岩石边坡锚索加固设计与施工.doc

岩石边坡锚索加固设计与施工
张伟
2000级土木工程专业岩土工程班

第一节 岩石边坡工程勘探
山东省莱州市金仓矿业有限公司仓上金矿位于莱州市境内，年产黄金70000两，是我国大型露天金矿之一。矿区位于莱州市以北25公里，属过西乡管辖。矿区采场坑口地势较为平坦，标高为+3m左右。上口尺寸为1200×415m，分东西两个采场。西部采场终了设计坑底标高-118m，终了边坡最大高度-121m。目前开采水平为-154m和-142m，形成157m的包边坡，边坡台阶高度为12m，并段后为24m。台阶边坡角第四系为40°，强风化带为50°~62°，斜长角闪岩为60°~65°，花岗岩为60°~75°，上盘综合边坡角为42°52′44″~43°40′04″，下盘综合边坡角为42°33′10″~43°23′38″。
东部采场北帮地质构造复杂，断层交错，北帮西部F18断层与边坡面形成小角度相交，为逆断层。断层产状182°，∠54°~∠56°，上缓下陡，表面光滑，并充填有10mm厚的黑色断层泥。局部有断层破碎带，使部分边坡出现稳定性不足。本工程加固范围位于东部采场北帮西部的481~491线之间，该面边坡受F18和F7的影响，边坡稳定性明显不足，这两个断层形成楔体，上部为-94m汽车运输道，一旦楔体失稳，将直接影响采场的安全生产，使该矿生产瘫痪、停产。为此，莱州市金仓矿业有限公司于1998年委托鞍钢矿山研究所对仓上金矿北帮西部进行边坡稳定性分析及综合治理方案研究，并进行了边坡加固设计，加固设计范围为-106m~-118m。
第二节 边坡预应力锚索治理方案设计
一、边坡治理方案
本设计主要采用预应力锚索加固方案。在加固范围内（包括F7断层以西）共分A、B、C和D四个区。A区宽30m；B区宽27.5m；C区宽20m；D区宽25m，采用5排预应力锚索防护，外设钢筋混凝土锚墩结构，并挂网喷射混凝土。
二、预应力锚索设计与计算
1、滑坡推力：单位宽度坡体重量
A：
B：
C：左10m ：
右10m：
D：
2、按坡顶有裂隙破坏计算
临界张裂隙深度：
取
水位高度取
浮力 ：

裂隙中的净水压力：
3、锚固力计算
稳定系数取1.5

T——锚固力，kN；
——锚杆的安装角；
A段锚固力T，由下式：

得出TA=838kN
同理得出
TB=1218kN
TC1=1597kN
TC2=838kN
TD=1787kN
4、锚索截面积
选择8根ф15.24钢绞线组成锚索，每根最大抗拉力20t，锚索抗拉力8×20=160t
5、锚固段长度
各段长度如下表：
位
段
置
位
度
长

A段
B段
C左段
C右段
D段
锚固段
14
14
14
14
14
自由段
10
12
15
10
15
总长度
24
26
29
24
29
6、张拉力验算
张拉力验算考虑一定的安全储备
T0=160×75%=120t=120×9.8kN=1176kN
间排距选择@2.5×2.5m
此时，由每排五根锚索所提供的锚固力为
T=1176×5=5880KN> TD×2.5=4467.5KN
显然，锚固力更大于TA、TB 、TC1、TC2，张拉力满足设计要求。
第三节 预应力锚索施工
一、施工方案
根据剩余下滑力，选用锚索体为ф15.24的1860Mpa高强低松弛钢铰线，单个锚固单元设计荷载为1200kN，即由8根钢铰线组成，内锚固段采用自由注浆锚固，锚固长度为12m或14m。张拉段采用金属波纹管隔离，波纹管直径为φ80mm，待张拉完毕后进行注浆。
二、主要施工工序、技术措施
（一）锚索造孔及制安
1、锚索造孔 锚索孔均采用130mm钻孔，钻孔倾角为15°，钻孔深度为锚索长度加500mm。钻孔施工前应严格定位定向，倾斜角度偏差小于1.5°，水平方向偏差小于2.5°，安装锚索前应进行洗孔处理，用压气吹净沉渣。
2、锚索编制 采用1860MPa（ф15.24）高强低松弛钢铰线。根据设计要求，钢铰线下料时应注意其切割的质量检查，对有磨损破股的应予剔除。钢铰线的切割应使用砂轮锯，不得使用电弧切割。锚头用10#铁丝拢紧二道，分离架采用20mm厚铸铁件，锚固段每隔1m设置一个分离架，分离架与分离架之间用10#铁丝拢紧，形成如串桃核状的索体。张拉段用金属波纹管隔离，管端用棉花黄油堵紧，并用8#铁丝绑扎牢靠。
3、锚索安装 安装锚索前，必需严格检查钻孔深度、锚索长度是否与设计相符，检查张拉段长度是否准确，波纹管端部密封是否可靠，分离架固定是否牢固。锚索体不得有锈蚀、油污现象。下锚索前应对孔口进行保护，严防泥土、石块和杂物带入孔内，锚索体露出孔口不得小于800mm。
4、锚固段的注浆 锚固段的锚固采用灌注净水泥浆工艺，将φ30mm塑料管附在锚索体上，一同送入孔内，水泥净浆采用425普通硅酸盐水泥，水灰比控制在0.45~0.50左右，用注浆泵向孔内注浆，直至浆液溢出孔口后一分钟左右。注浆后如浆液面下降应及时补注，直至浆液稳定在孔口为止。
（二）锚索锚墩施工
锚墩结构如图所示，锚墩上台面400×400mm，与锚索轴向垂直，高300mm，锥角45°，采用C25混凝土，锚墩内设φ12mm间距为200mm的正方形钢筋网，钢筋两端均设锚固弯钩。
（三）喷射混凝土施工
1、对局部岩面破碎带应加挂钢筋并喷射混凝土，钢筋网由φ6.5mm光面钢筋绑扎而成，网格200×200mm，喷射混凝土厚度为120mm。
2、钢筋网应按要求使钢筋牢固地固定在坡面上，喷射混凝土时不应晃动。
3、喷射混凝土前应用高压风水清洗坡面，并保持喷射作业前坡面潮湿。喷射混凝土混合料配比应符合设计要求，并定期取样进行试验。喷射混凝土时应控制好水灰比，保证喷层表面平整，呈潮湿光泽，无麻窝、干斑或滑移及流淌现象。喷射混凝土作业应分片、分段进行，顺序由下而上，喷射时喷头应垂直于喷面，并保持0.6~1.0m的距离。
4、喷射混凝土一般应分次喷射，第二次喷射应在第一次喷混凝土终凝后进行，初喷超过1小时应用高压水清洗喷层表面
5、喷射混凝土终凝后两小时应开始喷水养护，防止干裂，养护时间不少于7昼夜。
（四）锚具选择
锚具采用HVM锚具系统。该锚具包括锚环、夹片、锚板和螺旋筋组成。1200kN级锚索采用HVM15-8型锚具。其相配套的金属波纹管为φ80mm，在浇灌钢筋混凝土锚墩的同时埋入浇灌为一体。安装时应严格控制锚板的角度，使其与锚索轴向相垂直，并注意锚索体的钢铰线露出锚板外不小于350mm。
（五）锚索张拉
1、当锚索孔口钢筋混凝土达14天龄期后（不低于设计强度的75%）即可对锚索张拉。
2、张拉前，应清理承压板面，并检查承压板后面的混凝土质量，如该处混凝土有空鼓现象，应在张拉前进行修补。锚具安装时，锚板应对正，夹片片位要均匀，并打紧。张拉用YKD-18张拉千斤顶单根逐一顺序张拉，预紧油压4~6MPa为宜。
3、千斤顶及锚头夹具安装到位后，以缓慢的速度升压，分级加载至所需的张拉力，并认真记录活塞位置和钢铰线拉出长度，直至达到设计的预紧力，并稳压维持5分钟再进行卸压换孔。
4、两天后补张拉一次，以减小预应力损失。
（六）张拉段孔道灌浆
孔道灌浆要求密实，水泥强度等级不低于C25。采用425普通硅酸盐水泥，水灰比0.45，灌浆时应缓慢进行不得中断，并保持排气通顺。灌满孔道后，封闭排气孔，再继续加压至1.5MPa，稍后再封闭注浆管。最后封锚，封锚用M75水泥砂浆浇注。

主要施工工序见施工工艺流程图（图1-1-1）。
图1-1-1 施工工艺流程图
三、主要机械设备选择
（1）锚孔钻机 TSY100型钻机（配WC110潜孔冲击器） 二台
LQ-120型履带式钻机 一台
（2）空压机 KY-6/12型 二台
（3）沙浆泵 KVBJ-1.8型 二台
（4）搅拌机 ST250型 一台
（5）张拉千斤顶 YCD-180型 二台
YCW250A型 一台
（6）电焊机 交直流两用 一台
（7）砂轮切割机 GQ-190型 一台
（8）高压油泵 ZBO.63/63型电动油泵 一台
ZBO.38/63型电动油泵 一台
（9）气焊设备 一套
（10）水泵 2.2kW 一台
（11）喷浆机 转子Ⅳ型 一台
四、劳动组织及工程进度，见图1-1-2。
五、工程质量控制
（一）质量检验标准，适合的规范
1、达到设计合同所要求的质量标准；
2、混凝土标准：《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB/T50204-92）；
3、水泥浆：《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB/T50204-92）；
4、喷射混凝土：《锚杆喷射混凝土规范》（GBJ86-85）；
5、钢铰线：《预应力混凝土用钢铰线》（GB/T5224-95）；
6、钢铰线：《预应力筋用锚具、夹具和连接器》（GB/T14370-93）；
7、金属波纹管：《预应力混凝土用金属螺旋管》（JG/T3013-94）。
（二）主要材料质量控制
本工程采购的主要工程材料，均要有生产厂家提供有效的生产许可证、产品实验资料、产品合格证及相关证明。
（四）施工中的质量控制
1、钻孔
钻孔孔位、方位角、倾角严格根据设计要求，由现场技术人员指导定钻，并由甲方工地代表核准后开钻。钻孔完成后，采用3寸塑料管吹孔,并用吹管测量孔深，满足设计要求后，由甲乙工地代表核准后下锚索。对于深部（锚固段）岩体破碎的，适当地加大锚固长度以及孔深。
2、锚索
锚索体总长度、锚固段长度、张拉段长度都应由甲方工地代表测量核实，锚固段作油渍、污物清除处理。钢铰线规整、顺畅，分离架固定牢固，自由段波纹管连接处涂黄油以防渗浆，内端头用黄油棉堵塞，长度不小于15cm，并用铁丝固定。波纹管表面无碰凹或变形现象，经严格检验合格，方能下索。
3、注浆
严格控制浆液水灰比，采用立式搅拌机拌浆，并在搅拌筒中标示水位标尺，以严格控制水加入量。在必要的情况下，适当加入减水剂，并减小水灰比，注浆时应连续灌注，停泵时间不大于3min。
4、钢筋混凝土
根据设计及合同要求进行配合比设计并进行试验检验，以后每20m3混凝土抽制一组试件送验，作出混凝土要求配合比试验报告及试件抗压检验报告。钢筋的绑扎执行《混凝土工程施工及验收规范》（GB50204-94）。
5、挂网喷射混凝土
金属网的铺挂在钢筋混凝土悬挂的钢筋绑扎之前进行，挂网之前坡面清理平
齐，网格整齐，满足设计要求，喷射混凝土执行《锚杆喷射混凝土规范》（GBJ86-85）标准，喷射混凝土厚度用埋桩法控制。
6、张拉
锚索的预应力张拉在混凝土梁施工14天后进行（强度超过设计强度的80%），张拉方法及技术要求根据设计及工程的施工组织设计进行，每次张拉均设有甲方工地代表在场方能进行，严格采用分阶段多循环的张拉方式，并做好施工记录。
第四节 锚索施工工程监测
一、工程监测的目的
监测的主要目的是了解边坡的变形情况，可能导致滑坡的外部因素的变化，以及滑坡发生前可能会出现的征兆。对于边坡的变形情况，除了要了解重点位移监测量的量值大小，还要了解位移的变化速度和变化加速度等。对于可能导致滑坡的外部因素的变化，重点掌握降雨的强度、地震和边坡周边的自然环境变化和人类活动对边坡稳定的影响情况。对于滑坡征兆，需要及时了解诸如山体张裂缝的出现和发展局部岩体崩塌、异常的地下水冒水现象和动物活动行为的异常表现等。及时掌握这些情况，将有助于预测滑坡发生的时间和滑坡规模，为有关部门作出决策采取避险行动提供依据。
人为的开挖或砌筑等改变了原来固有的动态平衡，使其应力重分布，找到新的平衡，在重新平衡期间可能出现不稳定趋势，需要实现的动态监测。另外，设计中考虑不到的不利因素也会使应力重分布的过程与预期不符。因此边坡监测工作的根本目的有以下四个方面：（1）对人工开挖边坡实现动态监测，监测边坡在开挖过程中因应力重分布、开挖爆破引起的卸荷裂隙变化、软弱层的蠕动等变形位移大小及其规律性，发现设计中未考虑的边坡稳定性影响因素，为分析判断边坡稳定性提供可靠依据。（2）为施工期安全施工提供保障，同时反馈指导工程方案。（3）为高边坡的支护和加固处理提供设计依据，使加固处理措施具有合理性。（4）掌握开挖后的变形规律，为边坡投入使用以后运行作安全预报。
二、监测的内容和方法
1、坡表变形监测
边坡水平位移可使用长距离测量的精密水准仪和进行角度测量的经纬仪，亦可采用全球定位系统（GPS）进行精密测量。边坡垂直位移可以采用精密水准仪。
对于重大边坡的坡面变形监测应规划成网。网点观测标志可采用钢筋混凝土观测标墩。标墩基础力求稳固，可除去表面风化层，使标墩浇筑在新鲜基岩上。当表面覆盖层较厚时，应开挖出一基坑，深度不小于1m，同时在底部打5根长2m的桩。标墩应现场浇筑。
2、深部位移监测
深部位移监测常用活动式钻孔测斜仪。测斜仪钻孔应穿越已有或潜在的危险滑动面。测斜管的基准点设在孔底的不动点上，一对导向槽方向应与预计的最大位移方向一致。
3、预应力锚索的受力监测
锚索的受力通常采用在锚墩处设置测力装置的方法来监测。测力计安装在孔口底板上，应与孔轴垂直，偏斜小于0.5°，偏心不大于5mm。测力计安装就位后，安装张拉前，应准确测得初始值和环境温度，反复测读，二次读数差小于1%（F·S），取其平均值作为观测基准点。锚索与工作锚索的张拉程序相同，分级加荷张拉，逐级进行张拉观测。一般连续三次读数差小于1%（F·S）为稳定。张拉结束后，进行锁定后的稳定观测。
锚索测力计应均匀布置，在每区应至少布置一根锚索进行观测，在边坡最不利位置（即C区内）应加大观测密度。
三、监测的时间安排
对于不同类型、不同阶段的边坡工程，根据工况所处的阶段和工程规模，以及边坡变形的速率等因素，边坡工程的时间安排有所不同。
对于该工程，在施工的初期及大规模爆破阶段，由于是以监测爆破振动为主，该阶段的监测频率应结合爆破工程而定。在爆破工程完成后，监测以地下及地表位移为主，一般在初测时每日或2日1次，在施工阶段3~7日1次。在施工完成后进入运营阶段，且在变形和变形速率在控制的允许范围之内时，一般以1个水文年为1周期，每2个月左右监测1次雨季加强到1个月1次。
当变形量增大或变形速率加快时，应增加监测频率，时刻注意其变形值。
四、监测设备
监测设备的选型立足于国产设备，并经工程实践证明质量有保障的产品，遵照“性能稳定，精度适中，价格便宜，使用方便”的十六字选型方针。
钻孔测斜仪选用国产CX-01型测斜仪；测斜管选用ABSφ内60mm，φ外72mm测斜管；温度计选用DW-1型埋入式电阻温度计；水准仪选用JSY型目视静力水准仪；电缆选用YSSX型单护套四芯电缆。
五、监测成果
监测成果需提交以下图表：水平、垂直位移监测结果表；水平位移量、位移速度与时间t的关系图；垂直位移量、位移速度与时间t的关系图；边坡内部水平位移量随深度变化曲线以及某深度处位移时间关系图。
根据所得以上资料进行工程分析，从而得出分析报告。