公路施工中高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索施工技術(shù)的研究

章 亮

（桐城市交通運(yùn)輸局，安徽 安慶 231400）

0 前言

實(shí)踐證明，公路施工區(qū)域若存在山谷或丘陵，通常需要采用邊坡支護(hù)技術(shù)，一旦出現(xiàn)支護(hù)不當(dāng)?shù)那闆r，極易導(dǎo)致崩塌或類似的情況。鑒于此，各施工單位應(yīng)加強(qiáng)對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行研究，準(zhǔn)確掌握技術(shù)使用要求及重難點(diǎn)，充分發(fā)揮錨索施工所具有優(yōu)勢(shì)。

1 項(xiàng)目概況

該地區(qū)計(jì)劃在山腰處修建公路，項(xiàng)目難度高且跨度大。經(jīng)專業(yè)人員測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)路塹邊坡實(shí)際高度為50m 左右，為保證該項(xiàng)目順利完工，施工方?jīng)Q定每隔10m 增設(shè)相應(yīng)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)，同時(shí)使用壓力分散錨索為高邊坡提供全面防護(hù)。分別在4 級(jí)和5 級(jí)坡面對(duì)錨索框架進(jìn)行設(shè)置，綜合考慮多方因素后，最終決定采用直徑為15mm、強(qiáng)度是1850MPa 的錨索。

2 預(yù)應(yīng)力錨索的介紹

作為新型支護(hù)結(jié)構(gòu)，先采用鉆孔的方式，使預(yù)應(yīng)力錨索一端進(jìn)入錨固對(duì)象的結(jié)構(gòu)面或是軟弱巖層，再通過灌漿、張拉自由段錨固結(jié)構(gòu)面或是巖層，隨著錨固對(duì)象、錨索得到結(jié)合，將形成可靠性、穩(wěn)定性理想的全新復(fù)合體。該結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)受拉體為鋼絞線，待張拉環(huán)節(jié)告一段落，由施工人員通過施加應(yīng)力場(chǎng)的方式，對(duì)位移進(jìn)行限制。事實(shí)證明，該技術(shù)具有效果理想、成本低的優(yōu)點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用于工程施工中。

將該技術(shù)用于公路施工，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是確保施工過程安全且可靠。利用常規(guī)技術(shù)進(jìn)行高邊坡施工，通常難以保證項(xiàng)目不存在質(zhì)量問題或安全隱患，而對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索加以運(yùn)用，既能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境提供保護(hù)，又可以保障施工安全。二是使施工難度得到降低。預(yù)應(yīng)力錨索往往搭配全風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)等先進(jìn)設(shè)備加以使用，能夠做到以實(shí)際坡度為依據(jù)，及時(shí)調(diào)整鉆孔方位與角度，隨著高邊坡所存在不穩(wěn)定巖層得到固定，項(xiàng)目施工速度及整體效果自然更加理想。

3 項(xiàng)目中預(yù)應(yīng)力錨索的應(yīng)用

3.1 確定錨索荷載

使用預(yù)應(yīng)力錨索以前，首先要通過試驗(yàn)檢測(cè)其性能，確保錨索參數(shù)及質(zhì)量均能夠達(dá)到項(xiàng)目要求。前期準(zhǔn)備階段，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是檢驗(yàn)其抗拉強(qiáng)度，根據(jù)測(cè)試結(jié)果調(diào)整錨索各項(xiàng)參數(shù)，保證其各方面性能均符合公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)向設(shè)計(jì)單位提交檢測(cè)所得數(shù)據(jù)。要想使該環(huán)節(jié)發(fā)揮出應(yīng)有作用，就需要確定初始荷載、特征荷載，試驗(yàn)方法如下：將巖土體性質(zhì)設(shè)為剛體，在錨固力達(dá)到最大值前，內(nèi)錨段各接觸界面位置固定，同時(shí)自由段不存在粘結(jié)應(yīng)力，此時(shí)，荷載位移所發(fā)生變化如圖1 所示。

圖1 荷載位移理想變化

該狀態(tài)下，自由段對(duì)應(yīng)工作應(yīng)力用表示，被錨巖體向外錨段施加反力用表示，應(yīng)力和反力間的關(guān)系如公式（1）所示。

式中：代表錨索的橫截面積（圖2）。在試驗(yàn)過程中，由相關(guān)人員施加的荷載并對(duì)其進(jìn)行拉拔，同時(shí)保證+=。在取值逐步增加的工況下，將由初始的0 變?yōu)?，由被錨巖體所提供反力為=0，對(duì)應(yīng)拉拔荷載為=（圖3）。位移曲線所出現(xiàn)拐點(diǎn)為工作荷載。隨后，持續(xù)增加取值，自由段應(yīng)力將變?yōu)?，同時(shí)+=，若繼續(xù)進(jìn)行加載，將導(dǎo)致自由段應(yīng)力超過黏結(jié)應(yīng)力的極值。此時(shí)，位移曲線將新增拐點(diǎn)，其取值為錨索荷載的最大值。

圖2 錨索初始受力情況

圖3 錨索拐點(diǎn)受力情況

在該項(xiàng)目中，相關(guān)人員先對(duì)初始荷載進(jìn)行了加載，隨后通過循環(huán)加載的方式，得出了以下數(shù)據(jù)：初始加載量的極值為20kN；首次循環(huán)的加荷為20kN，加載極值為30kN，卸荷同樣為20kN；二次循環(huán)的加荷為20kN，加載極值為40kN，卸荷為30kN；三次循環(huán)的加荷保持不變，加載極值為50kN，對(duì)應(yīng)卸荷為40kN。由此可見，錨索具有較為理想的塑性，可確保安全系數(shù)與項(xiàng)目要求相符。

3.2 計(jì)算錨索伸長(zhǎng)量

錨索伸長(zhǎng)量極易被材質(zhì)、地質(zhì)條件和灌漿質(zhì)量所影響，導(dǎo)致理論值與實(shí)際伸長(zhǎng)量不符，但只要將偏差值控制在規(guī)定范圍內(nèi)，就能夠發(fā)揮錨索的作用。該文研究的預(yù)應(yīng)力錨索，通過預(yù)應(yīng)力加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保證巖土體完整，使結(jié)構(gòu)物整體質(zhì)量達(dá)到預(yù)期，若伸長(zhǎng)量偏差超過規(guī)定范圍，便會(huì)給預(yù)應(yīng)力造成影響，最終影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

綜合考慮可能影響伸長(zhǎng)量的因素，可得出以下公式：首先是若錨索孔道呈直線，可利用下列公式計(jì)算自由段伸長(zhǎng)值，如公式（2）所示。

其次是將孔壁和鋼絞線間受摩擦影響所形成應(yīng)力損失用替代，若+0.3，可利用公式（3）進(jìn)行計(jì)算。

式中：代表截面和張拉端間孔道的實(shí)際長(zhǎng)度。代表截面和張拉端間孔道切線對(duì)應(yīng)夾角的總和，其取值通常為0。代表摩擦系數(shù)，單位是m，對(duì)公路施工所用無黏結(jié)鋼絞線，其取值往往在0.0035 左右。代表孔壁和鋼絞線所對(duì)應(yīng)摩擦系數(shù)，其取值通常為0.09。

該項(xiàng)目所使用壓力分散錨索對(duì)應(yīng)錨固段位置并不固定，各錨索自由段實(shí)際長(zhǎng)度往往存在明顯差異，與壓力集中錨索、拉力錨索相比，該類錨索更適合通過非同時(shí)張拉，完成張拉還有鎖定的工作。

考慮降低張拉難度，相關(guān)人員按照自由長(zhǎng)度最長(zhǎng)的單元到自由長(zhǎng)度最短的單元的順序進(jìn)行張拉，待張拉環(huán)節(jié)告一段落，再對(duì)各單元進(jìn)行同時(shí)張拉，通過對(duì)張拉時(shí)間加以調(diào)整的方式，控制各錨索產(chǎn)生的變形量，保證鋼絞線各部分受力大致相同。在實(shí)際施工中，通常需要用到公式（4）。

式中：Q代表各錨桿承受荷載值，kN。代表荷載最大值，kN。代表錨索個(gè)數(shù)。除此之外，在計(jì)算環(huán)節(jié)還要用公式（5）。

式中：S代表各錨索實(shí)際變形量，單位是mm。L代表錨索實(shí)際長(zhǎng)度，單位是mm。E代表鋼絞線對(duì)應(yīng)彈性模量，單位是kN/m。A代表鋼絞線橫截面積，單位是mm2。

Q代表預(yù)計(jì)施加荷載，單位是kN。若的取值為1，則其取值為0，如果的取值＞1，則可利用公式（6）進(jìn)行計(jì)算。

3.3 選擇張拉和動(dòng)力設(shè)備

作為高邊坡施工所不可缺少的設(shè)備，張拉、動(dòng)力設(shè)備性能往往會(huì)給鉆孔深度、成孔質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。鑒于此，相關(guān)人員應(yīng)做到以現(xiàn)場(chǎng)情況和前期所掌握資料為依據(jù)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行科學(xué)選擇，同時(shí)保證鉆機(jī)耗風(fēng)量不超過12m，由于灌漿需求得到滿足，因此施工效果能夠達(dá)到預(yù)期。

3.4 鉆孔

作為錨索施工的重要一環(huán)，鉆孔施工的步驟較為繁瑣，包括但不限于定位、鉆進(jìn)以及沖洗，要求相關(guān)人員酌情對(duì)孔位進(jìn)行選擇，保證鉆桿長(zhǎng)度符合錨索設(shè)計(jì)和鉆機(jī)參數(shù)，以免在鉆孔過程中出現(xiàn)傾斜或類似問題。隨后，以錨孔布置圖為依據(jù)，有序開展鉆孔、清孔作業(yè)。為確保項(xiàng)目質(zhì)量達(dá)到要求，應(yīng)保證錨孔布置合理，并對(duì)綜合尺寸誤差進(jìn)行嚴(yán)格控制。與此同時(shí)，此外，還應(yīng)了解地質(zhì)、風(fēng)壓情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)鉆機(jī)加以調(diào)整，待鉆孔施工告一段落，盡快清理孔洞內(nèi)部粉末及殘?jiān)?，以免后續(xù)施工受到不必要的影響。如果施工期間發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目所在區(qū)域存在特殊地質(zhì)，則應(yīng)盡快聯(lián)系設(shè)計(jì)方、監(jiān)理方，視情況擬定相應(yīng)的解決對(duì)策，為邊坡所具有穩(wěn)定性提供保證。根據(jù)土層特性對(duì)施工所用鉆機(jī)進(jìn)行配置，密切關(guān)注鉆進(jìn)速度和整體效果，確保鉆孔尺度與項(xiàng)目要求相符，同時(shí)對(duì)鉆孔傾斜度加以控制，保證傾斜度偏差始終處于允許范圍內(nèi)。此外，施工期間還應(yīng)如實(shí)記錄現(xiàn)場(chǎng)情況，若發(fā)現(xiàn)存在數(shù)據(jù)異常等狀況，需要盡快聯(lián)系有關(guān)部門，根據(jù)專業(yè)人員所給出建議，對(duì)施工方案做出相應(yīng)的調(diào)整。

在施工過程中，需要重視以下3 點(diǎn)：1）保證鉆孔深度、直徑符合項(xiàng)目要求，將實(shí)際深度和設(shè)計(jì)要求存在的差值控制在50cm 左右。然后利用壓縮空氣對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行清理，在排出雜質(zhì)的同時(shí)吹干水分，保證結(jié)構(gòu)具備應(yīng)有的穩(wěn)定性、可靠性。2）如果在鉆進(jìn)過程中遇到了湍急的水流，通常需要在流量、水壓下降到規(guī)定數(shù)值后，再對(duì)錨索進(jìn)行安裝。3）鉆進(jìn)期間出現(xiàn)塌孔的情況，則應(yīng)第一時(shí)間停止施工，并對(duì)塌孔區(qū)域進(jìn)行固定，塌孔區(qū)域順利通過檢測(cè)，方可重新進(jìn)行施工。

3.5 制作錨索

清孔工作告一段落后，就可以著手對(duì)錨索進(jìn)行安裝，相關(guān)人員應(yīng)嚴(yán)格控制鋼絞線長(zhǎng)度，確保其長(zhǎng)度與張拉端長(zhǎng)度、自由段長(zhǎng)度以及錨固段之和相等，同時(shí)控制施工進(jìn)度，保證下料長(zhǎng)度的誤差不超過4cm。鋼絞線除銹可以提高安裝效果，要想使除銹效果達(dá)到預(yù)期，關(guān)鍵是要在除銹后用油脂涂抹鋼絞線表面，同時(shí)使用PR 防護(hù)管。在施工過程中還應(yīng)重視自由段、鋼絞線相交處，利用膠帶對(duì)交匯處進(jìn)行加固，并利用鐵絲對(duì)交匯處進(jìn)行二次加固，以免出現(xiàn)泥沙滲入的情況。

3.6 組裝錨索

在對(duì)鋼絞線進(jìn)行組裝時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)逐一順直鋼絞線，保證對(duì)錨索進(jìn)行編束前，鋼絞線不存在交叉或是扭曲的情況，同時(shí)各股間長(zhǎng)度差不超過50mm。利用專業(yè)設(shè)備切割鋼絞線，切記不能采用電弧，并定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行除油、除銹，若發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在死彎、銹坑或是機(jī)械損傷的情況，應(yīng)第一時(shí)間割除。待鋼絞線順利通過檢查，就可以根據(jù)設(shè)計(jì)方案提出的要求對(duì)其進(jìn)行編排，每隔2m 布置相應(yīng)的隔離支架，并在相鄰支架間增設(shè)筋骨環(huán)，將保護(hù)層整體厚度控制在20mm 左右。這里要注意一點(diǎn)，即不得利用鍍鋅材料綁扎錨索編束。視情況在自由段套上相應(yīng)的塑料套管，并密封交叉套管的管口，同時(shí)利用鉛絲對(duì)套管、錨固段進(jìn)行固定。

3.7 放置錨索

在放置錨索時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)重視以下內(nèi)容：一是貫穿硬塑料管，徹底清理孔內(nèi)殘留的巖屑。二是將錨索放入孔內(nèi)，對(duì)外留長(zhǎng)度進(jìn)行嚴(yán)格控制。三是考慮到吹孔過程中極易出現(xiàn)碎石掉落的問題，除特殊情況外，均不得在吹孔的同時(shí)放置錨索。要想降低問題發(fā)生概率，關(guān)鍵是要調(diào)整施工步驟，先鉆孔再放置錨索，最后進(jìn)行吹孔。四是錨索的放置效果極易被地下水所影響，鑒于此，相關(guān)人員應(yīng)確保該環(huán)節(jié)鉆桿始終處于勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，只有水質(zhì)變清后，才能停止對(duì)鉆桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.8 灌漿

水泥砂漿具有良好的流動(dòng)性，同時(shí)其內(nèi)部往往摻有大量雜質(zhì)，當(dāng)項(xiàng)目進(jìn)行到灌漿環(huán)節(jié)，相關(guān)人員密切關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)注漿管的情況，以免由于注漿管堵塞，導(dǎo)致砂漿出現(xiàn)離析問題。實(shí)踐所積累經(jīng)驗(yàn)表明，利用純水泥漿進(jìn)行灌注，其效果與其他種類的水泥漿相比更理想。在項(xiàng)目施工過程中，需要重視兩個(gè)方面，一是將間隔時(shí)長(zhǎng)控制在1d 左右；二是以注漿壓力為依據(jù)，對(duì)注漿量進(jìn)行實(shí)時(shí)跟進(jìn)，在確保澆筑時(shí)間科學(xué)的基礎(chǔ)上，使錨固段得到高效封塞。

3.9 張拉鎖定并進(jìn)行封錨

要想保證施工質(zhì)量，需要做到以下5 點(diǎn)：其一，確保承壓面平整，錨筋軸線和承壓面的位置關(guān)系為互相垂直。其二，利用千斤頂、錨墊板安裝錨具，確保三者中軸線完全重合，同時(shí)錨頭不存在彎壓或是偏折的情況。若有需要，可酌情安裝鋼墊片，對(duì)三者位置進(jìn)行微調(diào)。其三，按照規(guī)定張拉錨筋，嚴(yán)格控制錨筋張拉給附近孔洞所造成不良影響。其四，張拉環(huán)節(jié)正式開始前，先要對(duì)錨筋進(jìn)行預(yù)張拉，保證預(yù)張拉所用張拉力為設(shè)計(jì)方案所規(guī)定張拉力的20%。其五，在臺(tái)座混凝土、錨固體整體強(qiáng)度均達(dá)到規(guī)定值的基礎(chǔ)上，著手準(zhǔn)備張拉工作。

3.10 邊坡防護(hù)

邊坡護(hù)坡的常見方式包括擋土墻、漿砌片石和錨桿噴漿，雖然上述方式均能夠用來穩(wěn)定、加固邊坡，但是灰白色的外觀并不具有觀賞價(jià)值，同時(shí)無法使邊坡植被得到恢復(fù)，與當(dāng)今社會(huì)所提倡的美化環(huán)境、保護(hù)生態(tài)不同。對(duì)于風(fēng)化程度強(qiáng)且降雨頻率高的區(qū)域，該方式極易使工程結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脫空的情況，進(jìn)而引起滑坡問題。此外，在對(duì)人工邊坡支護(hù)進(jìn)行施工的初期，上述方式往往能夠起到弱化侵蝕、提高坡面穩(wěn)定性的作用，但在混凝土老化、風(fēng)化加重的影響下，防護(hù)效果必然會(huì)隨著結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的降低而減弱，加上該方法均要投入大量的物力及人力資源，現(xiàn)在已不采用。在該背景下，業(yè)內(nèi)人士提出了全新的護(hù)坡方式，即生態(tài)護(hù)坡，這樣做既能夠確保微生物、小動(dòng)物有生存的空間，又可使生物鏈得到恢復(fù)，將邊坡施工給環(huán)境所造成影響降至最低。

邊坡綠化往往需要考慮2 個(gè)方面的內(nèi)容：一是對(duì)美觀環(huán)境進(jìn)行營(yíng)造，二是保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，充分利用現(xiàn)有景觀設(shè)計(jì)、護(hù)坡技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)邊坡全覆蓋的目標(biāo)。在該項(xiàng)目中，施工方結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況制定了以下防護(hù)方案：相關(guān)人員出于保證無錨索坡體、錨索加固坡體相統(tǒng)一的考慮，最終決定利用草、灌木進(jìn)行護(hù)坡，其中，草種植在坡面上，灌木種植在馬道上，優(yōu)先選擇生命力強(qiáng)、耐干旱且高度在2m 以下的灌木植物，包括夾竹桃、木槿等。事實(shí)證明，混合種植草和灌木，可使二者所具有優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，延長(zhǎng)護(hù)坡時(shí)間并改善景觀效果。

4 結(jié)論

綜上所述，高邊坡施工的步驟煩瑣且難度極大，較易被外界因素所影響，一旦出現(xiàn)操作不合理的情況，便會(huì)引起失穩(wěn)等問題。對(duì)高邊坡進(jìn)行加固時(shí)，多數(shù)單位均選擇對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索加以使用，要想使錨索優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，關(guān)鍵是要全面了解該技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，視情況選擇適合的設(shè)備并確定施工方案，通過提升高邊坡整體質(zhì)量，為公路事業(yè)持續(xù)發(fā)展助力。