浅谈高速铁路高边坡预应力锚索施工技术

刘松涛 周亮

【摘要】本文结合新建湘桂铁路扩改工程某处路基高边坡的不良地质情况，介绍压力分散型预应力锚索加固边坡的机理、施工工艺及其注意事项。

【关键词】预应力锚索；施工技术

1.工程概况

湘桂铁路扩改工程某段路堑边坡设计挖方高度约24～34m，边坡地质为泥岩、泥质砂岩全、强风化层（W4+W3）。边坡开挖后，坡体破碎，节理裂隙发育，坡体表现为全风化泥岩、泥质砂岩，在泥岩、泥质砂岩全、强风化层间有明显的薄弱面，边坡自稳能力差。受降雨影响，边坡有整体滑塌迹象。设计采用压力分散型预应力锚索，通过预应力施加和高压注浆对边坡进行加固。

2.压力分散型预应力锚索加固方案

2.1压力分散型预应力锚索作用原理

压力分散型锚索加固边坡是通过对无粘结钢绞线施加预应力并将压应力传递给加固体及设置于不同深度部位的数个承载体上将破碎松散岩体锚固在地层深部稳固的岩体上，从而达到加固边坡的目的。如图1所示，通过对阴影部分坡体施加预应力锚索，增大坡体对滑移面的正压力，增大了抗滑力F，把坡体锚固于潜在滑移面下稳定的岩层中，保持坡面状态深入坡体内部进行大范围加固。锚索孔的高压注浆，使破碎的岩体连成整体，增强了坡体的整体稳定性。

图1 路堑高边坡断面分析图

2.2边坡加固方案

路堑边坡采用锚索框架梁内灌草护坡防护。框架梁采用C30钢筋混凝土现场立模浇注，框架梁必须嵌入坡面。锚索采用压力分散型，一孔4束，设计总张拉力600kN。锚索钻孔采用φ115mm钻孔，与水平面下倾角18°，每孔锚索设计锚固段长10m，分为两个单元，每单元长5m，自由段长度详见表1，锚索均采用φ15.2mm高强度、低松弛无粘结钢绞线制作，其抗拉强度不得低于1860MPa，全孔范围内采用M35水泥净浆或砂浆灌注，水泥净浆或砂浆添加抗侵蚀性添加剂，采用孔底注浆法，注浆压力0.6～0.8 Mpa，锚头采用C35混凝土封闭。

2.3锚索的杆体结构

锚索由无粘接钢铰线、导向尖锥、隔离环、承载体、锚垫板及锚具等部件组成（如图2），根据其受力状态可分3段：

锚固段：其作用是依靠浆体与周围岩土之间的摩阻力来提供锚固力；

自由段：主要起传力作用，长度与破碎岩层或滑体厚度有关；

张拉段：指锚头以外部分，为锚索张拉锁定施加预应力而预留的，张拉锁定后割断钢铰线。

图2 锚索杆体结构图

3.施工机具

风动潜孔锤冲击钻机2台、12m3 空压机1臺、气腿凿岩机2台、9m3空压机1台、UB3C型灰浆泵1台、YCN25-200穿心式千斤顶2台、OVM15型锚具327套、张拉设备各2套。

4.施工工艺

预应力锚固是一项工序复杂、制约因素较多、难以补救的隐蔽工程。每道工序的质量好坏都将直接影响最终的锚固效果，因此就有必要建立健全质量保证体系，使得每一工序施工均在受控状态下。压力分散型预应力锚索施工工艺流程图3。

图3 预应力锚索施工工艺流程图

4.1坡面修整

锚索施工前，首先用人工及时按照从上而下分层修坡即开挖一级，防护一级。开挖至锚索框梁边坡时，每层开挖高度为锚索框架梁上下横梁间距大小，严格控制超挖，直至开挖至下级平台，然后再开挖框架梁基础并施作锚索。完成每层坡面开挖后，若为土质边坡，及时用彩条布覆盖，防止雨水冲刷边坡。

4.2钻孔

对于预应力锚索加固工程的放线，按设计桩号定出孔口位置。按设计孔口位置在脚手架上安装专用机座，将钻机安放在机座上，用方向架放出锚索方向角，以测角仪调整倾角达设计要求（设计要求孔倾斜误差不大于2°），将钻机与机座及脚手架固定好，复核孔口位置、方位和倾角，确认无误后，安上冲击器和钻头，接上风管，进行钻孔，钻孔过程中应超钻1.0m为宜。锚孔钻进采用无水干钻，以确保锚固工程施工不至于恶化边坡岩土工程地质条件和保证孔壁的粘结性能。土质边坡采用跟管钻进技术，以使钻孔完整不坍。钻孔速度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，造成下锚困难或其它意外事故。

钻孔结束后，取下钻杆及钻具，冲洗干净，摆放整齐以备继续使用。另用一根聚乙烯管复核孔深。并以高压风吹孔，待孔内粉尘吹净后，拔出聚乙稀管，以织物塞好孔口备用。

钻孔过程中应注意的事项：

1）钻锚索孔不取岩蕊，钻进过程中禁止水冲，以确保锚索施工不致于使边坡岩体工程地质条件恶化。

2）锚孔下倾角（与水平面夹角）为18°，钻孔允许误差±2°，为确保锚孔深度，钻孔深度要求大于设计孔深0.5m。

3）钻进过程中应对每一孔地层变化（岩粉情况）、钻进情况（钻压、钻速）、地下水情况，以及某些特殊情况等，进行记录，若遇坍孔，应立即停钻进行固壁灌浆处理（灌浆压力0.1～0.2Mpa），待水泥砂浆初凝后重新扫孔钻进。

4）钻进完成之后必须使用高压空气（风压0.2～0.4Mpa）将孔中岩粉及水全部清理干净，以免降低水泥净浆与孔壁岩体的粘结强度。

5）锚孔完成后须经检查方可进行下一道工序的施工。

6）钻孔中特殊情况的处理：

a渗水的处理

在钻孔过程中，或钻孔结束后吹孔时，如吹出的不是粉尘，而是一些小石粒或黄色泥团甚至泥浆，这说明孔内渗水，岩粉大多贴于孔壁，需要根据渗水量的大小进行不同的处理。

当渗水量不大时，钻机可以工作，钻至设计孔深，撤出钻杆，以0.6～0.8Mpa的高压水、气，将孔内残余岩粉或泥浆吹出，直至吹出净水为止。

当孔内渗水量较大时，则需进行固壁防渗注浆处理，具体方法是：先洗孔（方法同前），然后灌浆，浆液为水泥砂浆和水玻璃的混合液，灌浆采用从内至外分段灌注（孔浅可一次灌注），一般锚固段做一次灌注，张拉段根据孔内吸浆量可分2～3段进行。注浆压力根据钻孔深度与岩石完整情况而定，一般为0.3～0.4Mpa，在可能的条件下可适当加大压力以提高灌浆质量。待灌入的水泥浆达到一定强度后，重新钻孔至设计标准。

b坍孔处理

当钻孔穿过强风化岩或岩体破碎带时，往往会出现坍孔。坍孔的主要特征是：从孔内吹出的岩粉中夹杂一些原状（非钻头击碎的、非新鲜的、无光泽的）石块，这时，不管钻进深度如何，都要果断地立即停止钻进，拔出钻具，进行固壁灌浆。灌浆的方法同防渗处理。

4.3锚索制安

4.3.1锚索制作

锚索的设计长度是从钻孔的孔口算起的，钢铰线的总长应为锚索的设计长度（钻孔的实际长度）、框架梁厚度、千斤顶长度、工具锚和工作锚的厚度以及张拉操作预留量的总长。一般情况下，钢绞线的截余量取50cm，考虑到下料的有截长误差，且锚索越长误差越大，故采取的截余量为100cm。

压力分散型锚索钢绞线采用厂家生产的无粘结型的钢铰线，钢绞线截取以前，首先进行调直，要确保每一根钢铰线始终顺直，不扭不叉。钢铰线的截断采用无齿锯，不得使用电焊或气焊割，以免对钢铰线造成损伤。截好的钢铰线平顺地放好，并进行严格的质量检查，剔除不合格的，对合格的进行登记、挂牌、标记锚索编号（与钻孔编号对应）。

量出锚索的设计长度和锚固段二个单元的长度，分别做出标记，在每单元的起点位置安装钢质承载体及挤压套，且锚索的端部安放导向尖锥，下锚时能够顺利入孔。为保证锚索在整个制作及下锚过程中不变形，在锚固段每隔1.0m设置一个扩张环，在自由段每隔3.0m设置一个扩张环，钢绞线不得相互缠绕并保证承载体位于钻孔中部。每隔2m设置一个笼形对中环（长度为30cm），锚索用铁丝绑扎于笼形对中环的两个环上，装入PVC管用于孔道压浆，在坡面孔口位置锚索要求增加笼形对中支架，保证外露部分锚索杆体不变形。

4.3.2锚索运输

本工点的锚索编制是在工地上进行的，且由4根钢铰线组成，全部由人工抬至工作台上。当离工地较远或组成锚索的钢铰线数量较多时，可以盘成直径1.5～2.0m的圆盘，以便于吊装和运输。

4.3.3锚索安装

在向钻孔中安放锚索之前，要认真核对锚索的编号是否与钻孔编号一致，确认无误后，再以高压风清孔一次，即可着手安放锚索。对于下倾锚索安装较易，由人工缓缓地将锚索插至孔底即可，送索入孔时，要注意使锚索顺直，用力均匀，不要左右摆动。注浆管与锚索同时安放，从笼形对中支架的中心钢管内穿过，管口距离孔底30～50cm。

4.4注浆

下锚后为避免锚孔内沉积物影响灌浆质量应立即注浆。注浆采用普通硅酸盐水泥。水泥砂浆配合比为1：0.5～1：1（重量比），水灰比为0.45～0.5，水泥砂浆7d强度不低于20Mpa，28d强度不得低于30Mpa。水泥砂浆应拌和均匀，随拌随用，一次拌和的水泥砂浆应在初凝前用完。第一次注浆采用孔底返浆法注浆（注浆管不拔出）。注浆压力为0.5～0.6Mpa；當孔口出现溢浆且持续时间不低于 1 分钟后，方可停止注浆。第二次注浆；当遇地层岩体较差（岩体节理、裂隙发育、破碎，构造破碎带）、软弱岩层或土层时，为提高地层锚固力，需进行第二次注浆，第二次是高压劈裂注浆，待第一次完成4～5h 后进行，注浆压力不小于1.5～2.0Mpa 如需二次注浆的必须另外设置一根外缠胶带的多孔注浆管。

4.5锚索框架

框架为C30级钢筋混凝土结构，是一个完全受压构件，它把锚具的集中荷载均匀地传递到岩面。因孔口岩面与锚索轴线不垂直，故框架有调整岩面受力方向的作用。框架必须连同斜托、锚垫板及注浆管一起现场浇注。

4.5.1测量放线：根据设计将各条框架在道路方向的点位放出，拉线放样。

4.5.2刻槽及找平：坡面开挖完成后，坡面整体会有不平整现象，为减少坡面不平整对框架的影响，采用人工刻槽大致找平，并在刻槽面用2～5cm砂浆进行调平，遇局部架空采用M10浆砌片石嵌补。

4.5.3钢筋制作及安装：钢筋先除锈、调直，然后按大样图下料，加工成型，主筋搭接长度为30d，各项误差均应在规范允许的范围之内。纵横梁交叉处让横梁顶部钢筋从纵梁顶部钢筋下部通过，而其底部钢筋则从纵梁底部钢筋上面通过，钢筋不得断开。

4.5.4模板制作及安装：因坡率较陡，支护存在困难，在侧模边打入钢筋头并用方木条和木楔支护以确保侧面不跑模，顶模支护着力点则放在施工搭设的钢管架上，使模板支撑稳固。

4.5.5 C30砼浇注：先将模内浮渣余土清除干净，在伸缩缝处预埋2cm厚泡沫隔板，按锚索倾角要求预埋PVC管，浇注砼时从基础沿纵梁逐步浇注，一片框架砼一次性浇注完毕，尽量不留置施工缝，浇注完成后及时洒水养护。对于框架竖肋部分的采用临时模板，随混凝土的浇注高度进行增加模板，该模板要砼终凝前及时拆下，竖肋部分砼应抹平压光。砼浇注过程中，严格按配合比控制好坍落度，坍落度大，竖肋部分模板不能及时拆下，影响压光；坍落度小，影响砼的振捣密实。

4.6锚索张拉

锚索张拉前，需对张拉设备进行标定。标定时，将静探数显仪、传感器、油管和高压油泵连好，高压油泵启动增压，反复试验3次，取平均值，绘出传感器仪表读数（相应荷载吨位KN）和油泵仪表读数（MPa）曲线，作为锚索张拉时荷载控制的依据。

4.6.1试验孔张拉

在锚索施工中，为确保高边坡采用预应力锚索加固的经济合理性、安全可靠度，及验证锚索杆体施加应力的准确性，用以确定岩土体力学参数，在预应力锚索施工前应进行拉拔破坏试验。每处边坡选三个试验孔，锚孔长度采用26m、32m和35m，孔径φ115mm，与水平面下倾角18°，试验孔的张拉力采用所在坡面锚索的张拉力。锚固段长度为10m，自由段不注浆，锚固段如遇土质或砂土状强风化岩应采用二次高压劈裂法注浆。试验孔下锚时在自由段和锚固段相连处安装止浆带，使锚固段全长注浆，自由段不注浆，以防止锚索全长注浆后对试验结果造成人为偏差，保证试验结果正确性。

由于压力分散型锚索各单元锚索长度不等，张拉时，同时施加张拉力，会使各组锚索产生不同的拉力，进而达到的破坏荷载仅是各组锚索分别破环的荷载，达不到试验的效果。根据有关规范，采用将各组锚索分布先后张拉，统一达到所有锚索极限破环荷载的80%时，使各组锚索拉力相等，具体步骤如下：

⑴先将所有锚索一超拉至15% A×fpuk，将钢绞线拉直，然后松开；

⑵将第一单元拉至分步荷载的对应荷载△L×P/（2×L）（第一张拉组张拉单元的差异荷载），然后再与第二单元一起拉至第二单元对应荷载[2/L+1/（L-△L）]×P×△L/2（第二张拉组张拉单元的差异荷载）；

图4 锚索差异荷载计算示意图

其中，L为孔深，△L为各单元锚索长度差，P为锚索极限破环荷载A×fpuk的80%。

通过试验数据分析，坡体的预应力锚固效果比较好，安全系数符合规范要求。

4.6.2锚索张拉

锚索施工第一批锚索时，首先选取2孔锚索进行张拉试验，要求单孔4束张拉力不小于600kN，试验结束后，锚索按设计预应力重新进行张拉、锁定。锚具采用OVM15型锚具。锚具底座顶面（斜托面）与钻孔轴线应垂直，确保锚索张拉时千斤顶出力与锚索在同一轴线上。

孔内砂浆达到设计强度的80%后，方可进行锚索张拉。张拉时为使钢绞线受力均匀，在锚索正式张拉前，取10%～20% 的设计张拉荷载，对錨索张拉1～2 次，使其各部位接触紧密，钢绞线完全平直。压力分散型预应力锚索，因各单元锚索长度不同，对锚索进行整体张拉前需先补偿张拉单元的差异荷载。先张拉长的一组（2根）钢绞线（差异荷载具体值见表1），再分五级即设计荷载的0.3、0.5、0.75、1.0、1.1倍对所有钢绞线进行逐级张拉，每级荷载施加后，稳定观测时间不小于10min。如果10min的相对位移量小于0.1mm 为稳定，否则继续观测，直至小于0.1mm为止，记录拉力和锚头位移值，按设计要求进行锁定。

张拉过程中，应按设计荷载进行编制张拉作业指导书，设计张拉力与锚索长度的变化都将会引起补偿荷载的差异性。张拉油表读数及钢绞线伸长量应作详细记录，用荷载和钢铰线伸长量进行双控，保证锁定荷载的准确性。

4.7封口注浆

张拉结束后，立即注入不小于M40级的水泥净浆封口，注浆管从预留孔插入直至管口达到锚固段顶面约50cm。注浆至孔满溢出，拉出注浆管，边拉边注浆，以防形成空隙，孔中的空气经外锚墩预留气孔中排出。

4.8 外部保护

注浆封口后，从锚具量起，留30mm钢铰线，其余部分截去，在其外部覆盖厚度不小于50mm的与锚梁同标号的砼封头，以防锈蚀破坏。为保证框架的整体美观性，封头应采用相同的模具进行封头。

4.9 锚索施工注意事项

锚索施工前应选择相同的地层进行极限拉拔试验，试验孔数不少于3孔，以验证锚固段的设计指标，确定施工工艺及参数。试验锚索长同设计长度，四束锚索单孔验证拉力值800kN。

锚索安置前，要确保每束钢绞线顺直，不扭不叉，排列均匀，对有死弯、机械损伤处应剔除。

注浆管应具有足够的内径，能使浆体压至钻孔的底部。注浆管应能承受1.0MPa的压力。

锚索施工工程全部施工完毕后，应随机抽取锚索总数的5%（不少于3根）进行张拉检测，要求张拉力不小于设计规定大小，检测合格率达100%后，方可切割锚具外超长部分的钢绞线，对锚索进行封头处理。锚索张拉中应做好锚索伸长及受力记录，核实伸长与受力是否相符，作好观测直到交验为止。

5.结束语

该边坡于施工完毕后，经过观测，各项指标符合要求，边坡稳定性良好。目前该技术已得到广泛应用。预应力锚索由于能充分地调动和提高岩土体的自稳能力和自身强度，大大减小结构物体体积和减轻结构物自重，显著节约工程材料，并有利于施工安全优点，已成为提高岩土稳定性和解决复杂的岩土工程问题最经济最有效的方法之一。

参考文献

[1]黎 明， 预应力锚索施工及其质量控制郑[J]，水力发电，2003，29（8）：44-46。

[2]曹兴松、周德培，软岩高边坡预应力框架梁的一种新型设计方法[A].公路交通科技，2004（8）：25-28。

[3]杨志庆、虞黎均、诸葛盛世，预应力锚索+框架梁结构在边坡防治中的应用[B].探矿工程（岩土钻掘工程）2005（2）：37-39

[4]史彦文，锚索框架梁和抗滑桩联合支护在路基高边坡滑坡处理中的应用[B].公路，2004（2）：89-91