预应力锚索框格体系在加固路堑高边坡的应用与施工质量控制.docx

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预应力锚索框格体系在加固路堑高边坡的应用与施工质量控制

摘要：

通过介绍框架梁预应力锚索受力特点及类型，提出了锚索施工工艺，阐述了具体的施工过程，强调了锚索施工质量控制点，得出了本人的体会和心得。

关键词：

预应力锚索、加固、施工、质量控制

一、前言

在公路、铁路线切坡开挖路堑后，破坏了原有山体应力平衡，岩土结构强度锐减，住住形成大型潜在松弛面（潜在滑体），对于这些不利的结构面（高度较大、稳定性差）均应采取加固措施，防止边坡变形失稳。

框架梁预应力锚索体系作为一种新型的边坡加固结构，与圬工类结构相比具有一定的柔性、深层加固、主动加固、随机补强、施工快捷灵活、经济性好等特点,近年来被广泛地应用于破碎岩质边坡甚至土质边坡的加固工程中。

作为一种主动式的加固方法，框架梁预应力锚索体系是通过钻孔及注浆体将钢绞线固定在深部稳定地层中，在被加固体表面对钢绞线张拉产生预应力将滑动体的坡体与稳定的地层连为一体，同时通过坡面上的框格梁将各个锚索有效地连成一个整体，形成一个由表及里的被覆式加固体系，从而达到被加固体整体稳定和限制其变形的目的。

二、预应力锚索的选型

岩土工程中使用的锚索类型较多，按固定施工方法分为注浆型锚固、胀壳式锚固、扩孔型锚固及综合型锚固等，按锚固段结构受力状态分为拉力型、压力型及荷载分散型（拉力分散型、压力分散型、拉压力分散型、剪力型）锚索。

目前广泛采用的锚索类型为注浆拉力型及注浆压力分散型两种锚索。

注浆型锚索是采用水泥浆或水泥砂浆将锚索锚固段固结在岩土稳定部分，而胀壳式锚索固利用胀壳式机械锚头与坚硬岩体挤压，形成锚固力。

拉力型锚索主要依靠锚固段提供足够抗拔力。

该类型锚索结构简单、施工方便、造价低，但锚固段受力机制不合理。

在锚索张拉时，临近张拉段处的锚固段的界面呈最大的粘结摩阻力，在锚固段底部岩体产生拉应力，且应力集中，使锚固段产生较大的拉力，浆体容易拉裂，影响抗拔力。

如图1：

压力分散型锚索是采用无粘结钢绞线，借助按一定间距分布的承载体（无粘结钢绞线末端套以承压板和挤压套）使较大的总拉力值化为几个作用于承载体上的较小的压缩力，避免了严重的粘结摩阻力集中现象，在整个锚固体长度上粘结摩阻力分布均匀。

如图2：

为了改变普通注浆拉力型锚索受拉时水泥浆体受拉开裂及受剪崩裂这种纯拉变形性状，向莆铁路路基工程设计图集采用改进的拉力型锚索，即在锚索制作时，一般将锚索锚固段制作成枣核（糖葫芦状）（如图3：

），使钢绞线受拉时对锚固体形成既受拉又部分受压的受力状态，有效增加钢绞线在锚固体中的粘结力及摩阻力，从而避免水泥浆体纯受拉开裂形成贯通裂缝。

本文主要结合介绍改进的拉力型锚索施工技术与质量控制。

三、施工工艺

（1）预应力锚索的施工工艺流程图。

（2）施工准备。

预应力锚索施工前应做好施工组织设计，明确施工方法、施工工艺、工序流程、人员组织和施工设备、材料、试验、监测安排及安全、质量管理。

开工条件包括开工报告、锚筋材料试验、浆体材料试验、配合比试验、相关机械设备等，并应注意张拉设备及有关机具是否经过标定。

为了验证设计采用的工作锚索的性质和性能、施工工艺、设计质量、设计合理性以及所提供的安全储备，同时考虑有关搬运、储存、安装和施工过程中抗物理破坏的能力，施工前应进行拉拔试验，取得锚固段地层与砂浆锚固体间的极限抗剪强度，以确定设计参数是否满足锚固工程稳定、安全需求，进而确定是否需进行锚固段长度修正，拉拔试验孔数按锚索设计总孔数的3%计，每3孔一组，锚固长度根据设计吨位、地层性质确定。

试验孔试验：

具体位置应由监理和设计代表现场确定，试验孔位置的选择应体现工程孔锚固地层实际情况。

锚固段与自由段之间设置止浆袋，锚固段外侧应设引排气管，排气管伸入锚固段内5～10cm，其注浆方法、充满标准与工程孔相同。

试验时应记录各级荷载及锚头位移等详细数据，并在工程锚索施工前及时向设计单位提交试验报告，以验证和调整设计。

（3）边坡土石方开挖

1）按线开挖原则：

严格按设计坡率、坡高测量放线，按放坡度架，按线开挖，不得超、欠挖；2）分级开挖、分级支护原则：

尤其在高边坡及地质条件差的情况下，要先施工上一级边坡锚索框架梁，并进行张拉，在达到有效防护的条件下，才能开挖施工下一级边坡；3）分层、分段开挖原则：

当边坡地质条件差或上一级边坡的防护还没有达到要求而下一级边坡需要开挖时，为了减少对边坡扰动应采取减小边坡开挖高度的办法，将设计的每级边坡分层开挖，或将同一级边坡分成几段，间隔开挖，分段防护；4）尽量减少人为扰动的原则：

当坡体已处于不稳定状态时，要采用静态爆破、控制爆破及液压冲击破碎机相结合的施工方案。

（4）脚手架搭设与放样

路堑边坡开挖完成后,清除表面松散体。

用测量仪器按设计图纸放出孔位，然后根据孔位搭设脚手架。

为了施工的安全和连续性，脚手架必须满铺坡面，并且扣在坡面上，连接扣件牢固，而且有专人定期检查，不允许有晃动的现象，施工时钻机要求上下错开，每台钻机还需搭设稳固的操作平台，以保证钻孔质量。

在曲线段边坡放线时，由于坡面一般呈扇形发散或收敛，为了保持竖肋上下对齐，竖肋间距往往上下不等，这时应根据现场情况对竖肋上下对齐进行调整，保证框架梁的受力合理才是第一位的。

（5）造孔

根据设计要求的里程、标高定出孔位，钻机就位后重新复核孔位，向莆线工程要求孔位误差不得超过±0.2m，同时，用罗盘定出钻孔倾斜角度，倾角a=200，锚孔的孔斜度误差不超过±20,实际钻孔深度应比设计孔深大0.2m，超深后超长值也不宜大于L值的1%，所钻锚孔保持孔内清洁，孔壁无污物，以确保水泥浆体与岩体的粘结强度,设计钻孔深度为：

L=Ls—Lz+Ld式中：

Ls为锚索设计长度；Lz为预留张拉段长度，一般取为1.5m；Ld为导向锥及预留沉渣段长度，一般取为1.0m。

钻孔应采用风动施工法，有效高速地钻凿满足要求的锚孔是预应力锚索技术的关键之一，也是锚索施工中控制工期的关键工序。

首先，选择机具是关键。

根据地层的类型、钻孔（直孔）、施工方案（干作业），选择冲击钻机或潜孔钻机。

其次，锚孔钻孔必须采用风动钻进、严禁水冲钻进，以确保锚索施工不恶化边坡岩体的工程地质条件，并保证孔壁的粘结性能。

第三，钻进过程应对每个孔的地层变化、钻进状态（钻压、钻速）、地层、地下水及一些特殊情况作现场记录，钻进达到设计深度后，不能立即停钻，要求稳钻3～5min，防止孔底尖灭，同时，及时进行锚孔清理。

对以下一些特殊问题要做特殊处理。

①渗水处理。

在钻孔过程中或钻孔结束后吹孔时，从孔中吹出来的都是一些小石粒或黄色粒而无粉尘，说明孔内有渗水，岩粉多粘于孔壁。

这时若孔深已够，则注入清水，以高压风吹净，直至吹出来清水；若孔深尚浅，虽冲击器工作仍有进尺，也必须停钻，拔出钻具，清孔后再继续钻进，如此循环，直至结束，否则易产生卡钻。

②塌孔与卡钻处理。

钻进过程中若遇到塌孔，应立即停钻，并报告监理工程师后采用注浆固壁处理（灌注压力0.1-0.2MPa），初凝后重新扫孔钻进。

若遇地层松散破碎易坍孔时，采用跟管钻进工艺，由于双管同步推进，钻具外有保护管，可以有效地防止因孔壁坍塌而造成的卡钻事故；同时，由于双管钻进，高压风以正循环的方式从内管进入，由内管外管之间的环行空间排出，大大减少了沿地层裂隙“跑风”的现象，加上反向排风清孔器，可完全清除孔内滞留的岩渣，确保锚固段孔壁干净清洁，孔内不滞留岩渣。

③钻孔完成后，必须使用高压风（0.2-0.4MPa）将孔中岩粉及水全部清除出孔外，以免降低水泥浆与孔壁岩体的粘结强度。

（6）锚索的制安

预应力锚索由锚头、锚索体（自由段）和内锚固段组成,见锚索构造图（图4）。

制作安装要求：

1）建立锚索加工场：

硬化地面，长度不小于设计锚索长度，宽度为5m～18m；2）下料：

按设计要求长度（包括张拉长度）下料，下料时只能用砂轮机切割，不得使用电焊或氧焊，钢绞线长度一般要保证在锚墩外预留1.5m的张拉段，钢绞线切割后，铺展在制作平台上清除油污、锈渍；锚索下料应整齐准确，误差不大于±50mm，3）绑扎编束：

按设计锚索规定的钢绞线束数进行锚索绑扎加工、编束时确保每根钢绞线始终均匀排列、平直、不扭不叉。

锚固段沿轴线方向每隔1.0m绑扎一个扩张环（用厚度为20mm聚氯乙烯塑料板加工成型），两扩张环之问设置一个箍环，锚固段外层缠绕2层～3层铁丝网以增强水泥浆自身的强度和与岩土体之间的粘结力；4）安装注浆管：

注浆管分一次注浆管和二次注浆管。

一次注浆管一般采用直径22mm的PVC管，绑扎在锚索外侧；二次劈裂注浆管一般采用耐高压的塑料管，根据地质条件当需要较大劈裂注浆压力时则用镀锌管，安在扩张环中间；5）锚索自由段的锚索束每隔1.0m用细铁丝绑扎，涂刷防锈油等强力防腐涂料，套上波纹管，管内注满黄油，两端外绕而成，每米绑扎一个圆环对中支架固定6）导向头焊接：

为便于锚索顺利入孔，锚索前端的钢绞线上焊接锥形导向头，导向头用钢管或钢板制作，将钢绞线一并塞入钢管内,钢绞线与钢管间焊牢；7）存放：

加工好的锚索要统一编号，挂上标识牌，放置在硬化地面上，防止泥水污渍、生锈，并加盖保护，防止塑料管破损。

锚索安装前,要核对锚索编号是否与孔号一致,确认无误后,才能组织人员抬至孔口。

避免错运，造成费工费时，甚至酿成质量事故。

搬运时，不得损坏各部位，凡有损伤的必须修复。

扛抬各支点间距不得大于2m，其弯转半径不宜太小。

当离工地较远或组成锚索的钢铰线数量较多时，可以盘成直径1．5m～2．0m的圆盘，以便于吊装和运输。

在成孔高压清孔后，立即将锚索进孔。

入孔安放时，应防止锚索挤压，弯曲或扭转。

锚索入孔的倾角和方位应与锚孔的倾角和方位一致，要求平顺推送，在锚索安装承载体的一端先入孔。

先慢慢入孔，摆正方向，然后加快速度推送，依靠锚索重力及惯性下滑。

尽量不要停顿，严禁抖动、扭转和串动，防止中途散索和卡阻。

如中间卡住，可稍拨出一点再下推，直至下到设计深度。

若遇锚索进孔困难，先用高压风吹洗孔一次，若还不行，再用钻进冲孔、扣孔，直到锚索入孔安装就位为止。

安装要求尽量保证锚索在轴线位置。

（7）注浆

注浆管应满足设计要求，具有足够强度，保证注浆施工过程中注浆顺利，不堵塞、爆管或破损拉断。

注浆管捆扎在锚筋体中轴部位，管的头部距锚筋体末端50mm～100mm。

锚索安装时先将注浆管出口用胶布封住，以免阻塞，捆扎时避免采用镀锌材料。

水泥砂浆的水灰比应通过试验确定，浆液要搅拌均匀随搅随用。

注浆分一次注浆与二次注浆，一次注浆通常采用孔底返浆法。

压浆前应检查压浆设备压浆管、注浆管等是否完好、畅通待管路连接后，可用清水压注检查，确保设备和管路运转正常，无漏浆、爆管等问题发生。

注浆结束前稳定5-10分钟，当孔口出现溢浆且持续时间不低于2min后，方可停止注浆。

注浆作业过程按规定的“锚孔注浆施工记录表”做好注浆记录，并进行整理。

每批次注浆都要进行浆体强度试验，且不得小于两组，保证满足设计强度要求。

浆液应在初凝前用完，并严防石块，杂物混入浆液。

注浆结束后，应将设备注浆管、枪和注浆套管等清洗干净，以便重复使用。

一旦锚索入孔安装后，应及时压浆。

8）框架梁、锚墩、紧固头施工。

框架梁施工与一般钢筋混凝土施工工序大致相同。

框架梁施工前应整平坡面，使之平整、顺适，以保证框架梁充分发挥作用。

施工时应根据实际情况调整平台附近框架梁长度，使锚索、锚杆框架梁单元处于每级边坡中央。

框架梁应做得顺直、美观，按规定设好沉降缝、伸缩缝、急流槽（检查梯步）。

框架梁施工完毕要及时浇注锚墩。

锚头顶面与钻孔轴线必须垂直，确保埋设张拉时千斤顶的张拉力与锚索在同一轴线上。

9）张拉

锚孔内的锚固段浆体和结构框架达到设计强度的70%时才能进行张拉，张拉前应对张拉设备进行标定，要对孔口的钢垫板，钢铰线清理好，承压面应平整，依次套入锚垫块、工作锚夹片、限位板，确认编号的钢铰线，而后吊装张拉机具就位，等待张拉。

　　锚索张拉分五级进行，各级张拉拉力分别为设计张力的25%、50%、75%、100%及110%，每级间隔2-5分钟，最后一级间隔30分钟，并分别记录每级张拉时钢绞线的伸长量，为克服地层徐变等因素造成的预应力损失，第一次张拉锁定后30天，进行一次补偿张拉，然后锁定。

张拉作业宜先左右后中间，先上下后中间，先对角线，后中间，分别对单元锚索进行张拉，初始张拉使其各部位接触紧密、钢铰线完全平直，而后进行整体张拉，必要时应考单元锚索在同等荷载条件下因自由段长度不等而引起的弹性伸长差，要给予补偿，待补偿后，才可同时张拉各单元钢铰线。

预应力张拉采用“双控法”控制，张拉过程中，对油泵操作要严格把关，加压速率不能过快，一般取0.1MPa/s，注意观察千斤顶活塞的运行状态，确保张拉安全进行。

同时将实际伸长值与理论计算值进行比较，实际伸长值与理论伸长值相差在范围规定。

10）锁定与封锚

张拉结束后，立即注入不小于M35级的水泥净浆封口，注浆管从预留孔插入直至管口达到锚固段顶面约50cm,注浆至孔满溢出，拉出注浆管，边拉边注浆，以防形成孔隙，孔中的空气经外锚墩预留气孔中排出。

注浆结束后的次日,要逐孔检查各锚索孔注浆是否灌满,否侧要进行复灌,确保每个锚索孔灌浆饱满密实。

张拉到设计值并按规定时间持荷后，立即锁定锚固，再用机械切除多余的钢绞线（严禁用风、电焊机切割），并保留不小于5cm的防滑段，最后用C30砼密封闭。

为保证框架的整体美观性，封头应采用相同的模具进行封头。

四、主要质量控制点

（1）锚位点放线，孔位允许误差均为±0.2m。

（2）脚手架的搭设必须稳定，对紧固件的紧固必须有人复核。

（3）按设计孔口坐标在脚手架上安装钻机专用钢管，将钻机放在专用钢管上，用经纬仪按边坡方向放出基线，然后用方向架放出锚索方位角，测角仪调整倾角，到满足设计要求时为止。

将紧固件紧牢后，再核查一遍钻机孔位坐标、方位及倾角，确认无误后，将所有紧固件再紧一遍使其误差不超过：

倾角为±20。

（4）锚索孔径应大于设计孔径。

若遇坍孔，应立即停钻，进行固壁注浆处理后，重新扫孔钻进。

洗孔要干净彻底，孔中不得留有岩粉和水。

（5）锚索的编制要确保每一根钢绞线始终均匀排列，平直、不扭不叉，锈、油污要除净，有死弯、机械损伤及锈坑者应剔出。

锚索的长度要根据钻孔的实际深度确定，允许误差为±2cm，并对锚索按孔号相应编号。

（6）锚固段的定位导向花架、船形托架（两者统一），应严格按设计要求安装在锚索上，绑扎后既要能承受一定的拉力，又要保证锚索的自由拉伸。

（7）安放锚索要保证锚索孔壁有不少于1cm的注浆厚度，锚索安放要平直，张拉段要放在锚孔中央。

（8）锚固段注浆浆，搅拌水泥砂浆应均匀，使用时不得有沉淀。

为保证浆液性能，可加入不同用途的外加剂。

注浆充盈系数为1．1～1．3。

（9）锚墩制作允许偏差各方向均为±3cm。

安装时应先安放好孔口定位钢管，以保证锚墩与锚孔垂直。

（10）锚索的张拉要在锚固段砂浆及锚墩混凝土达到设计强度70%后，方可进行。

（11）张拉前张拉设备要标定，重复3次取平均值。

各根钢绞线拉力不均匀系数在0．95～1．05之间，各根钢绞线的拉力差为±5%.

（12）锚索张拉分级进行，每级间隔2-5分钟，最后一级间隔30分钟，第一次张拉锁定后30天，进行一次补偿张拉，然后锁定。

张拉作业宜先左右后中间，先上下后中间，先对角线，后中间。

五、心得与体会

（1）边坡锚索加固工程施工须开挖一级、加固一级，避免边坡长时间裸露，使边坡在施工过程中保持稳定，在降雨前后和下一级坡面开挖中，应对已建好锚索进行位移监测，以判别锚索工作及后续施工提供依据；

（2）钻孔过程中，若发生卡钻、堵孔或塌孔现象，应立即停止进行检查，在孔中局部注浆后在同一位置二次造孔；

（3）每一孔必须按设计要求与坡面成200的俯角，以确保每根锚索空间平行；每一锚索必须对空间位置准确放样，同一排锚索横梁位置必须在同一横梁中部，纵向位置必须在同一纵梁中部；

（4）框架梁施工必须平顺，且与坡面保持一致。

对于局部出现坍塌地段，框架梁的设置不得随坡面起伏，框架梁正常位置与坍空部位必须以片石混凝土或框架梁的同级混凝土回填，不得用片石回填；

（5）为保证锚索张拉时锚具与钢铰线正交，每一框架梁必须按设计要求设置调坡楔块；锚头顶面必须与锚索轴线垂直。

（6）锚具下设的锚垫板，施工时必须固定、以确保混凝土浇注不会发生移位，同时为防止钢铰线张拉时扭曲，钢铰线束必须在锚垫板的中央；

（7）锚索锁定30天后，若发现有明显的预应力损失时，应进行补偿张拉；施工记录必须详细、真实反映施工现场情况，及时总结、积累经验。

参考文献：

1、新型支挡结构设计与工程实例、李海光等编著人民交通出版社

2、预应力锚索在高边坡防护中的应用技术、周传刚、山西建筑2010年1月：

141-142

作者简介：

郑信荣（1973一），男，工程师，中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司，福建福州350013

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