高速公路高邊坡治理工程中預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)及施工技術(shù)

勞春江

(廣東省政府還貸高速公路管理中心,廣東 廣州 510000)

1 工程背景

懷集至陽江港高速公路懷集至郁南段(以下簡稱“懷陽高速”)項(xiàng)目里程102.17 km。本工程分兩個(gè)工期完成全線建設(shè),其中,一期工程路線全長87.57 km,二期工程路線全長14.6 km。一期工程公路路線的起始位置是肇慶市懷集縣崗坪鎮(zhèn)(該段高速公路是銜接二廣高速公路的懷集支線路段),向南經(jīng)梁村鎮(zhèn),封開縣長安鎮(zhèn)、金裝鎮(zhèn)、南豐鎮(zhèn)、蓮都鎮(zhèn)、河兒口鎮(zhèn)、漁澇鎮(zhèn)、杏花鎮(zhèn)、羅董鎮(zhèn),終于封開縣長崗鎮(zhèn)(接廣佛肇高速公路),全長約87.571 km。全線采用雙向四車道高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),起點(diǎn)至蓮都互通段的設(shè)計(jì)速度需要控制在最高每小時(shí)120 km,蓮都互通至終點(diǎn)段的最高設(shè)計(jì)速度需要控制在每小時(shí)采用100 km,路基寬26.0 m。本項(xiàng)目總投資概算822 060萬元。本路線主線橋12 410 m/54座,主線路基段長度60 598.8m,隧道長1 654.5 m/1座,匝道長度21 283 m,匝道橋2 275.1 m/18座,匝道路基段19 008 m,填方1 706.643萬m3,挖方1 851.638萬m3,設(shè)置錨桿錨索防護(hù)邊坡15 812 m/87處設(shè)崗坪東(水浸)、金裝、南豐、蓮都、河兒口、杏花、歐垌互通立交共7處,設(shè)服務(wù)區(qū)2處,停車區(qū)1處,養(yǎng)護(hù)工區(qū)2處。二期工程項(xiàng)目路線起于肇慶市封開縣長崗鎮(zhèn)國合林場西側(cè),起點(diǎn)樁號K91+500,與一期工程TJ9標(biāo)段(X2先行標(biāo))歐垌互通立交終點(diǎn)對接,路線向南跨國道G321和西江之后進(jìn)入云浮市郁南縣都城鎮(zhèn),之后在平臺鎮(zhèn)與廣梧高速相接,利用廣梧高速公路共線,終于雙鳳互通。路線全長約68.779 km,其中新建里程14.779 km,與廣梧高速共線里程約54.0 km。新建里程封開縣3.95 km,郁南縣10.829 km。

全線采用雙向4車道,路基設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度為26 m,其中起點(diǎn)至蓮都互通段(K46+065)采用設(shè)計(jì)速度為120 km/h,蓮都互通至終點(diǎn)段設(shè)計(jì)速度為100 km/h,共設(shè)有隧道2 424.5 m/2座、特大橋3 113 m/2座,橋隧比19.57%,三級以上高邊坡123處,最高邊坡為七級、高64.1 m。懷陽高速AK0+480～AK0+625右側(cè)邊坡位于懷陽高速郁南段境內(nèi),為路塹邊坡?？梢?二期工程所在地為七級高邊坡,需做好治理工作,確保公路整體的安全性。

2 邊坡治理巖土計(jì)算

AK0+480～AK0+625右側(cè)四級邊坡巖土計(jì)算參數(shù)如下。

(1)坡積粉質(zhì)黏土,為可塑-硬塑狀態(tài),重度為17.9(18.4)kN/m3,黏聚力為20(16)kPa,內(nèi)摩擦角為16°(13°)。

(2)殘積粉質(zhì)黏土,為硬塑狀態(tài),重度為18.2(18.7)kN/m3,黏聚力為24(19.5)kPa,內(nèi)摩擦角為18°(14.5°)。

(3)全風(fēng)化混合巖,為土狀,重度為18.7(19.2)kN/m3,黏聚力為26(21)kPa,內(nèi)摩擦角為20°(16°)

(4)強(qiáng)風(fēng)化混合巖,為半巖半土狀態(tài),重度為19.5(20.0)kN/m3,黏聚力為39(31)kPa,內(nèi)摩擦角為34°(27°)。

3 路塹邊坡預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)

3.1 預(yù)應(yīng)力錨索組成設(shè)計(jì)

(1)錨頭。是設(shè)置在錨索外端,用于錨固作業(yè)或者鎖定錨索拉力的部件,一般由墊墩、墊板、錨具、保護(hù)帽、外端錨筋等組成[1]。

(2)錨固段。設(shè)置在錨索的遠(yuǎn)端,用于將拉力傳遞給邊坡穩(wěn)定地層部分。具體的錨固深度和錨固長度應(yīng)根據(jù)高邊坡治理工程所在地區(qū)的實(shí)際情況測量、計(jì)算后獲取,原則是錨固深度和錨固長度均應(yīng)足以承受最大設(shè)計(jì)拉力。

(3)自由段。用于將錨頭拉力傳遞到錨固段的中間區(qū)段,主要由錨拉筋、防腐構(gòu)造層、注漿體組成。

(4)錨桿相關(guān)配件。該裝置不止一種,包括定位支架、導(dǎo)向帽、架線環(huán)、豎線環(huán)、注漿塞等,主要作用是為了確保錨索的受力結(jié)構(gòu)合理,并提高施工的便捷程度[2]。

在本工程中,使用的預(yù)應(yīng)力錨索的技術(shù)參數(shù)如下:①由高強(qiáng)度、低松弛度的鋼絞線組成,錨具采用QMV型錨具。②鉆孔直徑設(shè)定為200 mm,采用套管跟進(jìn)鉆孔工藝成孔。③錨索注漿用的材料為P·O 42.5純水泥漿,水灰比控制為0.5。在實(shí)際施工期間,施工人員應(yīng)充分考慮現(xiàn)場自然氣候情況,決定是否在注漿材料中加入早強(qiáng)劑。

3.2 預(yù)應(yīng)力錨索分區(qū)設(shè)計(jì)

二級邊坡錨索設(shè)計(jì)張拉力500 kN,設(shè)計(jì)三排錨索,錨索長度為24 m,錨索框架梁間距為3 m(橫)×3 m(縱)。

4 邊坡治理預(yù)應(yīng)力錨索防護(hù)措施設(shè)計(jì)

懷陽高速AK0+480～AK0+625右側(cè)深挖路塹邊坡設(shè)計(jì)為四級邊坡。第一級坡率為1∶1.00,防護(hù)類型為人字形骨架噴播植草+掛網(wǎng)客土噴播植草,第二級坡率為1∶1.00,防護(hù)類型為錨索格梁+掛網(wǎng)客土噴播植草,第三級坡率為1∶1.25,防護(hù)類型為人字形骨架噴播植草+三維網(wǎng)植草,第四級坡率為1∶1.50,防護(hù)類型為三維網(wǎng)植草。

5 預(yù)應(yīng)力錨索施工技術(shù)

5.1 預(yù)應(yīng)力錨索施工前的準(zhǔn)備工作

(1)管理人員應(yīng)針對錨固工程的計(jì)劃、設(shè)計(jì)圖、邊坡巖土形狀等資料的齊全程度進(jìn)行全面梳理,務(wù)必確保所有資料齊備且完整[3]。

(2)技術(shù)人員應(yīng)做好高速公路高邊坡及附近施工區(qū)域的勘察工作,評估施工可能對高速公路造成的影響,并對高速公路周邊管線的埋設(shè)位置、埋設(shè)深度等進(jìn)行全面了解(有關(guān)水、電的所有情況必須調(diào)查清楚)。

(3)掌握工程所在地的作業(yè)限制、環(huán)保法規(guī)、地方政策,評估這些法律法規(guī)對施工造成的影響。如果當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)規(guī)定與國家有關(guān)規(guī)定存在沖突時(shí),管理人員應(yīng)作綜合考量,以國家規(guī)定為主,同時(shí)還應(yīng)考慮地方實(shí)際情況,找到“最優(yōu)解”。

(4)對所有錨索編號,編制與預(yù)應(yīng)力錨索有關(guān)的高速公路高邊坡整治工程進(jìn)度管理及質(zhì)量控制計(jì)劃。

5.2 錨索施工平臺的搭建

預(yù)應(yīng)力錨索施工平臺的搭建作業(yè)要點(diǎn)如下:(1)如果施工平臺為模板,則應(yīng)將模板厚度設(shè)置在3 m以上,且同一木板在水平方向承受的推力應(yīng)該不低于3 t。(2)由于作業(yè)高度較高,故預(yù)應(yīng)力錨索施工平臺的臨空面必須設(shè)置安全防護(hù)欄桿,高度不得低于1.8 m,且應(yīng)將豎向欄桿的間距控制在0.5 m以內(nèi),將最低橫向欄桿與平臺之間的距離控制在0.3 m以內(nèi),避免縫隙過大導(dǎo)致施工人員一時(shí)不慎從縫隙中“竄出”、墜落。(3)施工人員應(yīng)在平臺合適位置處安裝鉆機(jī),之后對鉆機(jī)的方位、角度等進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,所有參數(shù)符合要求后固定鉆機(jī)[4]。

5.3 鉆孔施工作業(yè)

預(yù)應(yīng)力錨索施工首先按照施工圖的要求鉆孔。該項(xiàng)施工是錨索錨固高邊坡工程中成本最大、對工期要求最高、對經(jīng)濟(jì)效益影響最大的環(huán)節(jié)。在正式施工之前,技術(shù)工程師必須向施工人員詳細(xì)做好技術(shù)交底工作。具體來說,應(yīng)告知施工人員,錨桿鉆孔孔徑、長度、傾角必須與設(shè)計(jì)要求嚴(yán)絲合縫,理論上不能出現(xiàn)一絲一毫的偏差。此外,所采用的鉆孔方法無論是哪一種,都應(yīng)確保鉆孔精度,從而為后續(xù)作業(yè)中的桿體插入、注漿做好準(zhǔn)備。具體要求如下:(1)在使用鉆機(jī)前,施工人員必須按照施工設(shè)計(jì)圖紙,使用經(jīng)緯儀做好測量放線作業(yè),確定孔位以及錨孔的方位角,做好相應(yīng)的標(biāo)記工作。本工程對錨孔入口處的要求適用一般要求——水平方向的誤差不能超過50 mm,垂直方向的誤差不能超過100 mm。(2)確定孔位之后,施工人員應(yīng)結(jié)合實(shí)際地層條件以及鉆孔方向,選擇適當(dāng)?shù)你@孔機(jī)具(同時(shí)還應(yīng)對基座的水平定位和錨孔立軸傾角予以確定)。此外,還應(yīng)確保鉆機(jī)的立軸傾角與鉆孔的傾角盡可能吻合,將誤差控制在微小范圍內(nèi)(巖心管傾角可以稍超過立軸傾角,但方向必須得到嚴(yán)格控制,即不允許出現(xiàn)反向偏差)。(3)完成開孔作業(yè)后,施工人員必須盡量維持良好的鉆進(jìn)導(dǎo)向,且應(yīng)該在鉆進(jìn)過程中根據(jù)實(shí)際地層變化情況,對鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行靈活調(diào)整,規(guī)避孔斜偏差[5]。

5.4 預(yù)應(yīng)力錨索的現(xiàn)場制作與安裝

(1)施工人員應(yīng)按照設(shè)計(jì)圖紙選擇鋼絞線,如生產(chǎn)廠家、日期、批次、型號、力學(xué)性能指標(biāo)等要符合要求,且需通過抽樣檢測后方可使用。(2)每一根鋼絞線的具體下料長度取決于預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)長度、腰梁的寬度、預(yù)應(yīng)力錨索處于張拉狀態(tài)時(shí)端部的最小長度,這三者之和便是下料長度。(3)施工人員應(yīng)在鋼絞線的自由段部分涂滿黃油,之后將之套入塑料管,將兩端綁扎牢固。這樣做的目的在于,確保自由段的鋼絞線能夠自由伸縮。(4)在綁扎鋼絞線隔離架時(shí),施工人員應(yīng)該沿著預(yù)應(yīng)力錨索錨桿的長度方向,每間隔1.5 m設(shè)置一個(gè)。(5)完成預(yù)應(yīng)力錨索的加工且檢查合格之后,施工人員需要將錨索小心地(無磕碰、不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)松散情況)運(yùn)送至鉆孔孔口區(qū)域。在入孔之前,施工人員需要將注漿管設(shè)定為平行狀態(tài),之后將錨索與注漿管一起送進(jìn)鉆孔內(nèi)。(6)在安放錨束時(shí),施工人員應(yīng)特別注意避免錨束受到扭曲、擠壓。(7)應(yīng)控制注漿管的端部與管底之間的距離為50～100 mm,且錨束插入孔內(nèi)的深度應(yīng)該至少達(dá)到錨束長度的95%。在實(shí)際施工中經(jīng)常出現(xiàn)錨索難以插入管內(nèi)的情況,這是因?yàn)殂@孔內(nèi)存在堵塞管道的黏土。在這種情況下,施工人員不應(yīng)繼續(xù)使用蠻力試圖強(qiáng)行插入,而是應(yīng)該將鋼絞線與隔離架進(jìn)行松散處理,進(jìn)而將鉆管拔出,待將鉆孔內(nèi)的黏土全部清除干凈后,需要重新鉆孔到位并重新進(jìn)行后續(xù)操作。

5.5 注漿施工

注漿是預(yù)應(yīng)力錨索錨固施工期間的重要環(huán)節(jié),該階段的作業(yè)質(zhì)量會從根本上決定錨桿的承載能力。注漿作業(yè)要求如下:(1)第一次灌漿作業(yè)期間,施工人員應(yīng)仔細(xì)觀察漿液情況,確定有漿液從孔口返出為止。(2)第二次壓力注漿作業(yè)應(yīng)該一次性完成,非到萬不得已不得中途停止注漿。期間的注意事項(xiàng)為:第一次注漿作業(yè)期間,應(yīng)將水灰比控制在0.45～0.5之間,注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa之間;第二次注漿作業(yè)為高壓注漿作業(yè),應(yīng)將水灰比控制在0.45～0.55之間,注漿壓力需控制在2.5～5.0 MPa之間。(3)上文提到的“注漿中途不得中斷,必須一次性完成”的具體解讀是:每一次注漿作業(yè)必須在初始注入的漿液仍然具備塑性的時(shí)間內(nèi)完成,否則容易導(dǎo)致作業(yè)質(zhì)量大幅度降低。在注漿作業(yè)期間,施工人員還應(yīng)一邊灌注,一邊提注漿管,確保注漿管管頭能夠插入漿液液面下方約50～80 cm。還應(yīng)注意,該作業(yè)階段絕不能將導(dǎo)管從漿液面下方拔出,否則有可能出現(xiàn)斷桿情況。

5.6 錨索的張拉與鎖定作業(yè)

(1)必須等到錨固強(qiáng)度達(dá)到15 MPa以上且同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%之后,方可進(jìn)行錨索張拉作業(yè)。(2)所選用的張拉設(shè)備必須符合錨桿體材料特性以及鎖定力的大小;在張拉過程中,施工人員應(yīng)該嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)要求,注意區(qū)分張拉荷載分級情況以及記錄張拉時(shí)間。每一級加荷等級觀測時(shí)間內(nèi),施工人員均需至少對錨頭處的位移情況測度3次。(3)等到張拉等級完全達(dá)到設(shè)計(jì)拉力時(shí),如果高邊坡為砂土,則應(yīng)保持10 min張拉狀態(tài);如果是黏性土,則應(yīng)保持15 min張拉狀態(tài)。當(dāng)每一次的位移值不超過1 mm時(shí),可認(rèn)為“變位”趨于穩(wěn)定。(4)待錨索各部位與邊坡緊密接觸、鋼絞線處于完全平直的狀態(tài)之后,且張拉強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)荷載的105%～110%,保持穩(wěn)壓持荷狀態(tài)、未發(fā)現(xiàn)錨索明顯衰減時(shí),方可進(jìn)行鎖定作業(yè)。完成該項(xiàng)作業(yè)后,施工人員應(yīng)對錨具留出10 cm長度,將多余部分切掉后涂抹防腐油脂。

6 結(jié) 論

綜上所述,受地形地勢因素影響,一些高速公路所在位置的邊坡高度過大,如果缺乏有效治理、約束手段,則隨著時(shí)間的推移,高速公路高邊坡的整體穩(wěn)定性會在不同程度上下降,進(jìn)而增大滑坡、危巖、危石等自然災(zāi)害的發(fā)生率,對過往車輛和附近居民的安全產(chǎn)生威脅。為避免出現(xiàn)上述問題,可在高邊坡整治工程中使用預(yù)應(yīng)力錨索,能夠有效增加邊坡滑動(dòng)面的抗滑摩擦阻力,始終壓緊邊坡結(jié)構(gòu)面,提升整體穩(wěn)定性。