路堑边坡玄武岩纤维筋锚杆支护的应用

刘毅

摘 要：针对路堑边坡垮塌造成实体工程病害的情况，依托实体工程，结合现场实际情况，对路堑边坡玄武岩纤维筋锚杆支护应用进行了对比分析，分析了BFRP锚杆对路堑边坡治处效果及施工过程中的应对措施，对后续BFRP锚杆在工程中的应用提供了参考。

关键词：路堑边坡；BFRP锚杆；施工

中图分类号：U417.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）21-0163-04

Abstract： In view of the physical engineering diseases caused by the collapse of the cutting slope， this paper makes a comparative analysis on the application of basalt fiber reinforced bolt support on the cutting slope based on the physical engineering and the actual situation in the field. The effect of BFRP bolt on cutting slope treatment and the corresponding measures in the process of construction are analyzed， which provides a reference for the application of BFRP bolt in engineering.

Keywords： cutting slope； BFRP bolt； construction

1 概述

路堑边坡锚杆材料一般采用精轧螺纹钢，在工程实践中人们发现，由于边坡工程的地质条件复杂，地下水丰富，且地下水中含有对金属具有较强腐蚀性化学物质，往往会使锚杆材料遭受腐蚀而导致破坏失效的情况普遍。目前工程中仍未从根本上解决锚杆的防腐技术问题。玄武岩纤维复合筋（BFRP）具有耐腐蚀、强度高、质量轻、与注浆体粘结性能较好等优点。利用BFRP筋材锚杆材料，可以有效解决边坡锚固工程的锚杆腐蚀问题，并能为结构的安全性和耐久性提供相应的保障。本文依托广东省梅大高速公路梅州东环支线K13+785-K14+060段路堑边坡实体工程，结合现场施工情况，对BFRP锚杆在路堑边坡中的应用进行了理论分析，并在施工过程中采取有效措施以杜绝后续病害。

2 工程概况

广东省梅大高速公路梅州东环支线K13+785-K14+060段右侧路堑边坡，原设计为6级边坡，长275m，最大坡高69m，路线走向274°，边坡倾向184°。边坡开挖至二级坡脚时（四～六级边坡防护已施工，三级边坡防护未施工），边坡开挖后一～三级边坡中部为强风化、中风化夹强风化变质碎裂岩，现端为半岩半土状强风化砂岩。经现场踏堪，大里程段第三级边面出现裂缝。本项目依据“新技术”、“新材料”、“新设备”、“新工艺”的“四新”管理要求，经相关人员研究、讨论，拟在该边坡的设计变更加固方案中采用BFRP锚杆。

2.1 地层岩性

边坡主要由第四系坡残积粉质粘土、碎石、前泥盆系上统砂岩、碎裂岩及其风化层组成。

2.2 地质构造

断层F11于本段坡体山脊处切过，两盘挤压造成边坡岩体风化强烈，岩体破碎，小型褶皱现象发育。

2.3 设计方案

边坡加固设计措施如下：

一级：坡面采用格构梁+8.5m锚杆（间距3m，采用新型玄武岩纤维复合筋材）+8cm客土喷播防护；二级：K13+870-K13+960段坡面采用格构梁+11.5m锚杆（间距3m，采用新型玄武岩纤维复合筋材）+6cm，其余段落采用锚索格梁防护，客土喷播防护；三级：全坡面采用格构梁+11.5m锚杆（间距3m，采用新型玄武岩纤维复合筋材）， 6cm 客土喷播防护。每级边坡在适当位置设置检查踏步兼急流槽。

每级边坡平台设置平台截水沟，平台截水沟采用C20砼预制块砌筑，各级平台采用10cm厚C20现浇砼硬化。 平台截水沟连通路堑顶截水沟。各级边坡平台低高程端设引流槽连通平台截水沟与堑顶截水沟，排除坡面汇水，引流槽形式与平台截水沟一致。

2.4 加固防护结构设计

锚杆钻孔直径130mm，锚杆采用φ16mm的玄武岩纤维复合筋。锚杆长11.5m，设计抗拔力为100kN，采用一次注浆，灌注强度为M30的水泥砂浆，注浆压力不小于0.6MPa。

锚杆格梁截面尺寸0.3×0.3m，采用C25砼浇筑，每片锚杆的横梁长为6m，施工时横梁间设置沉降缝。

3 BFRP锚杆在工程中的应用

3.1 新型玄武岩纤维复合筋锚杆特性

玄武岩纤维复合筋（Basalt Fiber Reinforced Plastics简称 BFRP）是采用玄武岩纤维作为普通钢材的增强材料，在基体材料合成树脂中掺入适量的辅助剂，通过拉挤后，进行表面处治而形成的一种新型非金属复合材料。通过加工后的玄武岩纤维复合筋性能比普通钢筋均能有所提高，其具有轻质、高强和耐候等优异的物理化学性能。试验证明，玄武岩纤维复合筋与混凝土的热膨胀系数接近，能保证筋材与混凝土的变形趁于同步；且该材料可纵向连续通长生产，用于配筋的相关混凝土构件可根据其现场长度进行连续配置，减少了钢筋配筋焊接工序，提高了工程施工进度及工效。采用玄武岩纖维复合筋作为路堑边坡的锚固材料，可以有效解决岩土锚固工程中的钢筋腐蚀问题，能更有效的保证路堑边坡的安全性和耐久性。

3.2 BFRP锚杆施工工艺

3.2.1 施工准备

（1）技术准备

a.结合工程地质勘察报告对工程周边环境进行调查；

b.图纸复核；

c.各项方案的申报、审批；主要有排水、降水方案；施工方案；施工组织设计等；

d.监测检测方案的确定及相关准备工作；

e.测量放样确定边坡开挖线、观测点布设，并作好相应的保护措施。

（2）主要施工机械设备

a.钻孔机具

根据边坡岩质特点和作业条件选择成孔设备，本项目采用螺旋钻机，在易塌孔的土体钻孔时宜采用套管成孔。空压机具有风量9m3/min以上、压力大于0.5MPa的功率。

b.孔道压浆机具

灌浆机具有注浆泵和灰浆搅拌机，注浆泵的规格、压力和输浆量须满足要求。

c.张拉设备

张拉设备采用成套YC-60型机具（含穿心式千斤顶，油泵、油压表等，）千斤顶在使用前须送当地计量所进行标定。

3.2.2 材料及质量要点

（1）材料的关键要求

a.锚杆：用作锚杆的BFRP筋材必须符合设计文件的相关要求，并附有出厂合格证明材料，使用前须经检验合格。

b.孔道压浆浆体：水泥为强度等级42.5的普通硅酸盐水泥；砂为粒径小于2mm的细砂；水为普通的饮用水；添加剂为高性能减水剂。

（2）关键技术要求

a.孔道压浆是锚杆施工中的关键工序，必须规范进行。压浆浆体强度等级不宜低于M20；水灰比为0.4～0.5左右，如有早强要求，可根据水泥用量掺入3～5%的早强剂；水泥浆体塑性流动时间应在22s以下，浆体工作性能应可保持30～60min；整个压浆过程应在5min内完成。

b.压浆的压力不得低于0.2MPa，亦不大于2MPa；宜采用封闭式反压及二次压浆，能有效提高锚杆的抗拔力（20%左右）。

c.锚杆设计及构造应符合下列要求：锚杆的锚固体应设置在地层稳定区域内，上覆土层厚度不宜小于4.0m；锚杆倾角宜设置在15°～25°间，且不应大于45°；锚杆的自由段长度不宜小于5m并应超过潜在滑裂面1.5m；锚杆锚固段长度不宜小于4m；锚杆水平间距不宜小于1.5m，上、下排垂直间距不宜小于2.0m；锚杆沿杆身每隔1.0～1.5m宜设置一个定位支架；由于BFRP筋材锚杆不同于普通钢筋锚杆，所以定位支架的制作不能采用传统的焊接工艺，而是使用绑扎工艺，一般采用 5mm铁丝绕制 70mm铁丝圈，也可采用市场上适合的对中器；锚杆锚固体宜采用水泥砂浆，其强度等级不宜低于M20。

图1 丝绕式对中器

（3）关键质量要求

a.根据设计、规范、标准要求认真编制施工方案，选择合适的钻孔机具和施工方法，合理组织，确保锚杆施工质量。

b.钻孔时，应根据地质情况各相应机具掌握钻进参数，合理控制钻进速度，以消除埋钻、卡钻、塌孔、缩颈和涌砂等各种通病，一旦发生相关的孔内事故，应及时进行处理。钻孔完成，拔出钻杆后须及时安装锚杆，并立即对孔道进行压浆处理。

c.锚杆应按设计要求组装，规范安插，确保锚杆的安装质量。

d.锚杆孔道压浆的浆体应严格控制，确保搅拌均匀；压浆前应对压浆设备和管道进行调试，确保压浆机具的工作状态良好。

e.所有施工工序应连续，确保边坡支护完成的时效性。

f.预应力锚具应根据锚杆类型选用，施加预应力前应规范安装台座和张拉设备，保证张拉数据准确、可靠。

3.2.3 施工工艺

（1）工艺流程图

BFRP锚杆施工工艺流程：边坡开挖、修整→锚杆孔位放线→钻机就位→接钻杆→孔位校正、角度调整→钻孔（钻进过程中接钻杆）→钻至设计深度→孔道冲洗→锚杆安装→压浆→养护→裸露BFRP筋材除油除尘→专用BFRP锚具安装（静置24小时固化）→上预应力锚件→锚具锁定→张拉（仅限于预应力锚杆）→锁定锚具。

（2）工艺要求

a.边坡开挖

边坡应按设计要求分层、分段开挖，做到开挖一级，防护一级，未完成上一级边坡防护前，不得进行下一级边坡的开挖。

边坡开挖前应在四周支护范围内预做修整，完善边坡截水沟，防止地表水向下渗透，及时排除地表水。

b.钻孔与锚杆制作

钻孔位置要确保准确（纵、横向点位及间距，孔道倾角角度），确保线型横平竖直。钻孔孔深应比设计深10～20cm，防止孔深不够的现象。

BFRP筋材使用前应检查锚杆有无油污、缺裂等情况，将不符合要求的筋材剔除。锚杆制作应设置专人，所有锚杆必须为通长的单根，不得接长。须在锚杆杆上每隔1.5m设置一个定位器，确保锚杆安装后置于钻孔中心位置。钻孔完成后应立即安装锚杆、并及时完成孔道压浆，以防塌孔。为保证锚杆的非锚固段可以自由伸长，可在非锚固段涂以润滑油脂或在锚固段和非锚固段之间设置堵浆器，以保证在非锚固段的自由变形。

c.压浆

压浆前，应检查注浆管有无破裂和堵塞，并用水引路、润湿输浆管道；管道接口处要牢固，防止压浆过程中压力加大时接口处松脱或爆管而引起跑浆。注浆管应随锚杆通长安装，同时插入孔道内，对干成孔压浆前应封闭孔口，通过浆体自重压力进行反压，确保压浆饱满度；湿成孔时在灌浆过程中以看见孔口出浆为准，及时在封闭孔口。压浆完成后要及时清洗压浆设备及管道。压浆后的自然养护期不得少于7d，待强度达到设计强度的70%后，方可进行锚杆张拉作业。在灌浆体硬化之前，应避免锚杆承受外力或由外力引起的锚杆移动。

4 锚杆监测与检测结果

4.1 监测情况及结果

本项目路堑边坡由项目业主委托的广东省航运规划设计院有限公司进行监控量测，监测单位主要对锚杆支护的支护位移、沉降的测量及地表开裂状态（位置、裂宽）的观察。在施工阶段，按每天不少于2次进行监测；施工完成后，變形趋于稳定的情况下每天一次。观测点的设置：观测点在变形量最大或局部条件最为不利的地段按间距不大于30m布设，其余部位按50m间距布设。观测仪器采用精密水准仪和经纬仪。雨天和雨后针对边坡进行了加密监测。

梅大高速梅州东环支线项目K13+785-K14+060段右侧路堑边坡BFRP筋材锚杆试验区现场施工完成于2018年12月20日，至2019年5月底，共进行了5个月的监测。通过第3方监测单位的监测报告显示坡脚地面变形最大约1.2～2.2mm；坡顶变形最大约5.0mm左右。坡顶变形比坡脚变形大3mm左右，对应于筋材受力，雨季之后，边坡产生了一定的变形，筋材受力也有明显的增加，边坡变形与支护系统受力是吻合的。表明采用BFRP锚杆与普通钢筋锚杆对边坡的支护效果类似。

4.2 锚杆拉拔试验检测结果

锚杆施工完成后，由中交第二公路勘察设计研究院有限公司试验检测中心梅大高速公路梅州东环支线中心试验室进行拉拔试验检测，经检测5组数据，拉拔力为均能大于125kN，检测合格。

5 新型BFRP锚杆与传统锚杆经济性对比

按等强度设计原则，若采用钢筋锚杆，需要采用？准32 HRB400钢筋。

？准32 HRB400钢筋锚杆施工综合单价：181.03元/m；其中钢筋锚杆材料制作及安装费约6.07元/kg，即38.32元/m，折算单根锚杆材料制作及安装费：38.32×11.5=440.68元。

采用BFRP筋材锚杆，主要是锚杆制作方式与钢筋锚杆不同，其它钻孔、注浆等与钢筋锚杆施工完全相同。因此，主要經济性区别主要体现在锚杆制作上。分两种情况：

（1）对于需要施加预应力或拉拔检测锚杆或格构梁载面尺寸小于30cm×30cm时，需要采用专用锚具。？准16mm BFRP筋材材料价格15.68元/m；锚具套管材料及加工费50元/根；植筋胶180元/支×0.2（支）=36元；锚杆制作安装费60元/根，折算单根锚杆材料制作及安装费：15.68×12+50+36+60=334.16元。

综合单价节约成本：（440.68-334.16）/（181.03×11.5）=5.12%。

（2）对于不施加预应力且格构梁载面尺寸不低于30cm×30cm时，可直接将锚杆与格构梁钢筋绑扎（不能弯折），浇筑混凝土粘结锚杆，不需要单独的锚具。？准16mm BFRP筋材料价格：15.68元/m；锚杆制作安装费40元/根，折算单根锚杆材料制作及安装费：15.68×12+40=228.16元。

综合单价节约成本：（440.68-228.16）/（181.03×11.5）=10.2%。

采用BFRP筋材锚杆支护边坡，一方面可节约材料经济成本，另一方面，由于BFRP筋材不会锈蚀腐蚀，不存在腐锈蚀失效问题，不产生后期维护费用，间接经济效益和社会效益明显。

6 结论

梅大高速梅州东环支线项目K13+785-K14+060段右侧路堑边坡BFRP筋材锚杆的使用与其他段落路堑边坡的普照通钢筋锚杆的使用情况，研究BFRP锚杆和钢筋锚杆加固边坡的受力机制和替代效果发现：

（1）采用BFRP筋制作锚杆，无需焊接，但在锚固头处需加设40cm长的特制钢管锚具，采用高强度植筋胶粘结筋材。锚具焊接？准8mm短钢筋与坡面挂面筋材绑扎。

（2）对比表明，采用直径为14mm的筋材支护路堑边坡，其效果与采用直径为32mm的钢筋锚杆支护边坡相当。

（3）钢筋锚杆和BFRP筋材锚杆监测受力表明，两种锚杆受力类似，因此设计安全合理。

（4）锚杆目前受力低于它的设计强度，边坡变形微小，边坡处于稳定状态。所使用的BFRP杆体，能替代钢筋支护边坡，施工方便，支护效果好，节约工程造价。

参考文献：

[1]广东省交通规划设计研究院股份有限公司.梅大高速公路梅州东环支线项目K13+785～K14+060路堑右侧边坡变更设计图[Z].

[2]李国维，邱利锐，马晓辉，等.GFRP筋锚杆框架梁加固公路边坡应用实验[M].中国水利水电出版社，2007：446-452.

[3]郭成鹏，林学军，李涛，等.玄武岩纤维筋用作锚杆的适宜性研究[J].洛阳理工学院学报（自然科学版），2012，22（4）：24-27.

[4]马萍.土层锚杆锚固机理试验研究[D].湖北：长江大学，2012：41.