受限用地高边坡肋板锚索挡墙设计与施工技术研究

周聪

（中铁十一局集团第六工程有限公司，湖北襄阳 441003）

1 引言

在城市轨道交通场段建设中，受限用地高边坡的支护非常重要，能否选择合理可靠的支护方案和施工方法，将直接影响工程建设的质量、安全和效益[1-2]。本文介绍的某工程受限用地高边坡肋板锚索挡墙设计与施工技术，具有一定的代表性，可供同类工程参考借鉴。

2 地质情况

该工程基岩以花岗斑岩岩株及粗粒花岗岩为主，煌斑岩呈脉状穿插其间，局部发育构造破碎带。沿线基岩以粗粒花岗岩为主，并见有后期侵入的煌斑岩、花岗斑岩岩脉；局部由于受构造影响见有块状碎裂岩。

根据边坡坡面出露情况，该岩体完整性指数Kv一般小于0.2，该层岩体为破碎~极破碎的软岩，岩体基本质量等级Ⅴ级。

3 受限用地高边坡支挡设计及分析

3.1 设计方案

靠山一侧为挖方高边坡，为了减少开挖量，节约用地，采用1∶0.25的板肋式锚索挡土墙。设计参数：内摩擦角φ=42°~55°，土体重度γ=23~25 kN/m3，岩石与锚固体黏结强度τ=220~500 kPa。

3.2 结构验算

3.2.1 侧向土压力计算

1）变形破坏模式

挖方边坡高度为20~45 m的花岗岩岩质边坡，局部有碎裂岩，边坡开挖后可能发生沿岩层中产生滑裂面破坏。内摩擦角采用岩体等效内摩擦角，破裂角根据计算确定。

2）边坡侧向支护结构侧向岩土压力计算

平面滑裂时主动土压力计算：

式（1）~式（5）中，Eak为主动土压力标准值，kN/m；Ka为主动土压力系数；H为挡墙高度，m；γ为土体重度，kN/m3；φ为土的内摩擦角，（°）；c为土的黏聚力，kPa；q为地表均布荷载标准值，kPa；δ为土对挡墙墙背的摩擦角，（°）；α为支挡结构墙背与水平面的夹角，（°）；β为填土表面与水平面的夹角，（°），Kq和η为计算系数，由式（4）和（5）求得。

3）计算参数

边坡支护工程设计参数依据勘察报告选取。

4）侧向岩土压力计算结果

代表断面为GK0+520，一、二级边坡坡率1∶0.25，每级15 m；三级及以上边坡每级10~15 m，边坡坡率1∶1，墙后填土土层数为2层。采用库仑土压力对代表断面岩土侧压力进行计算，计算结果如下。

（1）GK0+520断面上阶边坡

1#土层厚度9.0 m，重度23.0 kN/m3，内摩擦角42.0°，黏聚力0 kPa。

2#土层厚度50.0 m，重度25.0 kN/m3，内摩擦角48.0°，黏聚力0 kPa。

坡面线段数：3。

1#平面折线水平投影长4.25 m，竖直投影长0 m，换算土柱数0。

2#平面折线水平投影长10.00 m，竖直投影长10.00 m，换算土柱数0。

3#平面折线水平投影长60.00 m，竖直投影长16.00 m，换算土柱数0。

无荷载的情况土压力计算，计算高度为15.00 m处的库仑主动土压力，第1破裂角：25.451°。

Ea=330.211 kN，Ex=305.537 kN，Ey=125.244 kN，作用点高度Zy=5.332 m。

式中，Ea为水平岩土压力合力，kN；Ex为水平方向岩土压力，kN；Ey为竖直方向岩土压力，kN。

（2）GK0+520断面下阶边坡

1#土层厚度9.0 m，重度23.0 kN/m3，内摩擦角45.0°，黏聚力0 kPa。

2#土层厚度50.0 m，重度25.0 kN/m3，内摩擦角55.0°，黏聚力0 kPa。

坡面线段数：5。

1#平面折线水平投影长5.25 m，竖直投影长0 m，换算土柱数0。

2#平面折线水平投影长3.75 m，竖直投影长15.00 m，换算土柱数0。

3#平面折线水平投影长2.00 m，竖直投影长0 m，换算土柱数0。

4#平面折线水平投影长10.00 m，竖直投影长10.00 m，换算土柱数0。

5#平面折线水平投影长30.00 m，竖直投影长8.00 m，换算土柱数0。

无荷载情况的土压力计算，计算高度为15.00 m处的库仑主动土压力，第1破裂角：21.422°。

Ea=599.889 kN，Ex=546.787 kN，Ey=246.762 kN，作用点高度Zy=7.046 m。

5）锚索挡土墙侧向土压力修正及分布

（1）土压力修正

式中，E′ab为侧向岩土压力合力水平分力修正值，kN；Eah为侧向主动岩土压力合力水平分力设计值，kN；β2为锚索挡墙侧向岩土压力修正系数，取1.0。

（2）侧压力分布

对于岩质边坡坚硬、硬塑状黏土和密实、中密砂土类边坡，当采用逆作法施工的、柔性结构的多层锚索挡墙时，侧压力分布可近似按式（7）计算：

式中，ehk为侧向岩土压力水平分力标准值，kN/m2；Ehk为侧向岩土压力合力水平分力标准值，kN/m。

3.2.2 弯剪力计算

根据最不利岩土侧压力组合，求得岩土侧压力合力，再乘以侧向岩土压力修正系数，得到侧向岩土压力修正值。采用连续梁计算得锚索的约束力的水平拉力标准值Htk。GK0+520断面锚索计算结果单根锚索水平拉力标准值分别为：上阶265.6 kN，下阶473.2 kN，弯矩和剪力如图1、图2所示。

图1 弯矩图（单位：kN·m）

图2 剪力图（单位：kN）

根据边坡高度、荷载值，参考GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》[3]附录D锚杆选型规定，确定本工程锚索的技术参数。

二级至一级边坡的单孔需承受的拉拔力为216~474 kN，采用极限抗拉强度不小于1 860 MPa、伸长率≤3.5%的高强度、低松弛预应力钢绞线，每孔锚索均用5束7φ15.2 mm钢绞线，锚固深度控制在13~15 m，具体使用要求参考GB/T 5224—2014《预应力混凝土用钢绞线》[4]的规定。

4 受限用地高边坡支挡施工技术

4.1 施工工艺流程和质量标准

根据边坡结构受力计算结果，为实现节约工期与保护用地的目标，针对关键施工工序提出了分级方案如下：（1）坡面、坡度控制：破碎锤修凿和光面爆破加机械修凿；（2）造孔方式：固定式和自行式；（3）锚固段注浆：水泥类注浆材料和水泥加膨胀剂类材料。

通过对分级方案进行试验比选，采用光面爆破开挖机械修整、自行式履带钻机造孔、水泥加膨胀剂类材料注浆的“板肋式锚索挡土墙”可用于本工程。

4.2 施工要求和技术条件

4.2.1 施工要求

在边坡开挖前做好坡顶截水沟和防渗工作，并将表土植被清理干净。石方爆破应以静态爆破或静态破碎为主。在接近设计坡面1 m范围以内采用人工配合机械开挖，以保护边坡稳定和整齐。

4.2.2 技术条件

边坡施工原则：“分级开挖，分级防护”，自上而下，开挖一级，支护一级，逐级开挖支护，严禁先开挖后防护。施工开挖过程中随时对边坡（滑坡）稳定性进行施工监测，发现实际地质情况有异常变化时，立即通报有关部门。

4.3 施工质量控制要点

4.3.1 坡面控制

（1）按照施工方案，对技术人员和施工作业人员进行技术交底，明确施工作业参数。（2）实施过程中，进行过程管控。先用GPS确定边线。（3）自上而下，分级开挖支护。采用预裂爆破结合城镇浅孔光面控制爆破。（4）爆破后在渣土清运前，利用平台面，安排反铲挖机迅速修正坡面，凿沟挖槽。

4.3.2 钻孔深度和倾角控制

1）孔径150 mm，孔深为锚索长度（不含外露长度）+0.5 m，钻孔方向与水平面呈20°夹角，倾斜度不应大于2%[5]。

2）钻孔施工完成后进行清孔，清除孔底沉渣、积水和泥浆，并将锚孔口封堵。

4.3.3 锚索束编制

原材料送检合格后使用，锚索按每级坡要求的长度下料及编索：（1）每孔锚索5束7φ15.2 mm钢绞线，锚索长10~13 m，自由段5 m（每束套φ22 mm塑料管），锚固段5~7 m，外露1.5 m；（2）控制下料长度及每2 m安装一套扩张环。

4.3.4 锚固段注浆控制

锚固注浆属于高边坡支护工程的特殊工序的关键环节，需专人旁站。

（1）购买合格材料；（2）下索后立即采用孔底注浆法对锚固段注浆，注浆材料采用M35水泥砂浆，掺入适量的膨胀剂和减水剂；（3）4~6 h（强度约5 MPa）进行自由端二次劈裂补浆，注浆压力0.6~0.8 MPa，流速控制在120~180 s；（4）注浆过程中严格控制注浆量，并做好注浆记录。

5 结语

综上所述，采用锚索肋板墙施工技术在保障工程质量和安全的前提下可以节约用地，减少取土、弃土，利于环保，缩短工期及降低投资。本项目减少用地2 000 m2，节省工期2个月，使施工成本显著降低。通过工程实践，为地铁车辆段板肋式锚索挡土墙施工技术的完善及推广运用提供借鉴。