预应力锚索在高边坡加固中的应用

预应力锚索在高边坡加固中的应用

[摘要]云南省昆明市掌鸠河云龙水库溢洪道陡坡段和挑流鼻坎段开挖中高边坡较多，施工中主要采用了国内外比较成熟的锚固技术——预应力锚索进行加固处理，针对溢洪道特殊的地质条件，设计提供永久支护采用1000kN预应力锚索施工，通过长期观测表明，在现有支护条件下围岩表面与深层变形达到稳定，溢洪道的锚索施工是成功的。

[关键词]高边坡 预应力锚索 施工技术 应用

一、工程概述

本工程溢洪道位于左岸，距坝址230m的天然垭口处，呈折线形布置，其轴线大致顺垭口及冲沟地形，平面布置有一个转角为42°3057，半径为80m的弯道，为开敞式无闸控制溢洪道，堰顶高程2087.97m，堰宽20m，堰面形式为驼峰堰，泄槽为矩形断面，宽度由20m渐变到10m，钢筋砼衬砌，溢洪道由进口喇叭段、控制段、泄槽段组成。泄槽段全长463m，分别由I=0的平段、多级跌水消能段、平面转弯段、收缩段、陡槽段及挑流鼻坎组成。溢洪道陡坡段和挑流鼻坎段段冲沟两岸坡有卸荷崩塌现象发育，且开挖边坡较高，在施工时为保证边坡稳定，开挖后设计采用预应力锚索进行支护。

预应力锚索是通过锚固在坡体深部稳定岩体上的锚索将力传给抗滑桩，再经抗滑桩对不稳定坡体施加一个预应力，将不稳定松散岩体挤压，使岩体间的正压力和摩阻力大大提高，增大抗滑力，不稳定坡体的发育，从而起到了加固边坡稳定坡体的作用。锚索孔内高压注浆，使浆液填充了锚孔周围坡体内裂隙，提高了坡体的整体稳定性。

二、施工技术及工艺要求

2.1 材料及设备选用

2.1.1 锚索、锚具

锚索、锚具采用广西柳州东方预应力股份有限公司和OYM系列产品，1000KN级锚索由7×7φ5高强钢绞线组成，单根钢绞线强度为1860Mpa；锚具采用OYMl5-7型。

锚索采用国产钢绞线制备，主要指标见下表1：

2.1.2 张拉设备

电动油泵：ZB4-500型。

张拉千斤顶：预张拉：YDC240Q-200型千斤顶

整体张拉：LYCW-150型

2.1.3 钻孔设备

宣化QZJ-100型潜孔钻，冲击器直径115mm。

2.1.4 灌浆设备

采用SGB-6-10型灌浆机，注浆压力为0.25Mpa。

2.2 施工方法

2.2.1 预应力锚索施工程序

2.2.2 施工准备

在已进行临时支护的边坡上，根据锚索设计高程，采用1.5″钢管人工搭设脚手架及施工作业平台，要求脚手架必须安全牢靠、稳固，工作平台宽度不小于2.0m。

2.2.3 造孔

1)造孔、定位：

从施工区附近采用全站仪定位，并用红油漆标明，按设计孔口位置，在脚手架平台上安装专用钢管、将钻机移到专用钢管上，采用地质罗盘仪进行方位角与倾角定位。设计锚索倾角为0度或下倾10度，深30-40m，由于钻孔深度较深，受钻头和钻孔自重的影响，钻进过程中钻头有一定的下沉，开孔时把倾角调7～8度范围，固定钻机后复测一次，达到设计要求后，接上风管，即可开钻。钻进过程中，应分段用地质罗盘仪或测斜仪进行测斜，及时纠偏(注意：因钻机及脚手架均为铁质，用地质罗盘仪定向时，应采用木尺导引方向施测，尽量避免外界

因素的干扰)。钻孔深度按照超设计孔深0.2m进行施钻。钻孔孔径、孔深均不得小于设计值，钻孔倾角、方位角应符合设计要求。其允许误差如下：

开孔偏差不得大于10cm；

孔斜误差不得大于3％；

超经不得大于孔径的3％。

2)地质缺陷处理

钻孔过程中，若遇断层孔段，岩石很破碎，钻进很快，且不回风，出现长钻等现象，应退出钻头、钻杆后，进行固结灌浆处理，灌浆时采用孔口封堵。全孔灌浆压力0.1～0.3Mpa，浆液浓度0.6：1，水泥标号不低于425#，灌浆结束后1～3天内，进行重钻扫孔成孔。对于断层可能出现在设计内锚段的，扫孔时应征询设计意见增加孔深。

3)洗孔

钻孔完毕后，对钻进情况正常的一般孔选用高压风将石碴、粉尘吹出，用破布或木头堵塞孔口，防止杂物进入孔内。对钻进过程中出现不回风、堵孔、卡钻等情况的异常孔，则采用高压风将孔内石碴、粉尘吹出，反复数次，然后进行探孔，若探孔至正常孔深而无异常现象发生时，可进行下道工序，否则该孔需进行回填固结处理后，再重钻扫孔成孔。

4)造孔过程中的注意事项

①严格校验开孔时钻具的倾角和方位角，除经设计同意，不得对设计倾角作修改。

②宜优先采用轻型潜孔钻钻进。钻孔过程中应进行分段测斜及时纠偏，钻孔完毕再进行一次全孔测斜。

③钻孔过程中若遇塌孔等地质缺陷，造成钻孔困难时，应先进行钻孔固结灌浆后钻进。在设计孔终孔深度处，仍为地质缺陷部位时，应按监理工程师的指示进行钻孔加深。

④钻孔完毕后，穿索前应用高压风将钻孔吹干净。钻孔完毕验收合格后，应做好孔口保护。

2.2.4. 锚索制作

1)钢绞线下料

将采购的整圈钢绞线用1.5″钢管搭井字框，将整圈钢绞线内圈固定，使其站立；在下料长度范围内搭设工作台，按设计长度丈量尺寸后，采用砂轮切割机切割钢绞线下料；切口整齐无散头现象。下料长度应考虑到砼垫墩厚度、千斤顶长度、工具锚和工作锚的厚度要求，适当保留余度。

2)编索制束

将下好料的钢线及各种进、回浆管平行堆放于工作平台上，对不同的进、回浆管及钢绞线在进口段进行编号并用不同颜色区别，然后按设计内锚段长度12m位置安装止浆环及各种进、回浆管，保证管道畅通及耐压要求(管路系统耐压值不低于设计灌浆压力的1-5倍)，对耐压值不够或不通畅者要更换。管道安装检查完后管口临时封闭，并挂牌编号。止浆环内用还氧剂封填密实，逐根检查锈蚀情况，有锈蚀的要全部清除，用汽油逐根清洗，用干净棉纱擦干，保证钢丝上无油膜存在，以确保钢绞线与水泥浆胶结体之间有牢固粘结力。

在内锚段范围内，每间隔1m安装一个对中支架，两个对中支架之间绑扎一道无锌铅丝，以使其成枣核状。张拉段每两米装一个对中支架，并绑扎无锌铅丝，绑扎时保证钢绞线与进、回浆管平行，不得有交叉现象，最后在锚索端头套上导向帽。

锚索制作完毕后应妥善存放，并登记、挂牌、标明锚索编号、长度等。存放点要求防潮、防水、防锈、防污染。

2.2.5 锚索安装

采用人工辅以机械进行安装。下索前先校对锚索编号与孔口编号是否相符；用探头检查一次合格的孔，将编制好的锚索人工运至孔口，并将其送人孔内，必要时辅以手动葫芦配合，锚索安装时曲率半径不得小于3m，以防损坏锚索结构。在穿索过程中，损坏锚索结构的应予更换；应保证止浆、进浆、回浆和充气等设备的完好。

2.2.6 锚索灌浆

1)锚索灌浆包括内锚段灌浆和张拉段封孔灌浆。

2)内锚段灌浆采用止浆环或止浆包，孔口进浆、孔口排气回浆的方式进行施工，内锚段在锚索入孔后即进行，张拉段在锚索张拉锁定后进行。内锚段充气时，止浆环的充气压力不低于2－3，5kg／cm2。当岩层较破碎，止浆环有以下几种原因无法施工时，采用止浆包止浆。

①止浆环充气压力注浆压力小，浆液直接回进张拉段。

②吹孔过程中孔内形成较大空腔，止浆环起不到止浆作用。

③孔内岩层较差，浆液绕过止浆环进入张拉段。

④止浆环相对较短，在止浆环采用孔壁的地方形成管通，孔壁被破坏。

止浆包的长度可根据钻孔情况选用，一般50～120m。

3)灌浆采用水泥浓灌注，水泥浆标号为内锚段350#(7d)张拉段350#(28d)，灌浆水泥采用525#普通硅酸盐水泥，灌浆液配比及外掺剂可由生产性试验确定，并报设计单位同意和监理工程师批准后方可采用。通过室内配比试验确定浆液配比为：

2.2.7 外锚头垫座砼浇筑

在砼浇筑前先清理岩面，使其表面清洁且无松动块，然后安装孔口管与钢垫板，按设计要求绑扎钢筋、架立模板，在内锚段灌浆后进行砼浇筑。

钢垫板是直接将锚具的集中荷载均匀地传递到砼垫座上的重要构件，故钢垫板的安装需牢固、准确，同时为保证锚垫板与锚孔轴线垂直，施工前将孔口管一端与锚垫板正交焊接，另一端插入孔对中，并按设计要求预埋灌浆管和排气管及其它埋件。

砼配比按室内试验结果选定配比执行，与内锚段浆液材料配套，采用R28、50Mpa砼，其配合比见下表：

外锚墩砼均由人工现场搅拌制备，皮桶传运入仓，插入式振捣密实。

2.2.8 锚索张拉锚固

1)锚索张拉准备

为保证张拉控制力的准确性，在张拉作业前需对使用的张拉设备系统(包括千斤顶、油泵、压力表等)进行“油压值——张拉力”的严格率定，并报监理工程师批准后方可使用。

在内锚段灌浆垫座砼达到设计强度后，将夹片、锚具及绞线被夹持部位清理干净，然后安装锚具、千斤顶即可进行张拉。为便于卸下工具锚，工具夹片可涂少量润滑剂，工具锚板上孔的排列位置必须与前端工具锚的孔位一致，不允许在千斤顶的穿心孔中发生钢绞交叉的现象。

2)锚索张拉操作

张拉采用限位张拉自行锚固的方式施工。先安装测力计，再安装锚板、夹片、限位板、千斤顶及工具锚，最后锚索张拉锚固。在张拉时，先采用穿心式小千斤顶(YDC240Q-200)进行单根锚索预张紧，使锚索各根受力均匀。然后换大千斤顶(YCW-150)，再将7根钢绞线一起分级张拉至超张拉荷载时锁定，1000KN级锚索张拉按下列分级进行，并及时进行准确的记录。

预紧(单根)30KN-500KN-750KN-1000KN-1150KN

张拉过程中，当达到每一级的控制张拉力后稳定5min即可进行下一级张拉，达到最后一级张拉力后稳定10min即可锁定。整个张拉过程中，千斤顶升荷速度控制在每分钟不超过控制张拉力的70％。按水工预应力锚固施工规范规定，采用应力控制及伸长位校核操作方法，当实际伸长值大于计算伸长值10％或小于5％时，应暂停张拉，查明原因采取措施予以调整后，方可继续张拉，施工时以压力表读数为准采用伸长值校核。

用公式：

△L=P／A×L／E计算伸长值

P——张拉力(KN)

A——绞线截面积(mm2)

E——钢绞线弹性模量；

L——钢绞线受力长度，为自由段、外墩头和千斤顶长之和。

钢索张拉时，应及时准确记录油压表的编号、读数；千斤顶的伸长值；夹片的外露长度等。

2.2.9 锚索锚头保护：锚索张拉灌浆完毕后，从锚具外端量起50mm钢绞线，将其余部分用砂轮切割机截去。按设计尺寸立模，伴与垫墩同标号的砼保护。

2.2.10 验收试验：验收试验锚索数量不少于工程锚索总数的5％，且不得少于3根，验收试验锚索孔位由业主、监理和设计代表根据普遍性和代表性原则进行随机抽样。

验收试验应分级加荷，起始荷载宜为设计荷载的30％，分级加荷值分别为设计荷载的0.5、0.75、1.0、1.2、1.33和1.5倍，最大试验荷载不能大于锚索承载力标准值的0.8倍。

验收试验中，当荷载每增加一级，均应持荷稳定10分钟，并记录位移数。最后一级试验荷载维持15分钟。

锚索验收合格应具备以下两个条件：验收试验中，从50％设计荷载到最大试验荷载之间所测得的总位移量，应当超过该荷载范围内锚索自由段长度的预应力筋理论弹性伸长量的80％，且小于自由段与1／2锚固段长度之和的预应力筋理论弹性伸长值；在最后一级荷载作用下的位移观测期内，锚头位移稳定，即位移不超过1mm，或2小时蠕变量不大于2mm。

2.3 施工注意事项

应认真做好各项工程施工组织计划，充分考虑当地季节性气候对施工工艺的影响，尽量避免安排在雨季施工。开挖及支挡工程施工前做好地表排水系统。必须采取随挖随支护的施工方法，严禁一次开挖到底，高边坡施工应边挖边加固，即开应开挖一级，支护一级。然后再挖下一级。对于坡率陡于1：0.5的边坡，应先按缓于1：0.75坡率开挖，再跳槽开挖至设计坡率并支挡。同时也要避免开挖暴露时间过长，使边坡松驰范围变大，造成新病害。边坡挖施工要保证坡面平整顺直，以利支挡及防护工程施工。边坡开挖中，如有地下水出露，应将地下水排出引入排水系统，不可堵死。

锚索施工前，必须选择具有代表性的工点做极限抗拔试验，根据试验结果调整锚固长度，必要时调整钻孔直径。若现场开挖后实际与设计不符时，应立即通知设计单位，根据实际情况，做动态变更设计。

结束语

随着社会基础设施建设的力度不断加大，尤其在道路设计施工方面，设计标准不断提高，高边坡防护工程越来越多，为了维持边坡的稳定，提高防护技术的技术含量，避免施工过程中边坡失稳破坏，造成重大损失，甚至于留下后患，影响边坡的长期稳定和运营安全，预应力锚索施工技术可以值得推广应用，预应力锚索技术将有着更加广阔的发展前景。

参考文献：

[1]《水电水利工程预应力锚索施工规范》DL/T5083-2004.

[2]《水利枢纽工程质量标准及监控》中国水利水电出版社.

[3]《水利水电工程施工组织设指南》中国水利水电出版社.