预应力锚索框架梁施工技术_郭光宇

预应力锚索框架梁施工技术

郭光宇

(中铁十二局集团建筑安装工程公司　太原市　030024)

摘　要:预应力锚索技术是一种土体加固新技术,在高路堑边坡加固工程中得到越来越广泛的应用。结合新河高速公路第五合同段K102+120～K102+230段地质情况,介绍了预应力锚索框架梁施工技术,分析了预应力锚索框架梁施工工艺及其注意事项,指出预应力锚索框架梁施工技术已成为边坡防护的主要工程措施之一。

关键词:高路堑;加固;预应力锚索框架梁;施工工艺

　　预应力锚索框架梁加固技术是一种土体加固技术,目前在高路堑边坡加固,特别是在既有公路边坡整治工程中得到越来越广泛的应用。预应力锚索加固技术,施工简便,随边坡开挖逐次分段实施作业,自上而下分层施工,不占或少占单独作业时间,施工效率高。这一点对顺层边坡尤其重要,对边坡的保护也非常有利。尤其是施工场地狭小、放坡困难或大型施工机械不能进场时,该技术更能显示其优越性。预应力锚索框架梁技术在我国已处于相对成熟阶段,在铁路、公路的高路堑边坡加固工程中,以其稳定性好、基本不需养护等良好的技术及经济效果,得到越来越广泛的应用。本文结合新河高速公路第五合同段K102+120～K102+230段地质情况,将预应力

收稿日期:2007-11-19

锚索框架梁施工技术做简要介绍。1　工程概况

1.1　地形、地貌

本路段位于云南省东南部,属云贵高原南缘、横断山系纵断谷区南段哀牢山脉的大围山区,地貌类型为构造侵蚀中～深切河谷地貌。沿线山坡自然坡度为30°～35°,线路右侧为冲沟,自然坡较陡。坡面植被大部分为橡胶林。1.2　地层岩性及地质构造

出露地层为第四系松散层,下伏强风化片麻岩。松散层为综红、褐红色粘土,局部夹粉土等,厚约1～3m。下伏片麻岩,矿物成分以石英、长石为主,云母

　　仰斜式挡土墙的墙背坡一般不超过1∶0.3,具

体结合开挖的临时边坡选取。

俯斜式挡土墙的墙背坡一般取1∶0.2,随着墙高增加,墙顶宽度相应增大。

对于衡重式路肩挡土墙,当墙高≤8m时,上墙背坡取1∶0.25,下墙背坡取1∶0.25;墙高>8m且≤10m时,上墙背坡取1∶0.3,下墙背坡取1∶0.25。若为路堤墙,则上墙背坡应相应加大。7.5　设计控制重点

对于俯斜式挡土墙,由于所受土压力较大,所以设计时应注意其稳定和抗倾覆的验算。对于衡重式挡土墙,一般较容易满足稳定要求,但墙身断面的强度成为挡土墙设计中主要的控制指标,所以一定要采用高强度的材料砌筑。8　结语

公路挡土墙是路基防护工程的重要组成部分。在山区公路中,挡土墙的应用更为广泛。挡土墙设计时,应进行详细调查、勘测,确定构造物的形式与尺寸,运用合适的理论计算土压力,并进行稳定性和截面强度方面的验算,采取合理、可行的措施,以保证挡土墙的安全性。参考文献:

[1]　杨文渊,钱绍武.道路施工工程师手册(第二版)[M].

北京:人民交通出版社,2003.

[2]　周水兴,等.路桥施工计算手册[M].北京:人民交通

出版社,2001.

公　　路　　　　　　　　　　　　　　　　2008年　第2期　　—158　　　　　　　　　　　　　　　　　　　—

次之,为斑粒状变晶结构物,片麻状构造。岩石风化强烈,呈碎石、粉粘粒状。

根据地质勘探资料和区域地质资料,阿龙古～坝洒断裂由路线右半幅通过,其走向大致与路线平

行,但非活动断裂。1.3　水文地质条件

段内含有块状岩类风化带网状裂隙水,第四系松散层内微弱含有孔隙潜水,裂隙水、孔隙潜水的补给源为大气降水及段外基岩地下水。1.4　具体设计

新河高速公路第五合同段K102+120～K102+230段为左右分离式路基,左侧边坡长度为110m,挖方高度为64m。该段场地狭窄,边坡陡峭。边坡设置有6级平台,第1级边坡坡率为1∶0.5,第2、3级边坡坡率为1∶0.75,第4～6级边坡坡率为1∶1。第1～4级边坡采用锚索框架梁防护,设计边坡计有280孔锚索,单孔长25～30m,锚索总长8042m。每孔锚索均采用6束<15.24mm高强度、低松弛钢绞线,间距为4.0m。锚索为二次劈裂注浆,钻孔采用干钻,成孔直径为130mm,深度为26～30m,30号纯水泥浆灌注。框架梁采用现浇C30混凝土。框架梁截面尺寸为40cm×40cm,嵌入坡面35cm,节点设锚索处加厚20cm。

每孔锚索均为6根<15.24mm高强度、低松弛钢绞线制作,每根钢绞线的标准强度为1860MPa。

钢绞线使用前需清污除锈。锚固段采用一系列的紧箍环和隔离架使之成为波纹状(紧箍环共9个,隔离架共8个),设计长10m。在锚固段内的高压注浆管上梅花形布置孔眼,孔径为6mm,间距为20～30cm,

包裹橡胶薄膜。自由段需涂防腐剂,外套<22mm聚乙烯塑料管。用孔底注浆法注浆,第一次注浆完毕,水泥浆凝固收缩前应及时进行二次劈裂注浆。紧固头由斜托、钢垫板和锚具组成。斜托由C30混凝土制作,并在距其顶面5cm处加一层<8mm的钢筋网。斜托顶面与钻孔轴线必须垂直,确保锚索张拉时千斤顶的张拉力与锚索在同一轴线上。锚索张拉必须等锚孔注浆达到设计强度的70%后方可进行。张拉应分3次逐级张拉,第一次张拉力为总张拉力的33%,两次张拉间隔时间不宜小于3d。锚索张拉锁定后,锚头部分涂上防腐剂后,用C30混凝土封闭。锚索结构如图1、图2所示。

图1　锚头断面

图2　锚索结构细部示意

1.5　施工机具

风动潜孔锤冲击钻机4台,12m空压机2台,气

腿凿岩机6台,9m3空压机2台,UB3C型灰浆泵4台,YCN25-200穿心式千斤顶2台,DQM15-4型锚具280套,电焊、氧气、张拉设备各2套。3

2　预应力锚索框架梁施工工艺

2.1　预应力锚索设计原理

预应力锚索是通过对锚索体的张拉,在边坡体上施加应力,使之在可能的滑动面上产生正压力和切向抗力,借此平衡顺层下滑力,以提高软弱结构面　2008年　第2期　　　　　　　　　　　　郭光宇:预应力锚索框架梁施工技术上的物理力学性能。岩体坡面以框架梁与锚索连成整体。框架梁的设计原理与路堑边坡框架梁的原理基本相同,即将固定框架梁的锚杆嵌入边坡体,从而使加固边坡形成嵌固效应。

2.2　预应力锚索框架梁工艺流程

预应力锚固是一项工序复杂、制约因素较多、难以补救的隐蔽工程,每道工序的质量好坏都将直接影响最终的锚固效果,因此就有必要建立健全质量保证体系,使得每一道工序施工均在受控状态下。预应力锚索的锚孔根据设计要求采用无水干钻成孔,以确保锚索施工不至于恶化边坡岩体的工程地质条件,并保证孔壁的粘结性能。工艺流程见图3。

—159—

要求的锚孔是预应力锚索技术的关键之一,也是锚索施工中控制工期的关键工序。首先,选择机具是关键。根据地层的类型、钻孔(直孔)、施工方案(干作业),选择冲击钻机或潜孔钻机。其次,锚孔钻进宜采用无水干钻,以确保锚索施工不至于恶化边坡岩体的工程地质条件,并保证孔壁的粘结性能。第三,钻进过程应对每个孔的地层变化、钻进状态(钻压、钻速)、地下水及一些特殊情况作现场记录。

对以下一些特殊问题要做特殊处理。

¹渗水处理。在钻孔过程中或钻孔结束后吹孔时,从孔中吹出来的都是一些小石粒或黄色粒而无粉尘,说明孔内有渗水,岩粉多粘于孔壁。这时若孔深已够,则注入清水,以高压风吹净,直至吹出来清水;若孔深尚浅,虽冲击器工作仍有进尺,也必须停钻,拔出钻具,清孔后再继续钻进,如此循环,直至结束,否则易产生卡钻。

º塌孔与卡钻处理。解决此问题主要采取跟套管的钻进技术。由于双管同步推进,钻具外有保护管,可以有效地防止因孔壁坍塌而造成的卡钻事故。由于双管钻进,高压风以正循环的方式从内管进入,由内管外管之间的环行空间排出,大大减少了沿地层裂隙“跑风”的现象。加上反向排风清孔器,可完全清除孔内滞留的岩渣,确保锚固段孔壁干净清洁,孔内不滞留岩渣。

»钻孔完成后,必须使用高压风将孔中岩粉及水全部清除出孔外,以免降低水泥浆与孔壁岩体的粘结强度。

图3　预应力锚索框架梁工艺流程

(2)锚索制作安装。该工程锚索材料选用高强度、低松弛预应力钢绞线,一根锚索由6根<15.24mm钢绞线组成,每根钢绞线的标准强度不小于1860MPa。每根锚索设计荷载为900kN(可根据张拉试验结果验证并调整锚索设计的总张拉力,以框架梁不塌陷变形为宜,但最小值不得小于600kN)。钢铰线使用前做好清污除锈工作。锚固段采用紧箍环和隔离架使之成为波纹状,设计长度为10m。在锚固段内的高压注浆管上梅花形布置孔眼,孔径为6mm,间距为20～30cm,并包裹橡胶薄膜。自由段需涂防腐剂,外套<22mm聚乙烯塑料管隔离防护。张拉段长1.5m,需做防腐处理。锚索编排时要确保每根钢绞线都顺直排放不缠绕,锚固段架线环与紧箍环每隔1.25m间隔交替设置。自由段每隔1m设置一处定中件,以保证钢绞线顺直、居中,保证锚索周边有一定的保护层厚度。锚索入孔时,可在锚索头部加开孔导向2.3　施工工艺及注意事项

(1)锚索孔的钻凿。根据设计要求的里程、标高定出孔位,钻机就位后重新复核孔位,要求水平方向

孔距误差不大于20mm,垂直方向孔距误差不大于10mm。同时,用罗盘定出钻孔倾斜角度,在本工程中倾角A=20°。钻孔采用风动潜孔锤冲击钻进,不能采用水钻。所钻锚孔保持孔内清洁,孔壁无污物,以确保水泥浆体与岩体的粘结强度。钻孔深度为:

L=LS-Lz+Ld

式中:LS为锚索设计长度;Lz为预留张拉段长度,取为1.5m;Ld为导向锥及预留沉渣段长度,取为1.0m。

钻孔深度不得小于L值,超深后超长值也不宜大于L值的1%。

钻孔应采用风动施工法,有效高速地钻凿满足公　　路　　　　　　　　　　　　　　　　2008年　第2期　　—160　　　　　　　　　　　　　　　　　　　—

头。安放到位后在孔中设置注浆塞,预埋注浆排气孔。

(3)静压注浆。静压注浆采用排气注浆法施工。如果是下倾的孔,则将注浆管插至孔底,水泥浆由孔

底注入,空气由锚索孔排出;如果是上倾和水平孔,则砂浆由孔口注入,空气压向孔底,由孔底进入排气管排出孔外。

锚索孔注浆过程中,当排气管不再排气,且有稀水泥浆从锚索孔压出时,说明注浆已满。

静压注浆采用注浆机,注浆压力保持在0.3～0.6MPa之间。

(4)二次劈裂注浆。静压注浆结束8～12h后,浆体产生初凝前进行二次劈裂注浆。有些情况下可能在20h后再劈裂注浆,视施工时气温及地层地质情况而确定。

二次高压注浆管不易置于孔底。一般情况下,开始高压注浆时,大约经过1min,压力读数就会上升到4.5～7.0MPa,此时静压注浆的浆体就被劈开。此后,压力读数急剧下降,然后慢慢上升。土体被挤密后,压力读数就会出现第二个峰值。第二个峰值的压力控制量和压力控制时间,要根据岩体性质和现场注浆试验确定。为防止岩体过度劈裂和减少注浆量,出现第二个峰值后,可以将压力控制时间限制在1～2min之间。注浆量统计表见表1。

表1

锚索长度/m

25.5

26.5

27.5

28.5

29.5

30.5

31.5

(6)张拉与锁定。对预应力锚索的张拉要求,也不能等同于预应力混凝土施工。锚固段注浆和外锚墩浇注养护达到设计强度的70%(一般为15～20d)后,方可进行预应力张拉锚固。为避免相邻锚索张拉的应力损失,可采用“跳张法”,即隔一拉一的方法。当采用“跳张法”时,超张拉力宜为设计张拉力值的1.1倍,以确保前期预应力值。第1次张拉分3级张拉(分别为预应力的10%、20%、70%),前2级稳定时间为3～5min,第3级为20～30min。第1次张拉6～10d后进行第二次张拉。锚索张拉采用穿心式千斤顶,必须待孔内水泥浆及钢筋混凝土框架梁的强度分别达到22MPa后方可进行锚索预张拉。采用XM15-6型锁定锚具锁定后,若发现有明显预应力损失时,应进行补偿张拉。

(7)锚索防护。锚索张拉锁定后,即可通过预埋在锚墩内的二次注浆管对自由段进行注浆防护。注浆材料采用水灰比为0.5～0.6的纯水泥浆,注浆压力≥0.8MPa,待有浆液从排气管内溢出,即可缓缓减小压力停止注浆。张拉锁定后的端头钢绞线长度预留15cm以上,将多余部分割掉,然后将钢绞线散开打弯,埋于C30细石混凝土内,进行封锚。坡面输干孔采用12m深的<13cm钻孔,内套<10cm打孔PVC管。PVC管外侧和底部包裹一层滤水土工布,孔口部30cm采用30号水泥砂浆固定于钻孔孔壁,再接<10cmPVC管将水引入排水沟。3　质量控制

(1)锚位点放线,各方向允许误差均为±1cm。(2)脚手架的搭设必须稳定,对紧固件的紧固必须有人复核。

(3)按设计孔口坐标在脚手架上安装钻机专用钢管,将钻机放在专用钢管上,用经纬仪按边坡方向放出基线,然后用方向架放出锚索方位角,测角仪调整倾角,到满足设计要求时为止。将紧固件紧牢后,再核查一遍钻机孔位坐标、方位及倾角,确认无误后,将所有紧固件再紧一遍使其误差不超过:倾角为±0.5°,方位角为±1°。

(4)锚索孔径允许误差为±2cm。

(5)若遇坍孔,应立即停钻,进行固壁注浆处理。注浆24h后,重新扫孔钻进。

(6)洗孔要干净彻底,孔中不得留有岩粉和水。(7)锚索的编制要确保每一根钢绞线始终均匀排列,平直、不扭不叉,锈、油污要除净,有死弯、机械第一次注浆/m30.9360.9801.0141.0531.0921.1311.170第二次注浆/m34.71

4.91

5.11

5.30

5.48

5.69

5.89

(5)框架梁、锚墩、紧固头施工。框架梁施工与一

般钢筋混凝土施工工序大致相同。框架梁施工前应整平坡面,使之平整、顺适,以保证框架梁充分发挥作用。施工时应根据实际情况调整平台附近框架梁长度,使锚索、锚杆框架梁单元处于每级边坡中央。沉降缝与伸缩缝在一起,间距为20m,缝宽为2cm。框架梁应做得顺直、美观,急流槽(检查梯步)设于沉降缝处,间距为40m。框架梁施工完毕要及时浇注锚墩。

紧固头由斜托(垫墩)、钢垫板和锚具组成。斜托由C30混凝土制作,并在距其顶面5cm处加一层<8的钢筋网。网的钢筋间距为16cm,并不与预留孔相冲突。斜托顶面与钻孔轴线必须垂直,确保埋设张拉时千斤顶的张拉力与锚索在同一轴线上。锚具应符合国家现行《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程》(JGJ85-2002)的规定。　2008年　第2期　　　　　　　　　　　　郭光宇:预应力锚索框架梁施工技术损伤及锈坑者应剔出。

(8)锚索的长度要根据钻孔的实际深度确定,允许误差为±2cm,并对锚索按孔号相应编号。(9)锚固段的定位导向花架、船形托架(两者统一),应严格按设计要求安装在锚索上,绑扎后既要能承受一定的拉力,又要保证锚索的自由拉伸。(10)安放锚索要保证锚索孔壁有不少于1cm的注浆厚度,锚索安放要平直,张拉段要放在锚孔中央。

(11)内锚固段注浆用水泥,选用32.5级普通硅酸盐水泥。搅拌水泥砂浆应均匀,使用时不得有沉淀。为保证浆液性能,可加入不同用途的外加剂。注浆充盈系数为1.1～1.3。

(12)严格控制加水量和水灰比,灰砂比允许误差为±0.03。

(13)锚墩制作允许偏差各方向均为±3cm。安装时应先安放好孔口定位钢管,以保证锚墩与锚孔垂直。

(14)锚索的张拉要在锚固段砂浆及锚墩混凝土达到设计强度后,方可进行。

(15)张拉前张拉设备要标定,重复3次取平均值。各根钢绞线拉力不均匀系数在0.95～1.05之间,各根钢绞线的拉力差为±5%。

(16)第二次张拉在张拉完成后6～10d进行,张拉力取设计预拉力的105%。

(17)张拉段注浆必须待浆液溢出孔口稳定1～2min后,方可停止注浆。8～20h后进行二次劈裂注浆,以确保注浆饱满。

参考文献:

4　安全措施

(1)施工前进行技术安全交底,施工中应明确分工,统一指挥。

(2)各种机械机具应处于完好可靠状态。

(3)上岗前要做好安全检查工作,由班组长负责,责任到人,互相监督。施工人员进入现场应戴好安全帽,操作人员应精力集中,遵守有关安全操作规程。

(4)机械、电器设备应专人操作。(5)电(气)焊操作工应有操作证。

(6)边坡加固工程钻孔通常是在脚手架上作业,

6　结语

—161—

为确保脚手架绝对安全稳定,采用双排方式,间距为1.2m～1.3m。重力集中处增加斜向及横向支撑,并设置短锚桩,将脚手架锚固在稳定的岩壁上。(7)高空作业应设安全防护设施,在既有线附近作业,应设行车安全防护。

(8)风动钻机管路连接应牢靠,避免脱开甩出伤人。(9)切割钢绞线使用的砂轮切割机要设安全护罩,以免断片伤人。

(10)注浆管路应畅通,不得有堵塞现象,避免浆液突然喷出伤人。注浆管路不使用时,要及时注压清水冲洗干净。5　心得与体会

锚索斜托与钢管的定位在施工中尤为重要,如果钢管位置偏移,张拉时张拉侧压力会对框架梁造成开裂损坏。另外,对软岩高边坡,框架梁受力会呈现不规律变化,对局部的岩层变化处需要重新设计框架梁的结构。对此,读者可参考文献[3],文献[3]在这方面做了详细的研究。

锚固技术目前在我国岩土工程中得到了广泛应用,已成为治理边坡病害、深基础处理和隧道围岩加固等工程措施的主要手段之一。因其具有工程效果好、施工灵活和经济合理等优点,因此被越来越多地应用在特殊条件下岩土工程地质病害问题的处理中。

[1]　王家海.预应力锚索施工技术及单价分析[J].铁路工

程造价管理,2003,(5).

[2]　黎明.预应力锚索施工及其质量控制[J].水力发电,

2003,29(8).

[3]　曹兴松,周德培.软岩高边坡预应力框架梁的一种新

型设计方法[J].公路交通科技,2004,(8).

[4]　杨志庆,虞黎均,诸葛盛世.预应力锚索+框架梁结构

在边坡防治中的应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2005,(2).

[5]　史彦文.锚索框架梁和抗滑桩联合支护在路基高边坡

滑坡处理中的应用[J].公路,2004,(2).