客運(yùn)專線高路塹邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)研究

周光民 中鐵二十四局集團(tuán)有限公司

預(yù)應(yīng)力錨索是通過施加張拉力以加固巖土體使其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)或改善內(nèi)部應(yīng)力狀況的支擋結(jié)構(gòu)，它是一種主要承受拉力的桿狀構(gòu)造。通過鉆孔及注漿體將鋼絞線固定深部穩(wěn)定地層中，在被加固體表面對鋼絞線張拉產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，達(dá)到使被加固體穩(wěn)定和限制其變形的目的，其最大特點(diǎn)是能夠充分利用巖土體自身強(qiáng)度和自承能力，減輕結(jié)構(gòu)自重，節(jié)省工程材料，是高效和經(jīng)濟(jì)的加固技術(shù)。采用預(yù)應(yīng)力錨索對邊坡進(jìn)行加固，可以充分調(diào)用工程地質(zhì)體或構(gòu)筑物自身潛在的穩(wěn)定性并改善其內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，阻止不穩(wěn)定塊體的塌滑，抑制塑性區(qū)的擴(kuò)展，從而更好地起到提高邊坡穩(wěn)定性的作用。

1 工程概況

浙江某新建鐵路工程為時(shí)速250 km的高速鐵路客運(yùn)專線，全線多為山谷丘陵地帶，DK94+134~DK94+190段為典型的高路塹地段，路塹邊坡高度30~40 m，邊坡高且坡度陡。該山體主要以含碎石粉質(zhì)黏土和凝灰質(zhì)砂巖為主，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理發(fā)育，巖層較破碎，考慮到預(yù)應(yīng)力錨索已經(jīng)成功應(yīng)用于高邊坡工程的加固，根據(jù)工程實(shí)際，本工程擬采用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固，加固面積約為1900 m2。設(shè)計(jì)采用了擋墻加預(yù)應(yīng)力錨索支擋（如圖1所示）。

圖1 高路塹邊坡錨索加固圖

2 試驗(yàn)方案

為了確定該路塹邊坡地層中錨桿的極限承載力和安全系數(shù)，揭示在該地層條件下影響錨桿錨固力的各種影響因素及其影響程度，檢驗(yàn)錨桿工程的施工工藝，校核設(shè)計(jì)參數(shù)，為高邊坡錨固工程的動態(tài)設(shè)計(jì)提供有關(guān)參數(shù)，擬進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索基本驗(yàn)證性試驗(yàn)。

2.1 錨索類型

本次試驗(yàn)主要試驗(yàn)兩種類型的預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)，其一為拉力分散型，即將處于不同長度的無粘結(jié)鋼絞線末端按一定長度剝除高密度聚乙烯(PE)套管，即變?yōu)檎辰Y(jié)段，分三級制成錨固段，當(dāng)漿體固結(jié)后，錨索預(yù)應(yīng)力通過剝除段鋼絞線與漿體的粘結(jié)力傳遞給被加固體，將預(yù)應(yīng)力由原來普通拉力型錨索集中于一個(gè)部位的拉應(yīng)力分散到三個(gè)部位段，提高錨固力，改善了固結(jié)體的受力狀態(tài)；其二為壓力分散型，錨根段為二級壓力分散，自由段為自由式錨索體結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)是在不同長度的無粘結(jié)鋼絞線末端套以承壓板和擠壓套，當(dāng)錨索體漿體固結(jié)后，以一定荷載張拉對應(yīng)于承載體的鋼絞線時(shí)，設(shè)置在不同深度部位的數(shù)個(gè)承載體將壓應(yīng)力通過漿體傳遞給被加固體，這樣對在錨固段范圍的被加固體提供分散的錨固力。

2.2 試驗(yàn)孔布置

根據(jù)實(shí)際坡面狀況，共設(shè)置三組試驗(yàn)孔，土層預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)為土層壓力分散型，布置3孔；巖層預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)為拉力型，布置2孔，其中一孔錨固段設(shè)置波紋鋼套管，另一孔則不設(shè)置波紋鋼套管，且錨固段已設(shè)置波紋鋼套管的錨索參數(shù)與未設(shè)置的相同。

2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

土層壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索孔深20 m，孔徑110 mm。錨固段長分別為8 m、12 m、16 m，分兩個(gè)受力單元；漿液采用P.042.5水泥，水灰比1：0.50；錨索外留長度1.5 m；反力結(jié)構(gòu)采用C25鋼筋混凝土錨墩結(jié)構(gòu)，截面120 cm×120 cm，厚40 cm。

巖層拉力型預(yù)應(yīng)力錨索孔深14 m，孔徑110 mm，傾斜角度為15°；錨固段長6 m；漿液采用P.042.5水泥水泥，水灰比1：0.50；錨索外留長度1.5 m；反力結(jié)構(gòu)采用C25鋼筋混凝土錨墩結(jié)構(gòu)，截面120 cm×120 cm，厚40 cm。

2.4 試驗(yàn)步驟

按照試驗(yàn)要求，采用與工程孔完全相同的施工工藝。在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)以下之一的情況均視為錨固體已破壞。①后一級荷載產(chǎn)生的錨頭位移增量達(dá)到或超過前一級荷載產(chǎn)生的位移增量的兩倍；②錨頭位移不收斂；③鋼筋被拉斷；④錨頭總位移超過設(shè)計(jì)允許位移值。

2.5 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果整理見表l所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)成果表

由上表的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在土層中的三個(gè)試驗(yàn)孔的安全系數(shù)基本隨錨固段長度的增加而增加，盡管試驗(yàn)-3安全系數(shù)小于2.0，不滿足規(guī)范要求。可以適當(dāng)調(diào)整錨固段長度來提高安全系數(shù)。在巖層中的兩個(gè)試驗(yàn)孔均滿足安全系數(shù)大于2的要求。

3 施工工藝

根據(jù)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，采用預(yù)應(yīng)力錨索錨孔孔徑為φ=110 mm，拉索材料采用高強(qiáng)度低松馳預(yù)應(yīng)力鋼絞線，預(yù)應(yīng)力鋼絞線的強(qiáng)度級別為1860 MPa，其直徑φ15.24 mm，錨索長9~26 m，土體中錨固段長度當(dāng)大于12 m，巖層中錨固段長度為6 m。間距4 m×4 m(縱向間距×豎直向間距)，每孔錨索設(shè)計(jì)錨固力384 kN。錨具采用與其配套的QVM15-3錨具系列，錨孔內(nèi)灌注M35水泥砂漿。

3.1 施工工藝

施工工藝流程見圖2。

圖2 施工工藝流程圖

控制工期的工序?yàn)殂@孔及錨墩養(yǎng)生。

3.2 立錨墩

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，測量人員將錨索孔位放樣確定后，就開始在孔位處清理坡面，立?，F(xiàn)澆錨墩（見圖3），錨墩緊貼坡體，它把錨具的集中荷載傳遞到坡面，并起調(diào)整坡面受力方向的作用，錨墩用鋼筋混凝土加早強(qiáng)劑現(xiàn)澆而成，錨墩中部應(yīng)按設(shè)計(jì)鉆孔傾角預(yù)埋塑料管形成孔道，錨墩混凝土養(yǎng)生需要一段時(shí)間，因此應(yīng)先施工。

圖3 立錨墩圖

3.3 鉆孔

采用潛孔沖擊式鉆機(jī)，根據(jù)現(xiàn)場地形搭設(shè)雙立柱式腳手架用于鉆機(jī)行走及安放，鉆孔角度的控制用事先按設(shè)計(jì)角度制作好的角度儀進(jìn)行定位，將鉆機(jī)按角度固定于腳手架上，鉆孔深度應(yīng)超出錨索設(shè)計(jì)長度0.5 m，以防巖土屑沉落孔底而使孔深不夠，根據(jù)鉆進(jìn)情況和吹出的巖粉作好詳細(xì)的施工記錄，主要內(nèi)容包括：巖性、巖體完整性，地下水、裂隙、巖粉顏色、顆粒大小、數(shù)量、孔深、事故情況等。鉆進(jìn)中應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行高壓風(fēng)吹孔，堆積層（孔深6 m以內(nèi)）可采用填充粘性土進(jìn)行護(hù)壁，土夾石地層，可上下來回掃孔，防止掉塊堵孔。

鉆孔結(jié)束，拔出鉆桿鉆頭，用一根聚乙烯管復(fù)核孔深，并用高壓風(fēng)清孔，然后拔出聚乙烯管，用水泥紙塞好孔口。

3.4 特殊情況的處理

3.4.1 滲水

吹孔時(shí)吹出的都是一些大顆粒而無粉塵，說明孔內(nèi)有滲水，巖粉已貼附于孔壁。這時(shí)若孔深已夠，則注入清水用高壓風(fēng)洗孔，洗凈孔壁。若孔深不夠，為防止巖粉堵塞鉆桿，應(yīng)立即停鉆，并拔出鉆桿，洗孔后再鉆。有時(shí)孔內(nèi)滲水量大，吹出的是泥漿和碎石，只要沖擊器工作，可以繼續(xù)鉆，如果沖擊器受淹不工作，應(yīng)采取壓力注漿堵水后再鉆。

3.4.2 坍孔

鉆孔遇強(qiáng)風(fēng)化巖層或巖體破碎帶時(shí)，常發(fā)生坍孔，坍孔的標(biāo)志是孔中吹出黃色巖粉夾雜原狀的，非鉆頭擊碎的、非新鮮的、無光澤的石塊，這時(shí)應(yīng)立即停鉆，拔出鉆具，壓漿固壁。注漿前用清水和高壓風(fēng)將孔內(nèi)泥漿洗出，注漿壓力取0.4 MPa漿液為水泥玻璃雙液注漿，24 h后重鉆。

3.4.3 制作錨索

錨索可以在現(xiàn)場制作也可以在外地預(yù)制后運(yùn)來。錨索由3股（按設(shè)計(jì)圖紙要求）鋼鉸線組成。首先根據(jù)計(jì)算長度下料，鋼鉸線的下料長度應(yīng)為錨索設(shè)計(jì)長度，錨頭高度、千斤頂長度、錨具厚度，以及張拉余量（取20 cm）的總和。用砂輪切割機(jī)截?cái)啵缓笃巾樂旁谧鳂I(yè)臺架上，在內(nèi)錨固段范圍內(nèi)每隔1～1.5 m穿一個(gè)對中隔離支架形成錨束，并使鋼鉸線間有一定間隙，保證壓漿時(shí)能充填密實(shí)，兩對中支架之間扎緊固環(huán)鐵絲一道，使內(nèi)錨段形成波紋形狀，自由段每1.5 m扎一道鐵絲，形成直線形狀，自由段采用除銹、防腐、涂黃油、穿套聚乙烯管，最后在錨索端頭套上導(dǎo)向帽，制作完畢后按孔號編號掛標(biāo)簽存放。錨索體結(jié)構(gòu)見圖4。3.4.4安放錨索

孔內(nèi)再用高壓風(fēng)清孔一次，然后放入錨索，錨索外套上定位片使錨索居中，應(yīng)防止錨索扭壓、彎曲，注漿管應(yīng)隨錨索一同入孔，注漿管頭部距孔底5～10 cm，錨索定位止?jié){環(huán)到達(dá)孔口時(shí)停止推送，再檢查一遍排氣管是否暢通。

圖4 錨索體結(jié)構(gòu)圖

3.4.5 錨固段注漿

采用排氣注漿，下傾的孔砂漿由孔底注入，空氣由錨索孔排出。上傾和水平孔砂漿由孔口注入，空氣壓向孔底，再進(jìn)入排氣管排出孔外，注漿壓力0.4～0.6 MPa，砂漿必須用425號水泥，中砂過篩，加早強(qiáng)劑，砂漿攪拌機(jī)攪拌均勻，漿液在初凝之前用完，并不得混入雜物，注漿到錨固段注滿后即停止。

3.4.6 張拉、注漿封孔

錨墩及砂漿達(dá)到70%強(qiáng)度后，可進(jìn)行初張拉，張拉設(shè)備儀表應(yīng)事先進(jìn)行標(biāo)定，張拉前在錨索頭部套入墊板和錨具，然后安放張拉千斤頂，軸線與錨索軸線一致，張拉采用整體分級張拉的程序，每級穩(wěn)定10 min，待錨墩混凝土達(dá)到100%強(qiáng)度后，進(jìn)行末張拉，為確保預(yù)應(yīng)力部分損失后不低于設(shè)計(jì)值，應(yīng)進(jìn)行超張拉。

張拉完成后，通過預(yù)留注漿管，管口距原砂漿面30 cm，進(jìn)行封孔注漿，孔中的空氣由設(shè)在定位止?jié){環(huán)處的排氣管排出，要求孔中注滿漿液，然后從錨具量起留5 cm鋼鉸線，用鏨截子去多余部分，外覆8 cm厚的細(xì)石混凝土保護(hù)層。

3.4.7 錨索施工質(zhì)量控制

錨索在施工過程對其孔位放樣，其允許誤差±1 cm，孔徑誤差±2 mm。采用高壓風(fēng)洗孔應(yīng)干凈徹底，孔中不得殘留巖粉和水。錨索制作要確保每一根鋼鉸線始終排列均勻、平直，不扭不叉銹、油污要除凈，對有死彎、機(jī)械損傷及銹蝕者應(yīng)剔除。

錨索安放要保證錨索孔壁有不少于1 cm的注漿厚度。砂漿水灰比，灰砂比允許誤差為±0.03。自由段注漿必須待漿液溢出孔口穩(wěn)定1～2 min后，方可停止注漿，24 h后還需補(bǔ)漿，以確保注漿飽滿。

4 結(jié)束語

根據(jù)巖土錨索技術(shù)規(guī)程（CECS22：2005）要求，錨索施工結(jié)束后，要對錨索進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)，且驗(yàn)收數(shù)量不得低于錨索總數(shù)的5%，并不能少于3根。本工程結(jié)束時(shí)選擇3根錨索做驗(yàn)收試驗(yàn)，3根錨索的最大荷載均大于錨索軸向拉力設(shè)計(jì)值的1.5倍，滿足規(guī)范要求。在后期運(yùn)營階段對5根預(yù)應(yīng)力錨索（規(guī)范要求3根）的檢測數(shù)據(jù)表明，初始預(yù)應(yīng)力值的平均變化為5.3%，小于10%的規(guī)范要求。

從加固效果看，本段高路塹邊坡的加固既美觀又安全有效地提高了高邊坡巖土的整體性與穩(wěn)定性。隨著我國大力發(fā)展鐵路客運(yùn)專線與高速公路的建設(shè)，今后在處理類似高邊坡山體加固時(shí)可以考慮運(yùn)用預(yù)應(yīng)力錨索加固方案。