浅析公路高边坡加固中预应力锚索技术的应用

摘要：本文通过介绍预应力锚索应用在加固高边坡施工时的主要施工设备的选择、预应力锚索设计及施工工艺，证明了预应力锚索技术用于高陡边坡防护的优越性，是一种有效的加固措施。

关键词：公路高边坡；预应力锚索；锚索设计；施工工艺

预应力锚索施工在公路桥梁工程、水利工程等领域已得到普遍使用。预应力锚索是一种较复杂的锚固工程，需要专门知识与经验，施工监理人员应具有更丰富的理论和经验。预应力锚索的作用机理是将岩土层对锚索锚固段的摩阻力，通过自由段传递到边坡结构物(地梁)，以维持其受力平衡，改善岩体应力状态，提高岩体稳定性。对于山区高速公路，路基工程挖方数量大，路堑边坡高，地质比较差的地段一般采用预应力锚索地梁，以确保路基高边坡稳定。某公路高边坡原设计中边坡石质为中风化凝灰岩，采用系统锚杆挂网喷浆防护。实际开挖后发现石质为全或强风化凝灰岩至中～微风化凝灰岩，且岩体节理裂隙较为发育，需进行深层防护，才能保证边坡的整体稳定和安全。故设计变更为预应力锚索加地梁、挂网喷砼防护。

1 主要施工设备的选择

1.1 成孔设备的选择

由于加固的边坡陡、高度大，因而须采用适应性强的轻型设备，选用QZ-120K全风动潜孔钻机。这种钻机可随意调整钻机的方位和倾角，易满足设计的角度要求。因钻机质量轻，可用1.5～2t的气动绞车实施整机提升。QZ-120K型钻机结构简单，也可解体人工搬迁。钻机的动力是全风动的，动力单一，移动方便，操作简单。钻机动力在孔底，钻进效率高，钻孔速度快，宜用于高边坡钻孔施工。设计要求钻孔时严禁用水，故采用无水钻进工艺，简化了钻孔配套设备，降低了成本，提高了工效。

1.2 动力设备的选择

空压机是钻机的动力设备，它决定钻机的钻孔速度和成孔质量。根据钻机的耗风量9～12m3的要求，用2台12m3移动式空压机供2台钻机工作。

1.3 灌浆与张拉设备

由于单孔灌浆量少，选用砂浆泵灌注砂浆，张拉设备选用YCD-1500型千斤顶和配套高压油泵。

2 预应力锚索的设计

2.1 预应力体系的选择

本工程预应力体系选用OVM15-4型夹片锚具、高强低松弛钢绞线和胶结式锚固段组成的群锚体系，即OVM锚固体系。

2.2 锚索参数设计

预应力锚索采用Φ15.24(7×Φ5)高强低松弛钢绞线，每根锚索设计吨位400kN，超张拉应力为设计吨位的105%，即420kN。每根锚索由4根钢绞线组成，钢绞线破断强度为1860MPa。

2.3 锚索结构位置

锚索分上、中、下3排布置，排间距3m，孔间距3.5m，孔径为Φ120mm。设计平均长度为24m，共计71根。其中锚固段长度为19m，自由段长度为5m。由于凝灰岩体破碎，抗压强度不高，因此，每列锚索间用钢筋砼地面抑制梁(简称地梁)连在一起，共同均匀地把应力施加在岩体坡面上(如图1所示)。

3 预应力锚索施工工艺

预应力锚索施工大致由钻孔、编索、灌浆、预应力张拉和封锚5部分组成，施工流程如图2所示。

3.1 钻孔

钻孔是锚索施工中控制工程质量与工期的关键工序。本工点锚索孔设计孔径为Φ120mm，俯角15°，锚索间距3m×3.5m(高×宽)。泄水孔孔径Φ100mm，仰角5°。钻孔采用风动干钻施工法，禁用水钻，钻孔直径、深度等均应满足设计要求。钻孔采用冲击回转钻进方法进行，工艺包括定位─钻进─冲洗钻孔。

3.1.1 定位

在钻孔前，用皮尺测定孔位。在脚手架上安装钻机专用钢管，将钻机吊放在专用钢管上，用罗盘(指南针)调整倾角和方位，用钢尺调整预留长度或机上余尺，直到满足标准为止。然后用紧固件固紧钻机，复查一遍倾角、方位和预留长度，再将紧固件紧一遍。确保钻机牢固可靠后方可安装钻杆、冲击器和钻头，接上风管，开始作业。

3.1.2 钻进

将钻机所配统一定尺的钻杆，按锚索设计长度算好钻杆根数，排放整齐，逐根钻进，钻杆用完，孔深也恰好到位。在钻进过程中，严格注意工作风压和所遇地质情况，工作风压一般不低于0.6MPa。遇到软弱或破碎带地层时，应立即调整钻进速度，以免造成坍孔事故。

3.1.3 冲洗钻孔

钻孔结束后，为保证钻孔壁与浆体的粘结强度，用高压风管插入孔底，边插边吹，待孔内残渣、粉尘吹洗干净后立即将锚索安装就位。

3.2 编索及下索

该工程采用的锚索张拉端为OVM夹片式锚具，按《水工预应力锚固施工规范》(SL46-94)规定，按下式计算锚索下料：

式中：L为预应力钢绞线下料长度； Ls为锚索实际孔深(含锚固梁厚度)； Lm为锚具厚度； Ld为张拉设备工作长度； Lf为锚索测力计厚度；a为调节长度(含张拉设备以外的外露长度)。

施工时，锚索下料长度按锚索实际孔深再加2m(充分考虑Lm、Ld、Lf及a等因素)，钢绞线采用砂轮切割机切割。

锚索由4根钢绞线组装而成。将割好的4根钢绞线平放在安装平台上，逐根检查，对有磨损、严重锈蚀和松散等现象的予以剔除。然后从一端量出锚固段长度，作好标记。锚固段钢绞线除油，剥去外包层，安置扩张件。扩张件间距2m，中间用紧固件将4根钢绞线扎紧。锚固段灌浆用的注浆管从扩张件和紧固件中间穿过，其端部距导向帽50cm。锚固段底部套上导向帽，便于下索。对自由段除锈后外

涂防锈漆、黄油、并套上热缩机套封，靠近锚固段一端的热缩管要用铁丝扎紧，再安置橡胶塞，防止灌浆时浆液流入。然后将自由段用光面管(PVC管)套住，在离洞口20cm范围内，用无纺土工布环袋套在PVC管上，预埋排气管，作为注浆塞。最后全段设置定中件。组装好的锚索要检查锚索总长度、锚固段长度、钢绞线有无交叉和重叠现象后方能入孔，入孔时要确保锚索编号和孔号相对应。

3.3 灌浆

锚索灌浆分两次进行，第一次为锚固段灌浆，第二次是在锚索进行张拉后对自由段的防腐注浆。灌浆是锚固质量好坏的关键性工序。锚固段灌浆所用水泥浆以高强、早强、微膨胀、可灌性好、对钢绞线不产生锈蚀和应力腐蚀为宜。该工程采用M30纯水泥浆、425号水泥，施工水灰比为0.42，外加早强剂(三乙醇胺)，流动性好，28d强度可以达到41.5MPa。灌浆自下而上进行，用砂浆泵将水泥净浆沿内注浆管从孔底向上灌注。先用0.2～0.4MPa的压力浆注满注浆塞，为防止漏浆造成锚固段灌注长度不足，再将注浆塞排气管堵牢，进行管外高压注浆。

锚固段注浆后，立即浇制张拉地梁及砼锚墩。地梁及锚墩是一个受压构件，它把锚索的集中荷载均匀地传递到岩体。为了使承压锚墩表面与锚索轴线垂直，先将一根外径与PVC套管直径相同的不锈钢套管和张拉钢垫板正交焊牢，同时在钢管适当位置钻孔，与钢垫板预留的自由段注浆孔对准。

3.4 预应力张拉

锚索锚固段浆体和承压地梁、锚墩砼待凝7d以后，即可进行张拉。在大面积防护工程中，施工前还须做极限抗拔力试验，以获取有关锚索抗拔力等参数。该工程锚索的张拉分2次进行，第一次张拉分4级，分别为设计吨位(400kN)的10%、20%、40%和60%，每级张拉后持荷3min；第二次张拉分3级，分别为设计应力的80%、100%及105%超张拉，每级持荷3min。第二次张拉在第一次张拉3d后进行，以弥补第一次张拉后因地层受压、锚墩产生徐变位移等引起的应力损失。

3.5 封锚

张拉锁定后立即进行自由段封孔灌浆。注浆管从预留钢管孔道插入，采用低压注浆，压力为0.1～0.2MPa，最高0.5MPa，净浆配比与锚固段相同。待封孔浆体初凝24h后封锚。封锚前，用手动砂轮切断外露过长的钢绞线，保留3～5cm，再用1∶1的水泥砂浆封好外锚头，最后用涂有防腐油的钢板罩罩住外锚头，将钢板罩焊接在钢垫板上。

4 结束语

该工程锚索施工完成后，曾多次下雨，边坡未出现坍落、变形，说明边坡已经稳定，工程效果明显。将预应力锚索防护与原设计的系统锚杆方案进行造价对比，锚索防护减少投资25%，缩短50%的整治工期，确保了公路运营安全，经济效益很明显。且所选用的轻型钻孔设备、无水钻进工艺及冷移动式空压机，省去水冷系统，大大简化了施工设备，降低了成本，也获得了相应的经济效益。实践证明，锚索技术用于高陡边坡防护很有前途。

注：文章中涉及的公式和图表请用PDF格式打开