預(yù)應(yīng)力鋼錨管加固煤系地層邊坡施工技術(shù)研究

袁 坤，孟雪俊，薛 斌

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,北京 100081；2.中鐵十一局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430061；3.北京交科公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100191)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通基礎(chǔ)建設(shè)逐漸向山區(qū)復(fù)雜地形地帶發(fā)展，面臨著許多地質(zhì)條件較復(fù)雜高邊坡[1-3]，如煤系地層邊坡。煤系地層邊坡通常由石炭系、三疊系、侏羅系薄～中層狀砂巖、泥巖夾炭質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)灰?guī)r和石炭系煤層構(gòu)成，在山區(qū)分布廣泛[4-7]。如何解決煤系地層邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題是山區(qū)高速公路建設(shè)的一大技術(shù)難題。預(yù)應(yīng)力鋼錨管將主動(dòng)防護(hù)和注漿技術(shù)兩者結(jié)合起來(lái)，有效地解決了煤系地層邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題[8-9]。本文結(jié)合仁新高速公路K227+210—K227+385段煤系地層邊坡，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼錨管在煤系地層邊坡加固機(jī)理及施工工藝進(jìn)行總結(jié)分析，為類(lèi)似地層邊坡加固施工技術(shù)提供參考。

1 工程概況

工點(diǎn)位于廣東省仁新高速公路工程TJ3施工合同段路塹邊坡，地屬?gòu)V東省韶關(guān)市仁化縣康溪村。場(chǎng)區(qū)屬于丘陵地貌。線(xiàn)路切割的山體山坡陡，自然坡度12°～45°，植被較為發(fā)育，主要為灌木等。邊坡開(kāi)挖揭露地層為第四系殘坡積層粉質(zhì)黏土，下伏基巖為石炭系下統(tǒng)測(cè)水組強(qiáng)風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂巖，砂巖地層局部夾粉砂巖、泥質(zhì)砂巖，受構(gòu)造擠壓的薄層泥頁(yè)巖和煤層。由于受復(fù)式褶皺影響，所夾地層出露高程和位置變化較大。煤層呈褐黑色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層構(gòu)造，巖芯呈土柱狀，節(jié)長(zhǎng)5～15 cm，最長(zhǎng)18 cm，巖質(zhì)較軟，手可折斷。煤層厚度不均，鉆孔中揭示的煤層厚度0.57～5.10 m。煤層在復(fù)褶皺背斜、向斜、翼部厚度變化較大。

2 邊坡病害過(guò)程及成因分析

2.1 邊坡病害過(guò)程

1)滑坡地貌形態(tài)及規(guī)模

K227+210—K227+385滑坡發(fā)生滑動(dòng)后，其平面形態(tài)呈“簸箕”形，地貌呈凹坡；坡面前緣高程約141 m，后緣至山腰中部，高程173.5 m，相對(duì)高差約32.5 m，坡度10°～15°?；麦w坡長(zhǎng)約175 m，寬約80 m，面積約 14 000 m2，主滑方向?yàn)闁|南105°，最厚約16 m，平均厚約11 m，體積約為 90 000 m3，規(guī)模為中型，滑坡平面示意如圖1，滑坡左側(cè)側(cè)緣地面下錯(cuò)(見(jiàn)圖2)。

圖1 滑坡平面示意圖2 滑坡左側(cè)側(cè)緣地面下錯(cuò)

2)滑動(dòng)帶物質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

該滑坡滑動(dòng)面、滑坡體內(nèi)裂縫等穿過(guò)煤層及全～強(qiáng)風(fēng)化砂巖(局部夾泥頁(yè)巖)。因此，滑帶位于煤層或全風(fēng)化砂巖夾泥頁(yè)巖中；煤層較為軟弱，局部較厚煤層中可能存在多個(gè)潛在滑動(dòng)面。開(kāi)挖揭露局部滑動(dòng)面與褶皺內(nèi)構(gòu)造節(jié)理面一致?？傮w上滑坡體平面形態(tài)成圈椅狀，地層受構(gòu)造作用較為雜亂，三級(jí)邊坡側(cè)向滑動(dòng)面見(jiàn)圖3。

圖3 三級(jí)邊坡側(cè)向滑動(dòng)面

2.2 邊坡病害成因分析

2.2.1 自然因素

1)地形地貌。滑坡區(qū)位于低山丘陵地貌，相對(duì)高差約84 m，坡向105°，在當(dāng)前滑坡范圍坡度約12°，是降雨匯流和入滲區(qū)域，近似寬緩的凹形坡。此類(lèi)地形具有滑坡地貌。

2)地層巖性。滑坡區(qū)上覆土體較厚，下伏全～強(qiáng)風(fēng)化砂巖局部夾薄層狀煤層、頁(yè)巖等軟弱層。受風(fēng)化及復(fù)式褶皺構(gòu)造作用，坡體透水性較好，且軟硬相間。

3)地質(zhì)構(gòu)造?；聟^(qū)受復(fù)式褶皺構(gòu)造的影響較大。復(fù)式褶皺構(gòu)造的代表性產(chǎn)狀210°∠45°，255°∠28°；代表性節(jié)理裂隙產(chǎn)狀90°∠85°，81°∠57°。

4)大氣降水。大氣降水是滑坡形成的直接誘發(fā)因素。2016年5—7月以來(lái)，連續(xù)降雨致使邊坡發(fā)生2次滑動(dòng)，雨水沿地表入滲，煤層孔隙水水量突增，在人工斜坡坡腳出露，形成貫通的流水通道。

5)地下水。強(qiáng)降雨過(guò)后，滑坡區(qū)地下水較豐富，主要為土層孔隙水和基巖裂隙水。地下水長(zhǎng)期浸潤(rùn)軟化巖土體，降低了巖土體強(qiáng)度指標(biāo)，故地下水是影響滑坡穩(wěn)定性的重要因素之一。

2.2.2 人為因素

施工開(kāi)挖對(duì)坡腳擾動(dòng)破壞，形成臨空面成為應(yīng)力集中區(qū)，從而形成滑坡前緣剪出口，是本次滑坡形成的主要人為因素。

3 加固工程措施

3.1 滑坡推力計(jì)算

1)計(jì)算方法

根據(jù)場(chǎng)區(qū)分布的巖土性質(zhì)及滑坡變形特征，推測(cè)邊坡滑動(dòng)面呈折線(xiàn)形，因此，采用不平衡推力傳遞系數(shù)法對(duì)該滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

2)計(jì)算斷面

計(jì)算斷面即利用滑坡3條橫向剖面1-1′(斷面K227+240)，2-2′(斷面K227+280)，3-3′(斷面K227+320)恢復(fù)滑坡前的地面線(xiàn)，建立計(jì)算模型。

3)計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)滑帶土體的天然、飽和重度，在現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)分析得出，滑帶全風(fēng)化砂巖夾泥頁(yè)巖天然重度為20.1 kN/m3，飽和重度為20.5 kN/m3；煤層天然重度為19.0 kN/m3，飽和重度為19.3 kN/m3。

4)指標(biāo)反算

按斷面K227+280(見(jiàn)圖4)進(jìn)行反演計(jì)算，采用飽和狀態(tài)來(lái)擬合暴雨工況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，滑坡變形階段整體屬變形滑動(dòng)階段，邊坡目前穩(wěn)定性系數(shù)K=1.0，經(jīng)過(guò)指標(biāo)反算，得出主滑帶巖土體黏聚力c=9.0 kPa，內(nèi)摩擦角φ=10.0°。

圖4 K227+280反算斷面

5)滑坡推力計(jì)算

鑒于該滑坡滑動(dòng)的危害對(duì)象是橋墩，根據(jù)滑坡對(duì)橋墩的影響、橋墩破壞產(chǎn)生的后果以及橋下邊坡的施工難度、治理滑坡的工程費(fèi)用確定該滑坡的防治工程等級(jí)為Ⅱ級(jí)。由于煤系地層遇水易軟化，大氣降雨是影響滑坡的主要因素，根據(jù)DZ/T 0219—2006《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》，邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)取1.25。

按傳遞系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，滑坡推力為

Pi=Pi-1ψ+KSTi-Ri

式中：Pi為第i條塊推力；Pi-1為第i-1條塊推力；ψ為傳遞系數(shù),ψ=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi，αi為第i條塊滑面傾角，φi為第i條塊內(nèi)摩擦角；KS為設(shè)計(jì)安全系數(shù)；Ti為下滑力,Ti=Wi(sinαi+Acosαi)+Wisinβicos(αi-βi)，Wi為第i-1條塊重量，A為地震加速度，βi為第i條塊的正壓力；Ri為抗滑力，Ri=Wi(cosαi-Asinαi)tanφi+ciLi，ci為第i條塊黏聚力，Li為第i條塊長(zhǎng)度。

采用K227+280斷面進(jìn)行滑坡推力計(jì)算(見(jiàn)圖5)。根據(jù)反演結(jié)果，取主滑帶巖土體c=9.0 kPa，φ=10.0°，重度γ=19.0 kN/m3。將該斷面劃分了6個(gè)條塊。經(jīng)計(jì)算，穩(wěn)定性系數(shù)為1.25時(shí)，需抗滑力630.4 kN/m。

圖5 K227+280斷面滑坡條塊劃分示意

3.2 加固工程措施

根據(jù)K227+210—K227+385滑坡的變形分布范圍、主要的誘發(fā)因素及目前滑坡的穩(wěn)定性，結(jié)合滑坡滑動(dòng)的危害與主要威脅對(duì)象是橋墩，需采取清方減載、支擋加固及截排水相結(jié)合的工程措施，以確保滑坡長(zhǎng)期穩(wěn)定。因此，采用預(yù)應(yīng)力鋼錨管框架梁+注漿鋼花管樁+刷坡清方加固方案。

3.3 煤系地層邊坡預(yù)應(yīng)力鋼錨管加固機(jī)理

預(yù)應(yīng)力鋼錨管加固煤系地層邊坡的加固機(jī)理是將主動(dòng)防護(hù)和注漿加固技術(shù)相結(jié)合，主要加固機(jī)理如下：

1)預(yù)應(yīng)力鋼錨管穿過(guò)邊坡滑動(dòng)面以下，使其自由段固定于坡面及淺表層，錨固段錨固于滑動(dòng)面以下的巖土體中，通過(guò)對(duì)鋼錨管施加預(yù)應(yīng)力，主動(dòng)地改變滑坡體的應(yīng)力狀態(tài)，使滑坡體主動(dòng)受力，調(diào)整坡體自穩(wěn)能力。

2)通過(guò)高壓注漿劈裂周?chē)貙樱淖冞吰峦馏w的強(qiáng)度，增加土體的內(nèi)摩擦角，減小滑坡推力，從而提高了邊坡的自身穩(wěn)定性。同時(shí)，通過(guò)注漿改變了錨固段與土體間的黏結(jié)力，增加預(yù)應(yīng)力鋼錨管的錨固力。

4 預(yù)應(yīng)力鋼錨管施工工藝

斜向預(yù)應(yīng)力注漿鋼錨管框架主要施工順序?yàn)椋悍啪€(xiàn)→鉆機(jī)就位→鉆孔→清孔→插入鋼管→孔口密封處理→鋼錨管注漿→補(bǔ)漿→進(jìn)入鋼錨管注漿循環(huán)→框架梁施工→張拉→鎖定。

1)鉆孔

根據(jù)地層情況和成孔質(zhì)量要求，結(jié)合鉆孔設(shè)備，選擇潛孔鉆機(jī)或地質(zhì)鉆機(jī)成孔，成孔直徑不小于130 mm。

2)鋼錨管加工

預(yù)應(yīng)力注漿鋼錨管的制作應(yīng)分為自由段制作與錨固段制作2個(gè)部分。

考慮到預(yù)應(yīng)力鋼錨管自由段的張拉需求，試驗(yàn)所用自由段以及孔口張拉段鋼錨管統(tǒng)一采用φ50 mm厚6 mm無(wú)縫鋼管，鋼管出廠(chǎng)長(zhǎng)度6～8 m，搭接需采用焊接工藝。自由段注漿鋼錨管加工工藝流程見(jiàn)圖6。

圖6 自由段鋼錨管加工工藝流程

錨固段鋼錨管制作要求：

①鋼管規(guī)格?？紤]到斜向控制注漿鋼錨管框架，鋼錨管主要承受拉力，其尺寸選擇應(yīng)考慮與地層自身錨固性能的協(xié)調(diào)；試驗(yàn)采用φ50 mm厚4.5 mm無(wú)縫鋼管。

②鋼管除銹。用砂紙將鋼管表面鐵銹去除以提高水泥漿與鋼管的黏結(jié)力；同時(shí)，去除鋼管表面的鐵銹有利于膠帶與鋼管黏結(jié)，防止水泥漿從眼孔冒漿。

③管壁鉆注漿眼?？紤]預(yù)應(yīng)力鋼管在巖土體中要承受拉力和剪力，起到主動(dòng)防護(hù)和抗滑作用。為了減少注漿眼對(duì)鋼管強(qiáng)度的損傷，注漿眼呈螺旋式布設(shè)，同一截面上只布設(shè)1個(gè)注漿眼，沿鋼管軸線(xiàn)間距8 cm、徑向旋轉(zhuǎn)45°鉆直徑8 mm的注漿眼。注漿眼采用玻璃膠封閉，并用膠帶紙纏繞玻璃膠封閉后的孔眼3至5圈，同時(shí)注意膠帶紙的平順。

④鋼管連接。鋼管間連接管用φ62 mm厚4.5 mm 鋼套管，長(zhǎng)度12 cm，并將連接管與鋼錨管全滿(mǎn)焊。

⑤對(duì)中架。主要作用是保證鋼錨管安放在鉆孔中心，保證鋼錨管周?chē)Ｗo(hù)層厚度均勻，鋼管外壁每隔2.0～3.0 m安裝1組采用φ12 mm螺紋鋼筋制作的對(duì)中架，并采用點(diǎn)焊方式焊接在鋼錨管上。

⑥導(dǎo)向頭。主要作用是方便鋼錨管的安裝和使鋼錨管不與孔底的殘?jiān)佑|。在鋼錨管底端上焊接錐形導(dǎo)向頭，同時(shí)應(yīng)保證導(dǎo)向頭的密封性以防止注漿過(guò)程中漿液進(jìn)入鋼錨管內(nèi)部。

3)鋼錨管安裝

將已經(jīng)加工好的鋼錨管從加工區(qū)運(yùn)送至邊坡加固區(qū)域。安裝鋼錨管時(shí)，將一次注漿PVC管與鋼錨管綁在一起，同時(shí)下進(jìn)鉆孔內(nèi)。鋼錨管要?jiǎng)蛩傧路牛隙肆?.3 m 管頭。確保鋼錨管上的注漿眼封閉完好，不存在漏漿。鋼管接頭焊接時(shí)，必須保證上下2根鋼錨管垂直對(duì)中，防止鋼錨管在焊接處彎曲而不利于下管和施工預(yù)應(yīng)力鋼錨管時(shí)受力不均勻，焊接處采用管徑大的鋼錨管焊接然后在外側(cè)幫焊鋼筋，2根鋼錨管接頭也要焊接密封，防止漏漿。

4)鋼錨管注漿

鋼錨管注漿分2次，第1次為常壓注漿，第2次為高壓劈裂注漿。

注漿前必須準(zhǔn)備好制漿區(qū)的水泥和水。然后按配合比制漿，注漿量按設(shè)計(jì)量的1.3～1.5倍控制。

第1次常壓注漿為管外注漿，目的是在鉆孔與鋼錨管之間形成水泥柱，在第2次高壓注漿下水泥柱將被劈裂，裂縫將成為漿液從管內(nèi)向坡體噴射的通道。第1次注漿管采用直徑20～22 mm的PVC管。

第2次分段高壓劈裂注漿在鋼錨管內(nèi)進(jìn)行，漿液通過(guò)高壓(一般在1～5 MPa)將預(yù)留的2次注漿孔沖開(kāi)并劈裂第1次注漿體，漿液隨之向四周擴(kuò)散、滲透，加固鉆孔周?chē)鷰r土體，提高其強(qiáng)度。

5)預(yù)應(yīng)力鋼錨管張拉

為減少預(yù)應(yīng)力鋼錨管鎖定損失，提出以下張拉方法：預(yù)加10%的拉力(10 kN)→緩慢加至設(shè)計(jì)拉力的110%(110 kN)→停留10 min→緩慢卸載至設(shè)計(jì)拉力(100 kN)→鎖定預(yù)應(yīng)力→緩慢卸載完成。張拉過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力損失情況，24 h后當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失超過(guò)10%時(shí)，可進(jìn)行補(bǔ)償張拉。

6)封錨

張拉鎖定完成后，若短時(shí)間內(nèi)預(yù)應(yīng)力無(wú)巨大損失可進(jìn)行封錨，封錨采用C25混凝土進(jìn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

1)預(yù)應(yīng)力鋼錨管注漿使水泥漿滲透到孔隙比較大的煤系地層邊坡中，提高了煤系地層邊坡的力學(xué)性能和預(yù)應(yīng)力鋼錨管的承載力，增強(qiáng)了邊坡自身的穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)錨桿由于錨固不利在沿灌漿體與土層結(jié)合面處產(chǎn)生破壞而使錨桿失效的問(wèn)題。

2)預(yù)應(yīng)力鋼錨管通過(guò)高壓劈裂注漿，可將土體的裂隙充填、擠密，從而增加滑帶巖土體的強(qiáng)度，減小滑坡推力，提高滑坡穩(wěn)定性。

3)預(yù)應(yīng)力注漿鋼錨管框架技術(shù)不僅是主動(dòng)防護(hù)措施，而且通過(guò)高壓注漿在鋼錨管周邊形成類(lèi)似“樹(shù)根狀”的擴(kuò)體型錨固體，提高了鋼錨管地層錨固力。