预应力锚索在山体危岩加固中的应用
2009-12-10邹超王养社
邹 超 王养社
摘要：在山体自然坡度较大的山区修建高速公路、铁路及水库大坝时，为了减少对山体的扰动，经常采用预应力锚索对新建工程范围内的山体危岩进行加固，这种处理方法具有投入少、便于环保、可操作性强等优点。但施工时必须充分理解设计意图，详细勘察好待加固的山体危岩，根据具体情况调整好施工参数，确保锚索体系受力合理。
关键词：预应力锚索；危岩加固；应用
中图分类号：TU476文献标识码：A文章编号：1000-8136(2009)29-0012-03
中国地形含盖了平原、山区及高原等多种地形，随着改革开放的不断深入，基础设施的建设掀起了新一轮高潮。在山体自然坡度较大的山区修建高速公路、铁路及水库大坝时，为了减少对山体的扰动，经常采用预应力锚索对新建工程范围内的山体危岩进行加固。这种处理方法具确投入少、便于环保、可操作性强等优点。
1理解设计意图认真调查、精心布置锚索孔位
很多关于山体危岩加固的工程，由于地形复杂、围岩类别多样等诸多不确定因素，设计院在做设计时一般只给一些大体的标准和粗略的范围。如2005年-2008年修建宜万铁路时，设计院对采用预应力锚索进行危岩加固时只是说锚索间距为4m×4m、锚索长度为21.5m、单孔内钢绞线根数为6根、加固范围为桥梁两侧30m内的山体危岩。这与其他的一些设计相比，可以说是很粗略的。在施工时必须理解设计意图，对桥位处的山体危岩进行认真调查，详细确定好真正需要加固的范围，同时精心布置好锚索孔位，尽量保证锚索与危岩面垂直。
2做好详细的成孔记录。为后续的施工参数提供科学依据
预应力锚索主要由锚固端、自由端、锚垫板及锚墩4部分组成，这其中的锚固端与自由端长度均需根据山体危岩的性质及强度来具体确定。而设计院在前期设计时很难准确地判断危岩的岩性及强度，为此，在锚索施工成孔时必须做好详细的记录，为后续的施工参数确定提供科学依据。
2.1工艺流程
见图1。
2.2成孔及记录
按照技术交底要求搭设好钢管脚手架后，利用钢尺依照设计图纸要求画出锚孔中心，然后从低到高施做锚索孔。根据岩石类别可以选择风钻成孔和水钻成孔两种形式。若为均匀的硬质岩，则需选择风钻成孔，有利于加快施工进度；若为夹杂土层的岩石，则需选择水钻成孔，通过泥浆护壁，有利于保证安全和质量。同时做好成孔记录，要详细记好钻进速度、钻孔碴样的状态、有无坍孔或卡钻情况等重要信息。
3.3锚固端长度确定
根据成孔记录所判断的岩性及强度来确定锚固端长度，一般预应力锚固端长度设计为锚索总长度的60％～80％，如果岩性好强度高则锚固端长度可以适当放小一些，按60％考虑；反之锚固端长度要求大一些，按80％考虑。下面以21m长的锚索为例，对锚固长度进行验算。
2.3.1锚固端黏结强度复核
由于岩性及强度属于一般，当锚固长度为15m时(占锚所总长度的71％)，黏结强度计算如下：
P1(Lm×d3×tu/Fs2式中：Lsa：锚固段长度，取15m；
d3：钢绞线外表直径，取0.01524m；
tu：钢绞线与水泥砂浆的极限黏结力，按砂浆标准抗压强度的10％取，则有35×0.1=3.5 MPa；
Fs2：锚固体拉拔安全系数。永久性锚固取Fs2≥2.5则有：P1(Ls2×π×d3×tu)÷FS2
=15×3.14×0.01 524×3.5×106÷2.5×10-3
=1005.4 kN>182.6kN
结论：锚固端黏结强度满足张拉要求。
2.3.2锚固体与孔壁的抗剪强度复核
P=(La×π×dh×t)÷Fsa式中：La：锚固段长度，取15m。
dh：钻孔直径，取0.13m。
t：锚孔壁与水泥砂浆的极限抗剪应力，取0.8 MPa(按泥岩0.6MPa～1.2 MPa选取。)P=(Lm×π×dht)／F2
=(15×3.14×0.13×0.8)÷2.5×106×10-3
=1960.4 kN>锚下控制拉力F1=1093.8kN
结论：锚固体与孔壁的抗剪强度满足张拉要求，锚固长度选择15m能满足要求。
2.4锚索制作
(1)钢绞线的下料长度应通过计算确定，计算时应考虑锚墩厚度、锚夹厚度、千斤顶长度、冷拉伸长值、弹性回缩值、张拉伸长值和外露长度等因素。
(2)钢绞线下料时应做好放线架。将成卷钢绞线置于放线加上并固定，避免钢绞线放线散盘。应从内侧圈轴头放线，牵出后星弹簧，螺旋方向与钢绞线的捻向一致，钢绞线会自动弹直，否则会形成大麻乱线。
(3)一端张拉钢绞线的下料长度为：L=L0+a=22.2m(L0为锚垫板之间的距离，a为穿心式千斤顶工作长度)钢绞线放至Lm时，先在割口两端各5cm处用绑扎丝绑扎，再用砂轮切割机进行切割，严禁氧割和焊接。
(4)考虑到锚索安装方便，要求孔道内径应比预应力钢束外径至少大2cm，为了保证锚索受力均匀，要求锚索制作时每隔1.5m安装一个支撑架，使锚索在锚孔中位置居中。
2.5锚索注浆
2.5.1机具及水泥浆制作
机具选用ZYB-70-100D型注浆泵，水泥浆制作：采用搅拌桶搅拌水泥浆液。
2.5.2注浆时注意事项
为防止浆液从其他孔眼溢出，注浆前对其他孔眼安装止浆塞进行堵塞，注浆顺序从低处向高处注浆，使浆液能充分渗透岩体；由于岩体孔隙不均匀，考虑注浆后锚索张拉，同时要达到固结破碎松散岩体的目的，保证山体危岩体的稳定，形成有一定强度及密实度的壳体，特别是确保锚墩附近及锚孔内的注浆密实度和承载力，注浆时相邻孔眼需间隔开，不能连续注浆，以确保固结效果。又能达到控制注浆量的目的。
2.5.3注浆施工
注浆机将液浆注入锚孔内，初压0.5MPa～09MPa,终压1.0MPa，持压10min后停止注浆。若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，直至符合注浆质量标准，确保锚孔周围岩
体与锚孔内均为浆液充填，方可终止注浆。
2.5.4注浆压力及注浆量控制
注浆压力是影响注浆效果的关键因素，施工中必须认真对待。常规条件下，注浆压力主要与涌水压力(静水压力及动水压力)、裂隙大小和粗糙程度、浆液的性质和浓度、要求的扩散半径等有关，可按岩层裂隙与注浆压力关系或涌水压力与注浆压力关系确定，具体见注浆压力与岩层裂隙的关系，见图2。
2.6锚索张拉
考虑到山体危岩的差异性，正式张拉前，在每个危岩加固区都要进行试验，先按设计张拉力的80％来控制，观察危岩的受力情况、钢绞线伸长量情况、锚墩变形情况等，如果一切情况正常再将张拉力增加到设计张拉力的90％直到达到100％的设计张拉力，如果发现情况异常应调整设计张拉力，作为该区的其他锚索的张拉力，确保锚索系统有一定的应力储备，防止破坏锚索系统。现就宜万铁路驷步河大桥危岩加固时预应力锚索张拉举例如下：
2.6.1情况说明该区预应力锚索设计强度级别为l 860MPa预应力钢绞线，其公称直径φ15.24mm,采用与其配套的VMl5-X锚具。锚孔直径为130mm,锚固端注M35水泥砂浆，锚墩为C30钢筋混凝土，每孔安装6根钢绞线，锚索长度21.5m，其中锚固端长度为15m，自由端为6.5m；施工时锚孔直径为130mm，锚垫板尺寸0.25×0.25m2，在锚固端注浆时，由于垂直裂隙的存在，将会出现漏浆情况。采取2次补压浆，可能在锚固端注浆中形成气泡或不密实现象。
2.6.2配套千斤顶及油标、回归方程的复核标定给出回归方程为：Y=0.034 X+0.0879复核回归方程为：Y=0.03404 X，0.09144相关系数：γ=0.99998。
2.6.3张拉程序确定及张拉的计算
按设计张拉应力时Pat≤0.7Pu=0.7×1860=1302MPa作为控制应力。第一次由0→15％Pat(195.3MPa)作为预紧初应力50％Pat(651MPa)分级应力→80％Pat(1041.6MPa)第—次锚固应力。第一次张拉3d后再进行第二次张拉0→80％Pat(1041.6MPa)→90％Pat(1171.8MPa)→100％pat(1302MPa)控制锚固张拉应力。
3可能遇到的难题与质量保证措施
3.1预应力锚索施工常见难题
(1)成孔时出现卡钻或局部坍孔，由于山体危岩的不均匀性，在锚索成孔时碰到较大裂隙或夹层时都容易造成卡钻或局部坍孔，发现坍孔时应立即停止钻进，进行坍孔处压浆处理，然后继续钻进，必要时局部下套管通过。
(2)偏孔，由于导向架间隙过大，当遇到围岩出现软弱不均时常常会发生偏孔，可以通过调整导向架的间隙，同时减小推力降低掘进速度，可以有效地防止偏孔。
(3)注浆量过大，孔内无法注满，由于山体危岩裂隙发育，且出现裂隙延伸到山体表面，当锚索注浆时出现浆体外流而孔内无法注满的现象时，应采取浆液中增加速凝剂的办法，同时把连续注浆改成间断注浆。
3.2质量保证措施
(1)充分理解设计意图，仔细勘察待加固的山体危岩，加强与设计院的沟通，做好锚索的布孔工作。
(2)安排专人对锚索钻孔进行全程跟踪记录，及时调整好下一步的施工参数，确保锚索系统受力科学合理。
(3)锚索支撑架应固定牢固，间距满足要求，确保锚索在锚孔中居中。
(4)做好锚索自由段的套管与防漏浆工作，锚索自由段一般采用柔性较好的塑料管进行防护，在自由段与锚固段交接处进行防漏浆处理。
(5)做好张拉记录，严格按照设计要求进行分次张拉，前后两次张拉时间间隔必须满足设计要求，做好伸长量的复核计算工作，发现异常时立即停止张拉并查明原因，采取正确的处理措施。
4结束语
由于驷步河大桥地形地势的特殊性，宜万铁路驷步河大桥、梯子岩隧道洞门出口均采用了预应力锚索对危岩进行了加固处理。保持了垂直高度达28m的高边坡稳定，克服了山体自然坡度70。的运输困难，避免了场地狭小的矛盾，很好地保护了自然环境，为驷步河大桥主体工程开工赢得了时间。节约投资达120万元，是一种科学经济的危岩处理方法。
