复合锚索在公路高边坡工程中的应用

2000KN压力分散型锚索在高边坡加固工程中的应用姚卓英（中铁十一局集团第三工程有限公司湖北十堰442012）摘要本文通过2000KN压力分散型锚索在破碎体高边坡加固中的应用，介绍了其设计概况、施工工艺，以及边坡变形及锚索应力监测方面的应用，对施工中存在的问题进行了总结分析，为类似工程提供了参考经验。关键词边坡加固;压力分散型锚索;施工;监测压力分散型锚索，通过布置于内锚段的数个承载板从不同位置调动锚索锚固区的承载能力，逐步衰减至自由段，与拉力锚相比较可为岩层提供的锚固力可调性范围大，对岩层的应用范围进一步扩大。近年来，针对软弱破碎岩体，特别是承载力比较低的岩体加固方面，压力分散型锚索由于受力结构好有了较多的应用，取得了良好的加固效果。本文以2000KN无粘结预应力锚索在破碎体高边坡加固应用方面的探讨，着重分析说明了此类锚索的工艺控制要点以及高边坡安全监测方面的体会。1、工程概况1.1工程规模及地点EL1560m平台工程是锦屏水电站引水隧洞主要施工场地，位于雅砻江干流锦屏大河湾上，地处高山峡谷，地面坡度一般在40～50°，该平台由原始边坡直接开挖形成，施工区段为K4+576～K4+985，开挖形成高程为1560m和1605m两个功能平台（以下简称1560平台和1605平台），最大开挖高度约120m（坡顶高程1680m）。1605平台长约100m，宽15～20m，设计荷载为25t/m2，布置有引水隧洞混凝土系统；1560平台长约400m，宽15～40m，布置有机车修理厂、调车场地及引水隧洞、上游调压室施工支洞洞口等。根据地质情况的不同，开挖坡比为1:0.3~1:0.5，设置有高程为1560、1575、1590、1605、1620、1635和1650m7级马道（台阶），台阶高度为15m，马道宽度为2m。本工程石方开挖约43万方、边坡喷锚支护4.4万平方米，1000KN、1500KN，L=30~50m锚索共计474根，2000KN，L=25/30m压力分散型锚索55根。在本工程前期1000KN、1500KN无粘结预应力锚索（拉力型）施工中，由于锚索加固部位岩体松散破碎，内锚段承载力低，设计要求锚索进入完整岩体（Ⅲ类以上）的锚固段长度不小于7m，这使得锚索的长度普遍偏长（50m）、灌浆量偏大（平均单孔约60t）、施工时间偏长，不利于工程投资和进度控制。在1605平台在开挖过程中，K4+700~K4+760（1580~1605m）段边坡发生塌方，方量约2120方，而后，按照原边坡坡比（1:0.3）施工C20混凝土贴坡的浇筑。为了保证混凝土贴坡后的1605承重平台的安全稳定以及后期承载力的需要，同时，避免普通拉力型锚索在高危边坡加固方面的不利因素，决定采用200t压力分散型锚索加固1605以下边坡，边坡锚索支护高度为25m，距离坡脚高度为45m，共设计有2000KN压力分散型锚索55根，L=25/30m长短间隔布置。1.2边坡地质情况根据地勘资料显示，该区段上覆有1～10m不等的半胶结角砾岩，岩体破碎，下伏为T2y5灰～白色厚层大理岩，岩体以弱风化为主，局部为强风化，完整性较差，结构面发育，沿结构面常见有溶蚀现象。另发育一组N60°W，NE∠13°的顺坡裂隙。根据钻孔取芯资料来看，1605下边坡地质情况较差，一般情况为：0~15m之间岩石较破碎，钻孔比较困难，回风量较小，回风颜色为灰黄色，有吊块和卡钻现象；15~25m之间裂隙较发育，时有卡钻现象，25m以后岩体较完整。1.3锚索设计情况由于EL1605平台是具有承重要求的平台，其上布置有混凝土骨料仓，每平方米的设计要求承重25t，为了确保加固后的边坡满足混凝土骨料仓的承载力要求，设计要求采用压力分散型锚索。K4+700~K4+760段（1584～1605m）布置有55根2000KN无粘结压力分散型预应力锚索，锚索为25/30m间隔布置，锚索之间采用框格粱连接，框格粱断面尺寸为50cm×50cm，有混凝土贴坡段的锚墩为100cm×100cm，无贴坡段的锚墩为150cm×150cm。K4+700~K4+760段（1584～1605）锚索断面布置图见图1。图11605以下边坡锚索支护典型断面图200t级锚索设计要求的设计参数为：锚索由14根钢绞线组成，公称直径Ф15.24mm，标准强度1860Mpa；锚索孔径为Ф165mm，采用5级承载板承压，间距1.6m，承压板直径Ф145mm，第1级为2根钢绞线（编号为1-1、1-2），第2级为3根钢绞线（编号为2-1、2-2、2-3），此后每级增加3根，钢绞线长度每级减少1.6m；注浆采用42.5R水泥，净压力0.3～0.7MPa，浆液胶凝体强度40MPa，N40净浆，采用一次性灌浆。锚具和夹片采用HVM15型，图22000KN无粘结压力分散型锚索结构示意图2、压力分散型锚索试验2.1试验的目的。通过在现场具有代表性的部位的锚索施工，进一步了解边坡的地质情况，校核设计参数，发现和初步解决锚索后续施工中可能出现的问题，并有针对性的优化锚索施工方案；通过对锚索张拉结果（测力计测力值）的分析，找出在此种地质情况下，锚索质量的影响因素及影响程度；检验并提高操作人员的施工能力和技术管理水平。2.2试验方案现场选用锚索编号为1-6、2-10和3-6号（根据图纸要求这三根锚索安装有测力计），锚索的设计长度分别为25m、30m和30m，测力计编号分别为D1605-6、D1605-4、D1605-5，通过对这三根锚索钻孔、灌浆、特别是张拉结果的分析，进一步了解锚索加固区域的地质赋存情况，找出压力分散型锚索施工过程中的质量影响因素，并针对试验锚索施工中存在的问题，有针对性的提出解决方案。2.3现场存在的问题（1）锚索造孔方面：由于该部位地质情况较差，在锚索钻孔过程中，经常出现卡钻及埋钻现象，锚索成孔速度较为缓慢，单孔孔钻孔时间24~36小时。勉强成孔后出现孔壁塌陷，锚索无法下索。（2）锚索灌浆方面：由于岩体节理裂隙很发育的原因，灌浆量较大，在锚索灌浆之初，锚索1-6、2-10和3-6号的锚索灌浆量很大，分别（干灰量）达到73、89.7和50.1t，锚索单孔平均灌浆量为80t，灌浆量偏大。由于岩体节理裂隙发育，浆液扩散到其下35～50米的范围，有浆液从岩体中渗出。（3）锚索张拉方面：采用便携式千斤顶（YDC240Q）逐根张拉的施工方法具有施工方便，现场易于控制的特点，但是，由于张拉过程中钢绞线自然回缩以及群锚效应等原因，锚索的应力损失较为明显，通过本工程的经验，锚索实际所受的力（锚索测力计所测的）比锚索名义上所受的力（千斤顶张拉系统所测的）普遍平均要小17.5%。表1试验锚索应力损失对比表序号测力计编号设计应力测力计读数损失量损失率备注1D1605-620001626.037418.7%1-62D1605-420001674.2325.816.3%2-103D1605-520001648.035217.6%3-62.4存在问题的解决措施根据以上三个试验锚索的试验结果，锚索制作方面和结构方面不存在太大的问题，针对锚索成孔、灌浆方面和张拉方面存在的问题，现场采用以下措施进行解决：（1）锚索成孔。对于塌孔严重的部位采用M35砂浆固壁（水泥:水:砂子=1:0.8:0.6），24小时后重新钻进，现场采用后造孔效果明显。（2）锚索灌浆。锚索灌浆主要是解决内锚段锚固问题，张拉段的灌浆主要是目的是钢绞线防护。因此，锚索灌浆一般采用N40净浆（灰:水=1:0.42），对于灌浆量偏大的孔采用浓砂浆灌浆M40砂浆（灰:砂:水=1:0.5:0.5），并采用间歇、待凝方式。（3）锚索张拉。根据上面分析，采用便携式千斤顶（YDC240Q）逐根张拉的施工方法，应力损失比较明显，千斤顶张拉系统已经不能反映锚索的真实受力情况，经研究决定以测力计为准，通过补偿张拉确保锚索测力符合设计要求。3、2000KN压力分散型锚索工艺控制3.1基本施工工序施工平台搭设→布孔→编索→造孔→清孔、验孔→安装锚索→注浆→锚墩制作→安装外锚头→张拉→验收→封锚3.2布孔、钻孔施工使用测量仪器按设计要求将锚孔孔位准确地测放到边坡坡面上，做好孔位标记。因地形等客观原因限制，需调整孔位时，应征得设计方的同意后方可调整，本工程锚索的间距4m，排距5m。现场配备钻机无锡双帆YXZ-80型潜孔钻机。设计的孔径为165mm，现场采用150的（强风）冲击器，165mm的钻头。锚索的俯角为5度。由于本施工区段地质情况较差，成孔过程中塌孔现象较多，经过监理同意后，采用M35水泥砂浆回填灌浆固壁，配比为：水泥:水:砂子=1:0.8:0.6，待形成强度后重新成孔。另外，应注意一点，由于塌方段边坡的地址赋存情况有一定的差异，在钻孔过程中，应注意钻孔速度、返回介质的成分与数量、地下水等资料的收集与记录，如果发现原设计的部位不适合做锚固段时，应及时向监理人员汇报，并增加锚索长度，确保锚索内锚段位于稳固岩体中。3.3索体的制作编索工艺：下料、清洗→编束→安装隔离架、支撑环→安装注浆管→验收→库存。（1）压力分散型锚索制作前应对钻孔实际长度进行测量，计算并截取出每级承载体对应的钢绞线，并对不同位置处的承载体（5级）相对应的钢绞线外露端采用打磨机打磨出标记，以便后续张拉工作的正确进行。（2）下料要求用砂轮切割机切割，下好料以后,按图纸要求设置好隔离架，每1.5米放一个。锚索编束前，要确保每根钢绞线顺直，不扭不叉，排列均匀，对有死弯，机械损伤处应剔出，无粘结绞线外套PE管不得有破损。索体绑扎要求牢固，使钢绞线不互相缠绕，平行顺直。（3）内锚头钢绞线挤压套由挤压套筒和钢丝衬套组成，钢绞线传入承载体后挤压并设置好承载体，挤压套中钢绞线伸入长度不小于14cm,挤压套的挤压力为20~53MPa，并按照3%进行抽检。（4）按照图纸要求，承压板直径Φ145mm，保护罩直径为Φ79mm，锚索保护罩和导向帽内填充3#无粘结预应力筋专用防腐油脂。检查合格后的锚索标识好以后分区存放，同时做好防雨、防晒工作。3.4锚索注浆注浆搅拌设备选用NJ-1500L高速搅拌机（注浆压力0～1.5Mpa,排浆量30L/min）和3SNS型高压灌浆机（工作压力P=0～5Mpa，排浆量10～200L/min）。（1）配制浆体时，各种材料的比例应严格按设计要求掺入并按重量计量，浆液水灰比为1:0.42，净压力为0.3～0.7MPa。为改善浆体在施工中和硬化后的性能，在浆液中加入水泥用量1%的微膨胀剂和0.7%高效减水剂等。（2）浆液采用高速搅拌机搅拌，搅拌时间不应少于2min，根据设计图纸要求，当回浆浆液比重与进浆浆液比重时，稳压闭浆20min，回浆压力应达到0.15MPa。当达到闭浆要求时，我部将通知监理，以确保闭浆时间及回浆压力达到设计要求。3.5锚索张拉3.5.1张拉设备。按照张拉工艺，现场设备采用3套便携式千斤顶，型号为YDC-240Q，主要技术参数为额定拉力240KN，额定油压50MPa，自重18.2kg，配用油泵为ZB4-500型电动油泵。3.5.2张拉原理由于压力分散型锚索结构较为复杂，每级承载板对应的钢绞线的长度均不同，从第一级承载板到第五级承载板，依次每级减小1.6m，这使得张拉段的长度依次减小1.6m。对于此类锚索有两种张拉方法：其一，采用便携式千斤顶（YDC240Q）分级分序张拉，锚索张拉分为5级，首先依次完成第一级14根钢绞线的张拉，然后依次张拉第2～5级。为防止群锚效应等因素造成的应力损失，最后应使用便携式千斤顶进行补偿张拉。其二，采取终值补偿张拉和整体张拉相结合的方式，即采用整体张拉千斤顶和单根张拉千斤顶结合，单根张拉千斤顶对各不同长度的单元锚固体按终值应力补偿到位后再用整体千斤顶进行分级正常张拉。由于本工程的特点，采用第二种方法张拉工艺控制相对复杂，张拉设备搬动困难。因此，根据压力分散型锚索张拉工序较为复杂的特点，为简化张拉程序，经监理批准后现场采用第一种方法，这种方法工艺易于控制的，现场可投入多套设备平行施工。3.5.3工艺过程根据设计要求结合现场实际情况，我