预应力锚索施工技术在高边坡加固工程中的应用

1 工程概况
福建省山区地形复杂，高速公路桥隧相连，深挖高填交错出现，不可避免存在大量的路堑高边坡路段。鉴于福建山区地质复杂、不良地质地段多，在高速公路路堑高边坡施工过程中经常产生边坡推移和滑塌，为确保边坡稳定和交通安全，在路堑高边坡的地质不良地段较多应用了预应力锚固防护技术。
某条高速公路某处路堑高边坡全长252m，最大坡高46m，自下而上每8m分为一级，共6级，其防护设计如图1所示。该边坡强风化层较厚，岩体破碎不稳定，地质构造作用强烈，可见贯穿整个坡面的挤压破碎带，地层错动10～100cm不等，断层带内岩体破碎，挤压错动痕迹明显。根据该高速公路高边坡动态设计原则，其中第三、四级采用压力分散型预应力锚索加固，每级两排，上下排各两束锚索与框架共同组成锚固结构体，每束锚索设计拉力为700kN，锚固段12～13.5m，自由段8～16.5m，设计孔深20～30m，孔径13cm，总共施工锚索80根。
2 预应力锚索施工
2.1 施工前的预应力锚索基本实验（抗拉拔破坏试验）
2.1.1 试验目的
通过基本试验，验证本工程设计采用的预应力锚索的性质和性能、施工工艺、设计质量、设计合理性、安全储备，锚索的抗拉拔承载能力、荷载与变形等问题，以及有关的搬运、储存、安装和施工过程中抗物理破坏的能力，以便发现问题，及时采取变更和完善等措施。
2.1.2 试验方法及步骤
（1）选点：工程现场根据不同地层、不同高度选择具有代表性的孔位，其数量不少于锚索总数的5%，且不少于3点，间距应大于2.5m.
（2）实验装置的选定：加载装置的定额压力必须大于试验压力；检测装置必须满足精度要求。
（3）分级加载：本工程锚索采用高强度、低松弛预应力钢绞线，直径15.24mm，强度1860Mp.每级加载的大小为钢绞线的0.1Rb，并每隔 5min观测一次，次数不少于3次。当相邻两次观测的锚头位移小于0.1mm或2h小于2mm，方可施加下一级荷载。实验最大荷载一般不超过钢绞线的 0.8 Rb.
（4）试验的终止。当出现下列情况之一时，可认为达到破坏性，即可终止试验：
①锚头位移不收敛，锚固体从岩层中拔出或锚索从锚固体中拔出；
②锚头总位移超过设计允许位移量；
③后一级荷载产生的位移增量超过前一级荷载产生的位移增量的2倍；
④锚索材料拉断。
2.1.3 试验结果
本段预应力锚索施工前先取3个试验孔进行基本试验，其主要成果参数见表1，试验表明试验孔锚索性能良好，锚固体牢固，设计质量满足高边坡路堑防护加固要求，锚索的抗拔承载力达到加固要求，锚固加载后变形符合规范，施工工艺合理，可用以指导其他锚索施工。
2.2 钻孔
锚孔测放要求按照设计桩号采用拉线尺量，结合水准测量进行放线，并用铁钎和油漆标记准确定位。
钻孔采用QZJ-100B型潜孔钻机（成孔直径130mm），耗风量11～13m3/min.预应力锚索钻孔要求孔深、孔径不小于设计值，孔轴线倾角±﹤1o，孔轴线方位±﹤2o，施工中孔深、孔径比较容易控制，而孔向（孔轴线倾角及孔轴线方位）的误差不易控制，当超过允许误差时，锚索张拉时容易在孔口处发生弯折，这对锚索的受力极为不利。为此，施工中采取如下措施：
（1）加大钻杆刚度，加长岩心管长度，及时校正变形的岩心管。
（2）加强钻机平台的牢固度，认真校核钻具轴线，确保开孔段倾角准确，孔壁平顺。
（3）采用加大节点（每一个钻杆接头处增设一个弹子盘支撑），使全孔沿程都有可靠的支撑点，且不加大钻机负荷，能确保钻杆只能在钻孔中心圆周运动，不再自由抖动及敲打孔壁。
（4）每钻进5m检测一次孔向误差，发现偏差及时纠正。
锚孔钻进采用无水干钻，钻进时根据底层变化调整钻进速度，并记录底层变化及地下水情况。孔深钻进达到设计要求后，不能立即停钻，要稳钻3～5min，防止孔底尖灭，且应及时进行锚孔清理。
2.3 锚索的制作和安装
（1）预应力锚索制作由锚头、锚索体、内锚段三部分组成。设计预应力锚索倾角20°，锚索由7×7φ5钢绞线组成，单索公称直径15.24mm，下料长度21.5～31.5m，其长度由下式计算：
L=Ls+Lm+Ld+a
式中，L—预应力钢绞线下料长度；
Ls—锚索实际孔深（含承压垫座厚度）；
Lm—锚具厚度；
Ld—张拉设备工作长度；
a—调节长度（含张拉设备以外的外露长度）。
锚索下料采用砂轮机切割，避免电焊切割，对有死弯、机械损伤者应剔除。锚固段必须除锈、除油污，按设计要求绑扎架线环和箍线环，架线环间距原则为1m，最大不超过1.5m，且锚孔孔口位置必须设置一个；箍线环采用φ8钢筋焊成内径为4.0cm的圆环，钢绞线由其内穿过。自由段除锈后，立即加套软塑料管套管，套管两端绑扎封口。
（2）锚索的安装采用吊装法施工。吊点不少于5处，其中三个布置在锚固段内，两个布置在自由段内。锚索入孔前，用高压风枪清除孔内灰尘及杂物。锚索安装时要求按设计倾角和方位平顺推进，严禁抖动、扭转和串动，防止中途散束和卡阻。安装完成后不得随意敲击或悬挂重物。
2.4 注浆
（1）锚孔钻造完成后，应及时进行锚索安装和锚孔注浆，原则上不超过24h.
（2）注浆液采用水灰比0.43的纯水泥浆，强度不低于40MPa.
（3）锚孔注浆必须采用孔底防浆方法（注浆压力一般为2.0MPa左右），直至孔口溢浆，严禁抽拔注浆管或孔口注浆，如发现孔口浆面回落，应在30min内进行孔底压注补浆2～3次，确保孔口浆体充满。
（4）对锚固段较差的地层，施工中采用了二次劈裂注浆技术，以提高地层锚固力。
2.5 框架、地梁砼浇筑
锚索框架砼浇筑是锚索张拉质量的重要保证。两根竖梁及其所连横梁组成一片框架，每片框架整体浇筑，一次完成，浇筑时预埋QM锚垫板及孔口PVC管，锚垫板安装应与钢筋角度垂直，不能与竖梁平面一致。
2.6 张拉和锁定
2.6.1 张拉力控制方法
锚索的张拉和锁定在锚固段注浆及框架砼强度达到设计强度的80%后才能进行，采用压力表读表为主，伸长量校核为辅的施工方法施工。张拉前先对千斤顶压力表等张拉机具设备进行检验和标定，且保证锚具、夹片等检验合格。
2.6.2 单索预紧
锚索正式张拉前，应取10～20%的设计张拉荷载，对其预张拉1～2次，使其各部位接触紧密，钢绞线完全平直。
2.6.3 张拉
张拉机具采用YCW250型群锚穿心千斤顶，公称张拉力2500kN，配套油泵型号ZB4/500.锚索张拉时应按设计次序分单元采用差异分步张拉，根据设计荷载和锚筋长度计算差异荷载。锚索的预应力在补足差异荷载后分5级进行张拉，每级荷载分别为设计张拉力的25%、50%、75%、100%、 110%.除最后一级需稳定10～20min外，其余每级稳定5min.
2.6.4 锁定
张拉完毕后卸载的同时，锚环及夹片即完成锁定。考虑到夹片回缩对预应力的影响，采取超张拉至设计荷载的110%后锁定的施工方法补偿预应力的内损耗。锚索锁定后48h内，若发现明显的预应力损失现象，应及时进行补偿张拉。
2.7 锚索封锚
当全部工作锚索经抽样进行验收试验并合格后，方可进行封锚作业。封锚时，应将锚头砼凿毛后，用C25细石砼封闭，以防止锚索锈蚀并保持美观。封锚前，应对锚头空隙进行补充注浆充填密实。
2.8 预应力锚索验收试验
验收试验，也称现场验收试验或质量控制实验，其目的是获知锚索受力大于设计荷载时的短期锚固性能，以及满足设计条件时锚索的安全系数，它是针对所有工作的锚索进行的。验收试验锚索数量不少于工作锚索总数的5%，且不少于3根，并要根据普遍性和代表性的原则随机抽样。本段预应力锚索加固工程随机抽取4孔进行验收试验，其试验成果见表2、表3.试验结果表明，各孔的50%试验荷载到最大试验和在所测的锚头位移变化量，均大于该荷载范围内的锚索理论伸长量的 80%，且小于自由段与1/2锚固段长度之和的锚索理论弹性伸长量，说明锚索的抗拉拔承载力达到本路段高边坡的加固要求。安全性满足本路段的地质情况，说明本路段预应力锚索采用的施工工艺及质量控制措施是可行，施工质量是合格的。

表中Nt为设计荷载（700kN）
3 结语
（1）施工后经过半年的位移观测，没有发现异常现象，平面位移及沉降量均满足要求。施工至今2年多以来，历经多次暴雨，边坡防护均保持完好，达到加固效果。考试大论坛
（2）该技术工序繁多，技术性强，且对锚固段及张拉端的安全度要求较高，施工过程中应引起足够的重视。施工中应特别注意控制钻孔孔轴线倾角及孔轴线方位的误差，以保证锚索的张拉质量。对破碎层较严重孔位采用先注浆凝固破碎层再钻孔的方法能有效解决塌孔问题。采用超张拉与补偿张拉的方法可减少预应力的损失，保证锚固时的有效预应力。
（3）应用预应力锚索加固高边坡，有受力条件好，设计位置灵活和施工速度快等优点，并能根据边坡开挖情况动态调整预应力锚索设计参数，既有效保证了岩体的稳定性，又给施工及行车创造了安全条件。该条高速公路应用高边坡动态设计原则，对近30处高边坡采用了预应力锚索进行加固，避免了边坡施工中及工后的安全隐患，取得了良好效果