高速公路高边坡防护中预应力锚索施工技术.pdf

总658期2023年第28期（10月 上）1 工程概况1.1 项目介绍汕（头）湛（江）高速公路清远清新至云浮新兴段土建工程施工第TJ2合同段位于广东省清远市清新区三坑镇和太平镇，线路全长15.439 km（K8+700K24+000，含长链138.882 m）；公路等级为双向四车道高速公路，设计时速V=100 km/h，沥青混凝土路面；有互通式立交 2处；大中桥 9座，计长 2 331.8 m；隧道 1座，计长791 m以及其他构造物工程等。YK21+570YK21+865.32 右侧深挖方边坡位于太平镇排涝村附近，线路从山坡中部平行地形等高线通过，经过处地形陡峻，自然地面坡角较陡，该段右侧边坡的最大开挖高度约为65 m1。1.2 地形地貌场区属于低山丘陵地貌，山体较高大，形态复杂，山坡陡峭，山体底部为残坡积阶地沟谷。线路切割的山体呈陡坡状，山坡自然坡度 2025，倾向 128，山坡植被较为发育，主要为灌木、杂草等；山坡底部零星散落村庄，有乡村公路通过，交通条件较便利。1.3 地层岩性根据场区内钻探揭露和现场工程地质调查，场区内地层揭露上覆第四系全新统残积层（Q4el）粉质黏土；泥盆系中下统桂头群（D1-2gt）石英砂岩。根据地勘钻孔资料，粉质黏土容重19.5 kN/m3、黏聚力20 kPa、内摩擦角22；强风化花岗岩容重21.5 kN/m3、黏聚力26 kPa、内摩擦角28。2 预应力锚索加固特点、受力机理及关键技术问题分析2.1 预应力锚索加固特点预应力锚索在加固公路高边坡时通常是和框架梁结合在一起，其加固特点主要有以下几方面2：实现工程和自然环境的协调。预应力锚索锚固于边坡岩体中提高了潜在滑动体的抗滑力，而框架梁内放入植生袋或植草能对边坡表层岩土起到防护作用，可防止坡面冲刷、风化剥落，美化自然环境；变被动防护为主动防护，锚索施加预应力后能部分恢复开挖坡体所失去的侧向支撑力，使边坡岩土体处于“三向受压状态”，减缓岩体松弛，防止边坡病害条件恶化；减小边坡开挖量。预应力锚索适用于加固自然斜坡较陡的高边坡，能大幅减少开挖工程量，降低边坡开挖对自然生态环境的破坏，避免了大面积开挖引起的各种边坡病害。2.2 预应力锚索受力机理单独使用预应力锚索对高边坡进行加固，锚索拉力过大会导致边坡表层变形。同时，边坡表层变形过大也会导致锚索预应力损失。由图1可知，预应力锚索的理论承载力来源于三部分：钢绞线的抗拉强度、钢绞线与注浆体的黏结力、锚固体与周围岩土体的黏结力。但在高速公路项目中，预应力锚索的受力更加复杂，主要原因在于：钢筋混凝土框架梁与边坡接触面积大，会起到传力和锚墩作用，可以约束坡体在锚索拉力作用下的变形，确保锚索更好地发挥锚固作用3。图1 预应力锚索受力分析收稿日期：2023-03-02作者简介：戴湘波（1988），男，湖南武冈人，工程师，从事路桥施工工作。高速公路高边坡防护中预应力锚索施工技术戴湘波（广东冠粤路桥有限公司，广东 广州 511400）摘要：为保证公路高边坡施工质量，以汕（头）湛（江）高速公路YK21+570YK21+865.32右侧深挖方边坡为研究对象，重点分析了预应力锚索加固特点、受力机理及关键技术问题，对预应力锚索施工中的钻孔、注浆、锚索张拉锁定、框架梁施工等工序质量控制方法进行探讨，利用钢弦式锚索应力计对锚索锁定后的应力损失规律进行分析。关键词：高速公路；高边坡；预应力锚索中图分类号：U416文献标识码：B118交通世界TRANSPOWORLD高边坡的坡体一旦产生变形，土体下滑会产生平行于潜在滑移面的滑坡推力，锚索上拉力随坡体变形而不断变化。同时，框架梁也会在一定程度上阻止滑动体下滑，框架梁上内力也随之改变。为便于分析框架梁对预应力锚索受力的影响，假设框架梁为弹性纂，将锚索拉力视为作用在框架梁节点集中荷载。锚索预应力是主动施加的，坡面变形可利用“弹性地基梁理论”进行计算，见式（1）：k=pts（1）式（1）中：k为边坡岩土体变形系数；pt为预应力锚索拉力；s为边坡坡面变形。2.3 预应力锚索关键技术问题1）荷载外力确定高速公路高边坡的地质情况决定边坡病害类型、破坏模式等，故预应力锚索的外力主要取决于边坡地质条件。对于已发生病害的高边坡，结合其破坏特征，可利用数值计算软件反算出破坏时的岩土体参数、破坏力大小，并据此开展边坡工程治理；对未破坏的高边坡，需要将其作为工点单独设计，通过钻探等手段获取详细的地勘参数，结合现场外业调查，预测边坡可能出现病害的类型、规模、破坏力等。2）刚度匹配为确保框架梁对边坡岩土体框箍作用的充分发挥，钢筋混凝土框架的整体刚度应与边坡坡面刚度相匹配。如果高边坡地质条件好（坡面岩体坚硬、完整），则坡面刚度较大，抗变形能力强，此时框架间距可取大值，框架梁截面尺寸可取小值；如果高边坡地质条件差（坡面岩体软弱、破碎），则坡面刚度小，抗变形能力差，此时应减小框架间距，加大框架梁截面尺寸。需注意，预应力锚索布置较密，还要考虑群锚效应。3）长期工作效应高速公路运营时间长，必须保证预应力锚索在长期工作期间不能失效，否则可能造成严重的交通事故。高边坡预应力锚索的长期工作效应可从两方面考虑：一方面，锚索预应力的损失。锚头夹具回缩、张拉顺序等引起的预应力损失，可通过超张拉补偿。而钢绞线松弛、地层徐变、混凝土收缩等引起的预应力损失，要进行二次补张拉4；另一方面，锚索防腐处理。预应力锚索体的腐蚀问题十分复杂，影响因素也较多。国内外工程案例均表明，锚索体如不采取防腐措施，510年后将因腐蚀损失一大部分预应力，导致锚索失去加固效力。3 预应力锚索施工要点探讨3.1 施工原则为保证高速公路高边坡施工安全，边坡土石方开挖前施工单位应依据公路路基施工技术规范（JTG/T 36102019），制定“分层分块开挖顺序图”，坚持“分级开挖，分级防护”的原则。即按照图纸上标注的设计坡率自上而下开挖，开挖一级，验收一级，防护一级。严禁一挖到底，严禁超挖，严禁掏洞取土。如果高边坡在开挖期间发现地质情况与设计不符，施工单位应及时上报业主、监理，以便协调设计单位调整技术方案、变更设计图纸。3.2 施工前准备锚索在施工之前应先清理边坡上散落的碎石、浮土等，防止施工过程中滑落伤人。同时，预应力锚索在进行锚固工程施工前，必须对其进行拉拔试验，检验锚索的实际锚固力与设计值是否吻合，明确是否需要调整锚索设计参数；预应力锚索试验数量、试验内容应符合岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范（GB 500862015）的规定。试验结果满足规范要求时，方可开展预应力锚索施工，否则需重新设计锚索参数5。3.3 钻孔和注浆1）钻孔预应力锚索钻孔之前应使用全站仪及卷尺按纵向和横向设计间距放点，确定锚索具体位置，孔位误差不得超过2 cm，锚孔偏斜度不应超过5，钻孔深度应超出设计深度至少0.5 m，钻孔速度应根据钻机性能和锚固地层确定，防止钻孔扭曲和变径。钻孔过程中如遇到松散、破碎地层，可使用套管跟进钻孔技术；如遇塌孔、缩孔现象，立即停止钻进并做灌浆固壁处理，待水泥砂浆初凝后再扫孔钻进；如锚孔中有承压水流出，可在周围适当部位设置排水孔处理。钻孔结束后，应使用高压空气清除孔内岩粉，以免降低水泥砂浆与孔壁岩土体的黏结强度。2）注浆注浆质量直接影响预应力锚索的拉拔力，因此，应严控浆液性能及注浆工艺。预应力锚索注浆一般采用M40水泥砂浆，必要时可添加早强剂。地质条件较好的路段，锚索注浆采用一次注浆法（注浆压力取 0.61.0MPa）即可，注浆结束后根据浆液回落情况确定是否补浆；在地层软弱路段，为改善锚固段抗拔能力，可采用二次高压劈裂注浆法（注浆压力取1.52.0MPa）。3.4 锚索张拉锁定当框架梁混凝土强度达到设计强度80%后方可张拉，张拉作业开始前要对张拉机具和仪器标定、调校。为确保框架梁和钢绞线均匀受力，锚孔张拉顺序宜在每个框梁单元对称张拉，见图2。建议预应力锚索张拉力分5级加载，分别为设计张拉力的 25%、50%、75%、100%、120%。最后一级张拉稳定2030 min，其余每级张拉稳定25 min即可，119总658期2023年第28期（10月 上）分别记录不同张拉力下的锚头位移、锚座变形、油表读数变化等参数6。如有异常需立即停止张拉，查明原因后方可继续施工。如果锚索张拉后预应力损失过大，应在上次张拉至少5d后进行补偿张拉。工程实践表明，补偿张拉可减小预应力损失30%60%，但补偿张拉次数应不大于3次。3.5 框架梁施工锚索注浆体的强度达到设计强度80%后方可施工框架梁。框架梁是分片施工的，进行混凝土在浇筑前，应把锚具中的螺旋钢筋、波纹管、锚垫板等固定在横梁与竖肋交点处的钢筋上；浇筑振捣混凝土应密实，不能使锚具走动。4 预应力锚索施工质量检测与监测4.1 锚索施工质量检测预应力锚索加固高边坡施工完成后应对施工质量进行检验。根据 公路路基施工技术规范（JTG/T36102019），将锚索张拉力、张拉伸长率、断丝或滑丝数作为检查项目，具体检测方法及检测结果见表1。表1 预应力锚索施工质量检测检测项目张拉伸长率断丝或滑丝数锚索张拉力检测方法尺量目测油压表检测频率逐根逐根逐根允许偏差6%钢丝总数的1%满足设计要求检测结果合格合格合格4.2 锚索应力长期监测预应力锚索张拉结束后，利用钢弦式锚索应力计对锚索应力进行动态监测。钢弦式锚索应力计为圆环式，固定在锚具和锚垫板间，其监测原理是：张紧的钢弦在不同张拉力条件下的自振频率不同，再利用数模转换器反算出自振频率所对应的锚索应力。取YK21+570YK21+865.32右侧深挖方边坡的第5级边坡为研究对象，共布置3个应力监测点，预应力锚索张拉后180d的锚索应力监测见图3。由图3可知，该高边坡的预应力锚索锁定后，随着时间的推移，锚索应力逐渐变小。预应力锚索应力的损失过程大概包括快速损失、缓慢损失、相对稳定三个阶段。锚索锁定后20 d内，应力损失速度最快，损失比例在8%以内；锚索锁定后2060 d内，应力损失变缓，各监测点的应力损失比例均小于2%；锚索锁定60 d内，锚索应力基本不变化，仅有小幅波动。5 结论本文依托汕（头）湛（江）高速公路清远清新至云浮新兴段土建工程，研究了高速公路高边坡预应力锚索的加固特点、加固原理、施工技术要点及施工质量检测结果，主要得到以下结论：预应力锚索加固公路高边坡时能变被动防护为主动防护、减小边坡开挖量、实现工程和自然环境的协调；预应力锚索加固方案制定时需解决的关键技术问题有荷载外力确定、刚度匹配、长期工作效应等；预应力锚索施工前，需清理坡面和开展拉拔试验，施工期间严控钻孔、注浆、锚索张拉锁定、框架梁施工质量；预应力锚索锁定后应力逐渐变小，其应力损失可分为快速损失、缓慢损失、相对稳定三个阶段。参考文献：1 郑开涌.公路施工中高边坡预应力锚索施工技术研究J.运输经理世界，2022（24）：144-146.2 冀佳.高速公路工程高边坡治理预应力锚索施工技术J.黑龙江交通科技，2022，45（7）：61-63.3 张宁宁.高速公路高边坡防护预应力锚索施工技术研究J.交通世界，2022（11）：96-97.4 徐学西，孟红利.山岭重丘地区高速公路建设中的预应力锚索加固高边坡施工技术J.绿色环保建材，2021（5）：91-92.5 彭鹏铭.公路高边坡工程中预应力锚索技术施工工艺分析J.工程技术研究，2020，5（23）：60-61.6 欧阳龙.预应力锚索施工在高速公路高边坡治理工程中的应用经验分析J.工程建设与设计，2020（21）：115-117.图2 预应力锚索张拉顺序图3 预应力锚索张拉后180 d的锚索应力监测120