高速公路高边坡治理工程中预应力锚索设计及施工技术

劳春江

(广东省政府还贷高速公路管理中心,广东 广州 510000)

1 工程背景

怀集至阳江港高速公路怀集至郁南段(以下简称“怀阳高速”)项目里程102.17 km。本工程分两个工期完成全线建设,其中,一期工程路线全长87.57 km,二期工程路线全长14.6 km。一期工程公路路线的起始位置是肇庆市怀集县岗坪镇(该段高速公路是衔接二广高速公路的怀集支线路段),向南经梁村镇,封开县长安镇、金装镇、南丰镇、莲都镇、河儿口镇、渔涝镇、杏花镇、罗董镇,终于封开县长岗镇(接广佛肇高速公路),全长约87.571 km。全线采用双向四车道高速公路技术标准,起点至莲都互通段的设计速度需要控制在最高每小时120 km,莲都互通至终点段的最高设计速度需要控制在每小时采用100 km,路基宽26.0 m。本项目总投资概算822 060万元。本路线主线桥12 410 m/54座,主线路基段长度60 598.8m,隧道长1 654.5 m/1座,匝道长度21 283 m,匝道桥2 275.1 m/18座,匝道路基段19 008 m,填方1 706.643万m3,挖方1 851.638万m3,设置锚杆锚索防护边坡15 812 m/87处设岗坪东(水浸)、金装、南丰、莲都、河儿口、杏花、欧垌互通立交共7处,设服务区2处,停车区1处,养护工区2处。二期工程项目路线起于肇庆市封开县长岗镇国合林场西侧,起点桩号K91+500,与一期工程TJ9标段(X2先行标)欧垌互通立交终点对接,路线向南跨国道G321和西江之后进入云浮市郁南县都城镇,之后在平台镇与广梧高速相接,利用广梧高速公路共线,终于双凤互通。路线全长约68.779 km,其中新建里程14.779 km,与广梧高速共线里程约54.0 km。新建里程封开县3.95 km,郁南县10.829 km。

全线采用双向4车道,路基设计标准横断面宽度为26 m,其中起点至莲都互通段(K46+065)采用设计速度为120 km/h,莲都互通至终点段设计速度为100 km/h,共设有隧道2 424.5 m/2座、特大桥3 113 m/2座,桥隧比19.57%,三级以上高边坡123处,最高边坡为七级、高64.1 m。怀阳高速AK0+480～AK0+625右侧边坡位于怀阳高速郁南段境内,为路堑边坡。可见,二期工程所在地为七级高边坡,需做好治理工作,确保公路整体的安全性。

2 边坡治理岩土计算

AK0+480～AK0+625右侧四级边坡岩土计算参数如下。

(1)坡积粉质黏土,为可塑-硬塑状态,重度为17.9(18.4)kN/m3,黏聚力为20(16)kPa,内摩擦角为16°(13°)。

(2)残积粉质黏土,为硬塑状态,重度为18.2(18.7)kN/m3,黏聚力为24(19.5)kPa,内摩擦角为18°(14.5°)。

(3)全风化混合岩,为土状,重度为18.7(19.2)kN/m3,黏聚力为26(21)kPa,内摩擦角为20°(16°)

(4)强风化混合岩,为半岩半土状态,重度为19.5(20.0)kN/m3,黏聚力为39(31)kPa,内摩擦角为34°(27°)。

3 路堑边坡预应力锚索设计

3.1 预应力锚索组成设计

(1)锚头。是设置在锚索外端,用于锚固作业或者锁定锚索拉力的部件,一般由垫墩、垫板、锚具、保护帽、外端锚筋等组成[1]。

(2)锚固段。设置在锚索的远端,用于将拉力传递给边坡稳定地层部分。具体的锚固深度和锚固长度应根据高边坡治理工程所在地区的实际情况测量、计算后获取,原则是锚固深度和锚固长度均应足以承受最大设计拉力。

(3)自由段。用于将锚头拉力传递到锚固段的中间区段,主要由锚拉筋、防腐构造层、注浆体组成。

(4)锚杆相关配件。该装置不止一种,包括定位支架、导向帽、架线环、竖线环、注浆塞等,主要作用是为了确保锚索的受力结构合理,并提高施工的便捷程度[2]。

在本工程中,使用的预应力锚索的技术参数如下:①由高强度、低松弛度的钢绞线组成,锚具采用QMV型锚具。②钻孔直径设定为200 mm,采用套管跟进钻孔工艺成孔。③锚索注浆用的材料为P·O 42.5纯水泥浆,水灰比控制为0.5。在实际施工期间,施工人员应充分考虑现场自然气候情况,决定是否在注浆材料中加入早强剂。

3.2 预应力锚索分区设计

二级边坡锚索设计张拉力500 kN,设计三排锚索,锚索长度为24 m,锚索框架梁间距为3 m(横)×3 m(纵)。

4 边坡治理预应力锚索防护措施设计

怀阳高速AK0+480～AK0+625右侧深挖路堑边坡设计为四级边坡。第一级坡率为1∶1.00,防护类型为人字形骨架喷播植草+挂网客土喷播植草,第二级坡率为1∶1.00,防护类型为锚索格梁+挂网客土喷播植草,第三级坡率为1∶1.25,防护类型为人字形骨架喷播植草+三维网植草,第四级坡率为1∶1.50,防护类型为三维网植草。

5 预应力锚索施工技术

5.1 预应力锚索施工前的准备工作

(1)管理人员应针对锚固工程的计划、设计图、边坡岩土形状等资料的齐全程度进行全面梳理,务必确保所有资料齐备且完整[3]。

(2)技术人员应做好高速公路高边坡及附近施工区域的勘察工作,评估施工可能对高速公路造成的影响,并对高速公路周边管线的埋设位置、埋设深度等进行全面了解(有关水、电的所有情况必须调查清楚)。

(3)掌握工程所在地的作业限制、环保法规、地方政策,评估这些法律法规对施工造成的影响。如果当地有关规定与国家有关规定存在冲突时,管理人员应作综合考量,以国家规定为主,同时还应考虑地方实际情况,找到“最优解”。

(4)对所有锚索编号,编制与预应力锚索有关的高速公路高边坡整治工程进度管理及质量控制计划。

5.2 锚索施工平台的搭建

预应力锚索施工平台的搭建作业要点如下:(1)如果施工平台为模板,则应将模板厚度设置在3 m以上,且同一木板在水平方向承受的推力应该不低于3 t。(2)由于作业高度较高,故预应力锚索施工平台的临空面必须设置安全防护栏杆,高度不得低于1.8 m,且应将竖向栏杆的间距控制在0.5 m以内,将最低横向栏杆与平台之间的距离控制在0.3 m以内,避免缝隙过大导致施工人员一时不慎从缝隙中“窜出”、坠落。(3)施工人员应在平台合适位置处安装钻机,之后对钻机的方位、角度等进行适当调整,所有参数符合要求后固定钻机[4]。

5.3 钻孔施工作业

预应力锚索施工首先按照施工图的要求钻孔。该项施工是锚索锚固高边坡工程中成本最大、对工期要求最高、对经济效益影响最大的环节。在正式施工之前,技术工程师必须向施工人员详细做好技术交底工作。具体来说,应告知施工人员,锚杆钻孔孔径、长度、倾角必须与设计要求严丝合缝,理论上不能出现一丝一毫的偏差。此外,所采用的钻孔方法无论是哪一种,都应确保钻孔精度,从而为后续作业中的杆体插入、注浆做好准备。具体要求如下:(1)在使用钻机前,施工人员必须按照施工设计图纸,使用经纬仪做好测量放线作业,确定孔位以及锚孔的方位角,做好相应的标记工作。本工程对锚孔入口处的要求适用一般要求——水平方向的误差不能超过50 mm,垂直方向的误差不能超过100 mm。(2)确定孔位之后,施工人员应结合实际地层条件以及钻孔方向,选择适当的钻孔机具(同时还应对基座的水平定位和锚孔立轴倾角予以确定)。此外,还应确保钻机的立轴倾角与钻孔的倾角尽可能吻合,将误差控制在微小范围内(岩心管倾角可以稍超过立轴倾角,但方向必须得到严格控制,即不允许出现反向偏差)。(3)完成开孔作业后,施工人员必须尽量维持良好的钻进导向,且应该在钻进过程中根据实际地层变化情况,对钻进参数进行灵活调整,规避孔斜偏差[5]。

5.4 预应力锚索的现场制作与安装

(1)施工人员应按照设计图纸选择钢绞线,如生产厂家、日期、批次、型号、力学性能指标等要符合要求,且需通过抽样检测后方可使用。(2)每一根钢绞线的具体下料长度取决于预应力锚索的设计长度、腰梁的宽度、预应力锚索处于张拉状态时端部的最小长度,这三者之和便是下料长度。(3)施工人员应在钢绞线的自由段部分涂满黄油,之后将之套入塑料管,将两端绑扎牢固。这样做的目的在于,确保自由段的钢绞线能够自由伸缩。(4)在绑扎钢绞线隔离架时,施工人员应该沿着预应力锚索锚杆的长度方向,每间隔1.5 m设置一个。(5)完成预应力锚索的加工且检查合格之后,施工人员需要将锚索小心地(无磕碰、不出现结构松散情况)运送至钻孔孔口区域。在入孔之前,施工人员需要将注浆管设定为平行状态,之后将锚索与注浆管一起送进钻孔内。(6)在安放锚束时,施工人员应特别注意避免锚束受到扭曲、挤压。(7)应控制注浆管的端部与管底之间的距离为50～100 mm,且锚束插入孔内的深度应该至少达到锚束长度的95%。在实际施工中经常出现锚索难以插入管内的情况,这是因为钻孔内存在堵塞管道的黏土。在这种情况下,施工人员不应继续使用蛮力试图强行插入,而是应该将钢绞线与隔离架进行松散处理,进而将钻管拔出,待将钻孔内的黏土全部清除干净后,需要重新钻孔到位并重新进行后续操作。

5.5 注浆施工

注浆是预应力锚索锚固施工期间的重要环节,该阶段的作业质量会从根本上决定锚杆的承载能力。注浆作业要求如下:(1)第一次灌浆作业期间,施工人员应仔细观察浆液情况,确定有浆液从孔口返出为止。(2)第二次压力注浆作业应该一次性完成,非到万不得已不得中途停止注浆。期间的注意事项为:第一次注浆作业期间,应将水灰比控制在0.45～0.5之间,注浆压力控制在0.3～0.5 MPa之间;第二次注浆作业为高压注浆作业,应将水灰比控制在0.45～0.55之间,注浆压力需控制在2.5～5.0 MPa之间。(3)上文提到的“注浆中途不得中断,必须一次性完成”的具体解读是:每一次注浆作业必须在初始注入的浆液仍然具备塑性的时间内完成,否则容易导致作业质量大幅度降低。在注浆作业期间,施工人员还应一边灌注,一边提注浆管,确保注浆管管头能够插入浆液液面下方约50～80 cm。还应注意,该作业阶段绝不能将导管从浆液面下方拔出,否则有可能出现断杆情况。

5.6 锚索的张拉与锁定作业

(1)必须等到锚固强度达到15 MPa以上且同时达到设计强度的75%之后,方可进行锚索张拉作业。(2)所选用的张拉设备必须符合锚杆体材料特性以及锁定力的大小;在张拉过程中,施工人员应该严格遵守设计要求,注意区分张拉荷载分级情况以及记录张拉时间。每一级加荷等级观测时间内,施工人员均需至少对锚头处的位移情况测度3次。(3)等到张拉等级完全达到设计拉力时,如果高边坡为砂土,则应保持10 min张拉状态;如果是黏性土,则应保持15 min张拉状态。当每一次的位移值不超过1 mm时,可认为“变位”趋于稳定。(4)待锚索各部位与边坡紧密接触、钢绞线处于完全平直的状态之后,且张拉强度达到设计荷载的105%～110%,保持稳压持荷状态、未发现锚索明显衰减时,方可进行锁定作业。完成该项作业后,施工人员应对锚具留出10 cm长度,将多余部分切掉后涂抹防腐油脂。

6 结 论

综上所述,受地形地势因素影响,一些高速公路所在位置的边坡高度过大,如果缺乏有效治理、约束手段,则随着时间的推移,高速公路高边坡的整体稳定性会在不同程度上下降,进而增大滑坡、危岩、危石等自然灾害的发生率,对过往车辆和附近居民的安全产生威胁。为避免出现上述问题,可在高边坡整治工程中使用预应力锚索,能够有效增加边坡滑动面的抗滑摩擦阻力,始终压紧边坡结构面,提升整体稳定性。