高边坡压力分散型预应力锚索施工技术的应用

沈晓华

（万顺通集团有限公司，福建 漳州 363000）

0 引言

公路工程高边坡的防护方式主要有挡土墙、锚索框架梁和抗滑桩等，从经济性、先进性和防护效果等方面进行比较，发现锚索框架梁具有施工简便、造价低和适用范围广等优点。鉴于拉力型预应力锚索在锚固段上容易出现粘结应力集中或者分布不均匀现象，从而导致锚索失稳破坏，在该情况下，压力分散型预应力锚索应势而出。该新型锚索通过钢质承载体将拉力转变成压力，使锚索受力均匀，由于每根锚索设置单独的钢质承载体，使各个单元锚索长度不需要一致，从而减少锚索长度，节约工程造价。但是压力分散型预应力锚索施工工序复杂，为了达到预期的高边坡防护效果，应切实进行可靠的质量控制。本文从预应力锚索工作机理出发，结合案例工程施工过程中的重要环节阐述高边坡压力分散型预应力锚索施工技术的应用。

1 工程概况

某公路项目K0+930～K1+130 段左侧边坡高度为55.1m，边坡高度较高，表层土为粉质黏土，厚度为1.3～4.6m，黏土下面地层为砂土状强风化粉砂岩，厚度为9.8～18.7m，第三层为碎块状强风化粉砂岩，厚度为15.5～30.1m，边坡相对陡峭，层面坡度约46°。该边坡属于高陡边坡，存在着滑坡潜在危险，应采取行之有效的措施进行加固。

2 高边坡防护设计方案

坡脚位置采用A 型半挡墙进行加固，边坡坡率为1∶0.75；2～5级边坡采用预应力锚索框架进行加固，第2级边坡坡率为1∶0.75，其余边坡坡率均为1∶1.0；6～7级边坡采用喷播植草灌进行加固，边坡坡率均为1∶1.25；高边坡防护设计方案如图1所示，边坡平台宽度均为2m，按照规定设置排水沟渠。坡脚位置挡土墙按照2m×2m的方格布设塑料排水管，管口应朝外倾斜5%，以便将土体内水分排出。框架梁规格为600mm×600mm，混凝土强度为C25，梁体外露长度为150mm。预应力锚索采用4孔6索的压力分散型锚索，钢绞线强度为1860MPa，直径为15.24mm，锚索设计长度为24～28m，设计轴力为700kN，锚索与水平面之间的夹角为20°，锚固长度为12m。框架内以间距为1500mm插打钢管，钢管直径为50mm，入土深度为5m，再将直径为10mm钢筋铺设在钢管上，布筋间距为100mm，再将强度为C20细石混凝土喷射到钢筋网上。坡顶2级边坡修整后采用直径为14mm的锚杆以间距为2000mm进行布置，锚杆打入岩土层深度为0.8m，将直径为2mm，网格为130mm×90mm 的镀锌铁丝网拉紧铺设好，铁丝网应挂设在锚杆上，铁丝网搭接宽度为150mm，采用喷射机将带有种子的有机物质喷射到铁丝网上，并采用无纺布进行覆盖养生，从而实现喷播植草灌。

图1 K0+930～K1+130段高边坡防护设计断面图

3 预应力锚索工作机理

预应力锚索是指根据岩层地质情况在钻孔内进行数个单元锚索的安装，而每个单元锚索的锚固长度与自由长度有所不同，锚索的荷载通过千斤顶进行施加，由于自由段长度不同产生的一定补偿力，通过张拉对各单位预应力进行补偿，从而使锚索所承受荷载一致。压力分散型锚固体系成功地将荷载由大转化成小荷载，将拉应力转变成压应力，使荷载峰值大大降低[1]。预应力锚索通过钢质承载体将荷载传递给岩层，锚固段长度能够实现可控效果。由于钢质承载体的巧妙设置，注浆后，注浆体与岩土层的粘结力将得到增强，锚索承载力得到显著提升。

4 高边坡压力分散型预应力锚索施工技术

4.1 工艺流程

压力分散型预应力锚索的工艺流程如图2所示。

图2 压力分散型预应力锚索工艺流程图

4.2 施工技术准备

项目部应根据工程实际情况编制施工组织设计，根据设计和规范要求对工艺流程和施工方法进行明确，制定预应力锚索施工质量保证措施。为了准确地确定锚索极限承载力，按照规定在边坡上选取3个试验孔进行基本试验，根据试验需求设置2个锚索长度为14m，1个锚索长度为16m，而14m长度对应锚固段长度则设置3m和4.5m两种，16m长锚索则将其锚固段长度设置为6m，以1.5倍设计拉力进行施荷，结果发现锚头无明显位移，位移量均≤1mm，从而验证了预应力锚索设计的合理性。如果基本试验相关数据超出规范要求，则应根据实际情况对相关设计参数进行调整，从而保证锚索工作性能与边坡安全性。根据设计边坡坡率对坡面进行修整，搭设脚手架，架子宽度为1.5m，立杆和横杆间距分别为1.5m和1.8m，脚手架采用锚杆与坡体进行连接和固定。根据框架梁布置情况对锚孔进行测量定位，通常按照从上到下，从左到右的顺序进行测放，框架梁测量定位则是先测放竖肋再测放横梁，锚孔定位精度要求≤5cm，在锚孔中心打入钢钎。

4.3 钻孔

根据施工方案，该工程采用YB-100型潜孔钻机进行钻孔，孔洞直径为150mm，首先根据锚孔位置将钻机底座固定在施工平台上，根据设计倾角通过罗盘对钻杆的角度进行调整，通常情况下，方位偏差应控制在2°以内，而倾角偏差则控制在1°以内[2]。锚孔钻进过程以干钻为主，根据地质情况合理调整钻压、风压和风量，该工程正常钻进钻压控制为20kN左右，风压和风量则分别控制为0.6MPa和12m3/min左右。在钻孔过程中，根据钻进米数及钻进速度对钻杆的倾角进行检查，防止出现锚孔倾角超过规范允许范围，操作人员应详细记录相关施工参数和地质状况。如果岩层中存在破碎带情况，钻孔技术应变成跟管钻进技术，潜孔锤钻头应钻进1m后再安装跟管进行钻进，此时钻压应调整为7kN，风压和风量分别调整为0.8MPa和10m3/min左右，确保钻进顺利。在钻孔过程中遇到任何异常情况应及时向监理工程师汇报，根据现场实际情况采取适当技术措施进行处理。实际钻孔深度应比设计深度深0.5m，达到最终深度时，钻头应停止向前钻进而依然保持在原位打钻1～2min，从而保证孔底直径符合设计要求。孔内所有杂质和地下水均应清理干净，利用吹扫作用将孔内碎屑全部清出孔外，保证钻孔光滑和干净。

4.4 制锚与下锚

预应力锚索锚固段分为3 个单位，锚固段长度为12m，因此每个单位锚固段长度L1、L2和L3均为4m，而该工程锚索自由段长度各不相同，因此，根据计算公式：自由长度+锚固长度+1.5m预留长度对锚索进行下料，根据锚索尺寸进行列表和编号，采用砂轮机切割钢绞线，锚索长度偏差值应控制在50mm之内。锚索应根据单元属性不同采用油漆进行标识，锚索应摆放顺直无扭曲。根据锚索体设计图合理地定位钢质承载体的位置，采用拉杆和限位片进行固定，挤压装置应安装牢固，在最末端的钢质承载体点焊上导向帽，而锚索则通过挤压装置锚固在钢质承载体上。为了保证锚索安装顺直和准确，将架线环安装在孔口的中轴位置，锚索体自由段位置架线环的布置间距为1.0～1.5m，架线环固定牢固。该工程采用PVC管作为锚索体的注浆管，规格为25mm，要求注浆管能够抵抗住4MPa的压力冲击，PVC管安装在锚索体中线位置，注浆管采用铁丝绑扎，其末端应伸入导向帽内5～10cm左右，管内应畅通无阻[3]。锚索体制作完成后应按照规定做好编号，制作质量验收合格后应将防锈漆涂刷在钢质材料上，锚索体应保持顺直状态。鉴于锚孔具有一定的倾角，为了更好地控制下锚的准确性，在锚孔处根据施工方案设置导向架，锚索体吊运应平稳和顺直，将锚索体轻放在导向架上，操作人员缓慢地将锚索体送入锚孔，下锚施工应连续不中断，推送应平稳，防止锚索体出现卡顿现象。

4.5 注浆

该工程水泥浆强度为40MPa，采用纯水泥浆，为了提高抗裂性，掺入适量的聚丙烯腈纤维。经过试验确定水泥浆的水灰比为0.4，水泥浆采用先进的制浆装置进行搅拌，该装置能够根据配合比设计实现自动称量、下料和搅拌，从而保证水泥浆搅拌均匀，颜色一致，经过计算，该工程聚丙烯腈纤维为1.9kg/m3。通过高压泵将水泥浆注入PVC管，注浆压力为2.0MPa，随着水泥浆的不断注入与充盈，待孔口出现新鲜的水泥浆返浆时则代表锚孔注浆饱满，这时候可以停止注浆[4]。如果发现水泥浆有回落情况，应立即进行补浆，使浆液充满锚孔。在注浆过程中应时刻关注岩层有无异常现象，比如土体出现隆起或者冒浆等情况，如出现异常现象应立即停止施工，查明原因并处理后再开始注浆。

4.6 锚索框架梁施工

根据框架梁分布情况将其边线测量定位好，根据框架梁嵌入岩体45cm的设计要求对岩体进行刻槽，槽底位置采用水泥砂浆进行找平。待砂浆硬化后，再绑扎梁体钢筋，锚索位置应根据设计图纸要求安装波纹钢管和锚垫板，钢筋绑扎应牢固，接头位置应按照规定进行错开。框架梁模板采用胶合板模板，模板安装应牢固顺直[5]，模板上口标高应符合设计要求。混凝土采用振动棒进行振捣，振捣密实可靠。为了防止框架梁长度过长出现裂缝，每15m设置1道伸缩缝，缝宽为20mm。

4.7 锚索张拉与锁定

锚索张拉工具为千斤顶，该工程千斤顶型号为YC-100，锚索张拉前应按照规定对张拉设备和仪表进行检定，检定结果应符合精度要求。待水泥浆和混凝土强度均超过80%设计值即可进行锚索张拉施工[6]。在锚索张拉之前，根据设计轴力和锚索长度对差异荷载进行计算，补足荷载后按照规定进行分级加荷张拉。为了保证张拉过程各部件的紧密和锚索的平直性，以15%的张拉设计值对6根钢绞线进行预张拉2次，达到预张拉效果后将荷载卸除。根据计算出来的差异荷载分别对最长钢绞线进行张拉后卸载，然后再用第二组差异荷载对最长和中间长度的钢绞线进行补荷张拉后卸载。该工程设计轴力为700kN，因此5 级分级张拉荷载对应为175kN、350kN、525kN、700kN 和770kN，每级加荷后应及时量测锚头位移和锚索伸缩量，770kN 张拉荷载加荷后应持荷15min后，量测好锚头位移，确保所测数值符合规范要求即可卸荷锁定，锚头位移要求≤1mm。锚索采用隔位张拉法，从而有效地减少相邻孔锚索的影响。

5 结束语

综上所述，采用压力分散型预应力锚索对高边坡进行加固后，经试验检验和监测得出，锚索在各级张拉荷载作用下，锚头位移值均≤1mm，锚索伸长量满足设计要求。在张拉荷载为1050kN时，锚头总位移量满足规范要求，表明锚索的工作性能符合设计要求，钢绞线无断丝，锚头处无破损情况，预应力锚索质量合格。通过设置10个监测孔收集数据，边坡无滑动现象，锚索预应力无明显损失，边坡未出现失稳现象，边坡稳定可靠，加固效果良好。压力分散型锚索能够有效、稳定地解决高边坡岩层中荷载峰值问题，使注浆体受荷均匀，而一旦发现锚索预应力有所损失还能采取补偿张拉进行补救，该锚索由于各单元长度不同，能够减少锚索下料长度，降低工程造价。该项目的实践表明，压力分散型预应力锚索值得在类似高边坡加固工程中进行推广应用。