预应力锚索加固高边坡施工技术

洪云峰

摘 要:预应力锚固技术以其技术先进、经济合理、安全适用等优点,在世界各国得到了越来越广泛的应用。结合牛毛坞镇项目工程实例,详细介绍锚索的施工方法和施工工艺。

关键词:边坡加固；预应力锚索；施工

Abstract: The prestressed anchorage technology with its advanced technology, reasonable economy, safety and other advantages, has been used more and more widely in the world. Combined with the engineering example the town dock project, introduces the construction methods and construction technology of anchor cable.

Key words: slope reinforcement; prestressed anchor cable; construction

中图分类号：U415.6文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）05-0020-02

1、工程概况

丹东到通化高速公路K81+670~K81+830段右侧边坡最高为3级，每级垂直高度为8m，各级边坡坡率为：第1级为1：0.5，第2级为1：0.75，第3级为1：1.0。

该段边坡表层为坡残积粘性土,厚度约3~5m，其下为强风化呈砂土状及碎块状砂岩，节理发育，岩体破碎，且发育有微层理。

为确保边坡的稳定,在第1级K81+670~K81+830段设置路堑挡土板，在第2、3级设置锚索框架加固坡体，锚索地梁框架单片长8m，每片框架设置3孔预应力锚索。第2级边坡坡面K81+695~K81+807段锚索框架上排锚索长度为24m，下排锚索长度为23m，锚固段长均为10m，单孔设计拉力700kN；第3级边坡坡面K81+718~K81+786段锚索框架上排锚索长度27m，下排锚索长度26m，锚固段长均为12m，单孔设计拉力700kN。

锚索地梁框架采用C25混凝土浇筑,竖肋基础先铺垫5cm厚砂浆进行基底调平,再进行钢筋制作安装,框架嵌入坡面25cm，露出坡面35cm，结构如图1所示。

锚索采用压力分散型锚索,由3个单元锚索组成,每个单元锚索分别由2根φ15.24、强度为1860MPa的高强度低松弛无粘结钢绞线内锚于钢质承载体组成（钢绞线通过特别的挤压簧和挤压套对称地锚固于钢质承载体上,其单根连接强度大于200kN）。结构如图2所示。

2、锚索施工工艺

2.1 工艺原理

边坡预应力锚索加固具有主动受力的作用，通过类似后张法的原理使边坡稳定。锚索通过设置于完整或稳定的地层中的锚固段提供锚拉力，通过自由段实现预加应力，在坡面设置顺坡的钢筋混凝土框架作为抑制体，通过锚夹具对锚索施加应力后锁定在框架上，从而将边坡表层不稳定层牢牢固定在其下稳定层上，增加边坡稳定能力。

2.2 工艺流程

锚索施工工艺为:锚孔测放、钻机就位→锚孔钻造→锚孔清理→锚孔检验→编锚→下锚→注浆、浇筑框架→第一次张拉→第二次张拉→锚孔封锚。

3 锚索施工

3.1 主要机具设备

锚索施工机具有MD50型锚杆钻机，9m3/min空压机，2SNS注浆机，ZB4500型电动油泵，YCW100型千斤顶，YCW150型千斤顶。

3.2 基本试验

试验目的在于验证设计采用的工程锚索的性能、施工工艺、设计质量、设计合理性、安全储备，锚索的抗拔拉承载能力，荷载变形，松弛和蠕变等问题，以及有关安装和施工过程中抗物理破坏的能力。如发现问题，便于及时采取变更和完善等应对措施。

(1)选取试验孔。在与工作锚索相同的地层中选取3个试验孔，锚索长度分别为20、20、22m，锚固段长度分别为4、6、8m，自由段长度分别为16、14、14m，并采用与工程锚索相同的施工工艺。

(2)拉拔试验。锚索最大试验荷载为锚筋强度标准值的0.8倍，即ΣA ×fptk ×0.8 =840kN。加荷等级与测读锚头位移应遵守下列规定:

①采用循环加荷，加荷量取A ×fptk 的1/10～1/15(A为锚筋截面积,fptk为钢绞线抗拉标准值)，由此确定初始荷载为105kN，加荷增量也为105kN。

②遵守锚索基本试验加荷等级与观测时间关系原则，经6个循环加载至最大试验荷载。

③在每级加荷等级观测时间内，测读锚头位移不应少于3次。

④每级加荷等级观测时间内，锚头位移量不大于1mm时，可施加一级荷载，否则延长观测时间，直至锚头位移增量2h小于2mm时，再施加下一级荷载。

(3)资料整理。绘制荷载弹性位移(Q Se )曲线，荷载塑性位移(Q Sp )曲线。

(4)试验结论。3根试验锚索实际总弹性位移分别为134、125、130mm。根据公式L 理= PL/ES 得最大试验荷载作用下理论伸长量分别为138、130、137mm。经比较,3根试验锚索所得的总弹性位移均超过自由段长度理论弹性伸长的80%，且不超过自由段理论弹性长，由此证明锚固段砂浆体与孔壁的摩擦力能满足设计预应力要求，挤压套与钢绞线的连接强度能满足设计预应力要求。

安全系数K0值由公式K0=RU/nE 确定。式中，RU为锚索极限承载力，取破坏力荷载的95%，NE 为设计承载力500kN。由于本次锚索均未破坏，RU大于试验最大荷载840kN，代入得K0=RU/NE >840/500=1.68。

3.3 工程锚索施工

(1)锚孔钻造

①锚孔测放:根据施工设计图要求，将锚孔位置准确测放在坡面上，孔位在坡面上纵横误差不得超过±50mm。

②钻机就位:锚孔钻进施工时，应搭设满足相应承载能力和稳固条件的脚手架，根据坡面测放孔位准确安装固定钻机，并严格进行机位调整，确保锚孔开钻就位纵横误差不得超过±50mm，高程误差不得超过±100mm，倾角允许误差不得超过±1°，方位允许误差不超过±2°。

③钻进方式:锚孔钻进采用无水干钻，禁止通水钻进，以确保锚固工程施工不致于恶化边坡岩土工程地质条件和保证孔壁的粘结性能。钻孔速度应根据使用钻机性能和锚固地层严格控制，防止钻孔扭曲和变径，造成下锚困难或其他意外事故。

④钻进过程:钻进过程中应对每个孔的地层变化，钻进状态(钻压、钻速)，地下水及一些特殊情况作好现场施工记录。如遇塌孔、缩孔等不良钻进现象时，应立即停钻，及时进行固壁灌浆处理(灌浆压力0.1～0.2MPa)，待水泥砂浆初凝后，重新扫孔钻进。

⑤孔径孔深:钻孔孔径、孔深要求不得小于设计值，施工中使用的钻头直径应大于设计孔径，钻孔深度应大于设计深度0.2m以上。

(2)锚孔清理钻进达到设计深度之后，不能立即停钻，应稳钻1～2min，防止孔底尖灭，达不到设计孔径。钻孔孔壁不得有沉渣及水体粘滞，必须清理干净，在钻孔完成后，使用高压空气(风压0.2 ～0.4MPa)将孔内岩粉及水体全部清除出孔外，以免降低水泥砂浆与孔壁岩土体的粘结强度。若遇锚孔中有承压水流出，待水压、水量变小后方可下安锚筋与注浆，必要时在周围适当部位设置排水孔处理。

(3)锚孔检验锚孔钻造结束后，需对孔径、孔深进行检查。一般采用设计孔径钻头和标准钻杆在现场监理旁站的条件下验孔。验孔过程中钻头应平顺推进，避免产生冲击或抖动，钻具验送长度满足设计锚孔深度，退钻要顺畅，用高压风吹验不存在明显飞溅尘渣及水体现象。同时，要复查锚孔孔位、倾角和方位，全部锚孔施工分项工作合格后，即可认为锚孔钻造检验合格。

(4)编锚

①锚索编束前,要确保每根钢绞线顺直，不扭不叉，排列均匀，严格按照设计尺寸下料，每股长度误差不大于±50mm。钢绞线要求采用机械切割。严禁采用电弧切割，并经除油和除锈处理合格，对有死弯、机械损伤及锈坑材料应剔除。钢绞线按设计要求平直编排，沿锚索体轴线方向自由段每1.5～2.0m设置一个隔离支架，锚固段每1.0～1.5m设置一个隔离支架，锚索编束(包括注浆管)应捆扎牢固，捆扎材料不宜用镀锌材料。锚索体自由段应用塑料管包裹，与锚固段相交处的塑料管管口应密封并用铅丝绑架。

②在锚索体完成隔离支架组装之后，应在锚索体底端接装导向帽，以便下锚顺利。导向帽尺寸应严格按设计要求制作，尺寸制作误差为±5mm，接装定位误差为±20mm。导向帽宜采用铁丝绑接牢固，不宜采用焊接。

③锚筋体防腐:锚筋体防腐与隔离一般采用先刷防锈油漆，然后涂脱水黄油，最后外套塑料套管处理。刷锈油漆要刷盖均匀，不见黑底,待油漆干洁后方可进行下道工序。涂脱水黄油要求完全覆盖和填充锚筋材料与外环层之间的空间。外套塑料管之内端,即自由段与锚固段分界处，应缠绕胶布进行固接和密塞处理，缠绕长度伸入两侧不得小于100mm，以防止注浆液进入。

④隔离支架:隔离支架应由钢质、塑料或其他对锚筋体无损害的材料制作，不得使用木质隔离支架。

⑤塑料套管：塑料套管的材质、规格和型号应满足设计要求,具有足够强度，保证其在加工和安装过程不致损坏。尽量避免剪断和接头，如有接头应绑接牢固并作密封处理,确保不产生拉脱和破损现象。塑料套管内径宜大于筋股外径5～10mm,确保穿套顺利、编束方便和防止张拉胀裂。塑料套管应具有抗水性和化学稳定性，与水泥砂浆和防腐剂接触无不良反应。

⑥注浆管：注浆管应满足设计要求，具有足够强度，保证在注浆施工过程中注浆顺利，不堵塞、爆管或破损拉断。一次注浆管捆扎在锚筋体中轴部位，注浆管头部距锚筋体末端宜为50～100mm。

⑦锚筋体长度：锚筋体长度应严格按照设计要求制作，锚固段长度制作允许误差为±50mm，自由段长度除满足设计要求外，应充分考虑张拉设备和施工工艺要求，一般预留超长1.0～1.5m。同时，要明确不同单元标记，压力分散型的锚索每孔有3组钢绞线，为了张拉时便于区别，每组都要用红、白、黑作为标记，并一律要采用机械切割下材。

(5)下锚

锚筋体入放锚孔前，应检查锚筋体制作质量，确保锚筋体满足设计要求，锚孔内及孔外周围杂物要求清除干净。锚筋体长度应与设计锚孔深度相符，锚筋体应无明显弯曲、扭转现象，锚筋防护介质无损伤，凡有损伤的必须修复。入孔安放锚筋体时，应防止锚筋体挤压、弯曲或扭转，锚筋体入孔倾角和方位应与锚孔的倾角和方位一致，要求平顺推送，严禁抖动、扭转和串动，防止中途散束和卡阻。锚筋体入孔长度应满足设计要求，锚筋体安装完成后，不得随意敲击，不得悬持重物。

(6)锚孔注浆

①注浆材料：采用灰砂比1∶1～1：2，水灰比0.38～0.45的水泥砂浆或水灰比0.4～0.5的纯水泥浆，必要时可以加入一定量的外加剂或掺加剂。

②注浆浆液：注浆浆液严格按照配合比搅拌均匀，随搅随用，浆液应在初凝前用完，并严防石块、杂物混入浆液。注浆浆体强度不应低于设计要求的40MPa，并按批次备制预制件。

③注浆结束:锚孔注浆作业采用孔底返浆方式注浆（一般注浆压力为2.0Mpa左右），直至锚孔口溢出浆液或排气管停止排气时，方可停止注浆。注浆过程中严禁抽拔注浆管或孔口注浆，如发现孔口回落应在30分钟内进行孔底压注补浆2~3次，确保孔口浆面充满。注浆结束后,应将注浆管、注浆枪和注浆套管清洗干净。

(7)施作锚索框架

锚索框架采用现场浇筑，并应满足下列要求。

①钢筋接头需错开,同一截面钢筋接头数不得超过钢筋总根数的1/2，且有焊接接头的截面之间距离不得小于1m。

②灌筑混凝土前，必须将锚具中的螺旋钢筋、波纹管和锚垫板按设计要求固定在地梁或立柱的钢筋上，方向与锚孔方向一致，摆放平整,再一起现场浇筑、振捣，尤其在锚孔周围，钢筋较密集，应仔细振捣，保证质量。

③锚索框架应分片施工，每片由2～3根立柱及其横梁、顶梁组成，两相邻框架接触处(横梁、顶梁)留2cm宽伸缩缝。

(8)锚筋张拉

①锚斜托台座的承压面应平整，并与锚筋的轴线方向垂直。

②锚具安装应与锚垫板和千斤顶密贴对中，千斤顶轴线与锚孔及锚筋体轴线在一条直线上，不得弯压或偏折锚头，确保承载均匀同轴，必要时用钢质垫片调整满足。

③锚固体与台座混凝土强度均达到设计强度的80%以上时，方可进行张拉。

④锚筋正式张拉之前，应取0.1～0.2倍设计张拉力值对锚筋进行1～2次预张拉，确保锚固体各部分接触密贴，锚筋体顺布平直。

⑤锚筋张拉控制应力不应超过其极限应力值的0.6倍。

⑥由于本工程采用的是压力分散型预应力锚索，因此张拉时应按一定的次序分单元采用差异分步张拉，即根据设计荷载和锚固单元长度计算确定差异荷载。首先分单元补足张拉各单元差异荷载,然后按张拉程序整体同步分级张拉。

⑦锚筋张拉采用超张拉,超张拉力值为设计拉力值的1.1～1.2倍。锚筋张拉力值分2次张拉作业施加，第一次张拉作业力值为设计张拉力值的一半，第二次张拉作业直至超张拉力值。每次张拉分为5～6级进行,除第一次张拉需要稳定30min外，其余每级持荷稳定时间为5min，并分别记录每级荷载对应锚筋体的伸长量。张拉时锚筋体受力要均匀，发现异常情况应分析原因，并及时处理解决。

(9)锚筋锁定

锚筋张拉至设定最大张拉荷载值后,应持荷稳定10～15min，然后卸荷进行锁定作业。锁定使用锚具和夹片应符合技术标准与质量要求。若发现有明显预应力损失，应及时进行补偿张拉。

(10)锚孔封锚

锚筋锁定后，须用机械切割余露锚筋，严禁电弧烧割，并应留长5～10cm外露锚筋，以防拽滑。最后用水泥净浆注满锚垫板及锚头各部分空隙，并用不低于20MPa的混凝土封闭，防止锈蚀和兼顾美观。

4 结束语

锚索加固施工完成后，在边坡上设置了观测点进行边坡稳定观测，通过一年来的观测检验，锚墩及边坡岩体未见变形，边坡稳定。实践证明通过采用预应力锚索框架结构，有效地对坡体施加了应力，对岩体裂隙进行了填充加固，极大地改善了岩体的结构状态，确保了边坡稳定。也说明了采用预应力锚索框架加固高边坡防护是成功可行的。因其与其他传统技术相比，具有土石方开挖量小、圬工量小、不受高度限制、结构形式轻巧等优点；并且该技术工艺简单、操作灵活、劳动强度低、安全性强，故是一种理想的高边坡加固形式。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。