为坚硬， 为保障钻杆能够钻入孔洞， 对于冲击钻机， 通常利用洗气法对钻杆进行冲洗， 能够达到很好的冲洗效果。 除此之外， 对于旋转式钻凿， 水冲法更为合适， 水冲法能够使得岩土土体和灰浆相互之间产生较强的黏性， 但是水冲法对于土体地址条件要求较为苛刻， 在实际使用之前，需要对岩层进行勘测， 避免因为钻杆冲洗方式不合理导致岩体结构的失稳。

5.5 预应力锚索施工

在本工程施工中， 选择采用高性能、 高强度钢绞线， 直径16.15， 强度1700mpa， 选择使用 XM15 型锚具， 在施工前通过施加预应力为标准值的1.1 倍， 进行抗拉拔试验后没有问题即满足使用要求。

锚索扩张材料使用直径为1cm钢板制作， 自孔底由下往上进行注浆作业， 在注浆之前使用0.3mpa的压强注满注浆塞， 强度达到20mpa后即可开始进行注浆。 锚索的自由段管内使用特殊材料钢绞线， 同时使用黄油热缩管进行包裹， 为了防止锚索在孔内位置偏移， 用焊接机对扩张件和注浆管进行焊接， 同时锚固段15m钢绞线要保证不被污染， 在管外需要每隔1m焊接一个定中件。

锚头混凝土垫板使用C20 钢筋混凝土， 在强度达到25mpa后开始进行锚索的预应力张拉， 在张拉完成之后对锚头两端进行涂塑或者油漆进行防腐处理。

5.6 喷锚混凝土施工

在需要支护的工作面使用喷锚混凝土C30 喷射混凝土护面， 厚度为100mm， 内部含直径为6mm的钢丝网， 型号为20cm×20cm， 锚杆使用直径22mm的螺纹钢筋， 长度约500cm， 钻孔使用水灰比为0.6 的水泥砂浆喷注， 并按照1mx1m的方格网进行布置。

钻孔按照施工设计图确定位置， 利用液压钻机进行钻孔， 钻孔的仰角方位根据岩石的缝隙、 孔洞等综合来定， 一般情况下钻孔仰角应该与构造成孔保持垂直状态。

使用m30 混凝土， 水灰比0.6 的普通硅酸盐水泥进行注浆， 抗压强度值为26mpa， 同时为了保证注浆注满， 在注浆之前还应该清理干净钻孔， 防止存在孔隙。 锚杆安装应采用直径为25cm的螺纹钢筋， 先安放在已经注浆完成的锚杆孔内， 再留出约8cm的长度至于锚杆孔外面， 用来喷锚挂网。 喷锚混凝土使用C30 混凝土， 厚度约8cm， 在喷锚前先清洗护面， 并保持表面清洁、 无污染， 进行 “干法喷射”， 在混凝土凝固后两小时， 洒水保湿， 保证护面在14d 之内保持湿润状态。

5.7 预应力锚固技术工程造价分析

由于水电站坝体和坝基结构较为特殊， 为了确保在岩土工程施工中的安全和质量， 在本工程施工中需要采用逆作法技术进行施工， 首先是通过自上而下的事先施加预应力锚索， 再进行喷锚施工作业， 进行动态监测变形情况， 详细记录数值， 最后通过专业化、信息化的技术装备， 实现预应力锚固技术安全高效的使用， 避免土方坍塌的风险。 预应力锚固技术和传统护面加固技术相比， 不但能够满足对于护面加固的要求， 又能加快工程进度、 减少建设投资， 充分体现了预应力锚固技术的先进性和适用性。 预应力锚固技术在施工过程中主要的工程量数据和施工单价信息如表1 所示。

表1 主要工程量数据及施工单价信息

6 结语

目前， 预应力锚固技术经过多年发展， 技术已经较为成熟， 在岩土工程领域应用也更加广泛， 为推动建筑行业健康持续向上发展提供了有利条件。 在实际施工过程中， 利用预应力锚固技术可以解决传统施工技术的缺点和不足， 提高边坡稳定性和安全性， 同时能够降低企业施工成本， 提高施工质量。 但是岩土工程施工通常面临的工程环境比较复杂， 在实际应用之前， 需要仔细勘察分析预应力锚固技术的可行性和适应性， 确保施工任务能够顺利完成。